摘要：聚乙烯管已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于城市燃氣行業(yè)，管道系統(tǒng)可靠性是人們最關(guān)心的內(nèi)容之一。本文首先分析了聚乙烯燃氣管道系統(tǒng)可靠性的特點，然后從聚乙烯材料、連接、運行等三方面論述了提高可靠性的方法，接下來介紹了一些新標準，并指出制定先進的技術(shù)標準，并要求相關(guān)方嚴格遵守，是提高聚乙烯管道可靠性的有效途徑。
關(guān)鍵詞：聚乙烯(PE)管；燃氣；可靠性；標準
1 概述
美國國防部的電子設(shè)備可靠性咨詢委員會(Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment，簡稱AGREE)在1957年提出：可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力[1]74。自此以后，可靠性理念在各個行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。聚乙烯(以下簡稱PE)燃氣管道系統(tǒng)的可靠性就是指在外部自然環(huán)境和內(nèi)部設(shè)計壓力等運行工況下，長時間的無泄漏持續(xù)輸送燃氣的能力，此處的“長時間”在工程上一般理解為50a的預(yù)期壽命。如果PE管的可靠性不高，經(jīng)常失效，發(fā)生泄漏，就會導致停氣，對燃氣用戶造成影響，甚至可能引發(fā)爆炸等事故。
供電行業(yè)很早就應(yīng)用了可靠性管理[2]，電力具有與管道燃氣類似的網(wǎng)絡(luò)輸送、安全要求高、持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)等特點。國內(nèi)外很多機構(gòu)都對電力可靠性管理工作做了大量的研究和實踐工作，中國負責可靠性管理的機構(gòu)是國家電監(jiān)會的電力可靠性管理中心。該中心制訂了系統(tǒng)的可靠性技術(shù)標準，連續(xù)十多年發(fā)布當年的電力可靠性指標，對于提升供配電系統(tǒng)的可靠性、減少停電事故發(fā)揮了重大的作用。它的一些研究方法對于燃氣行業(yè)以及PE管的可靠性工作具有一定的參考意義。
目前在燃氣行業(yè)，賀明建等研究了大管徑聚乙烯管的生產(chǎn)工藝及設(shè)備的重要參數(shù)[3]，魏新莉等研究了聚乙烯管在燃氣輸配系統(tǒng)抽換施工中應(yīng)注意的幾個問題[4]，鄧小剛、劉哲結(jié)合實際的城市燃氣工程研究了聚乙烯管應(yīng)用中的的具體要求[5][6]，李長纓研究了聚乙烯管在城鎮(zhèn)燃氣中如何保障安全應(yīng)用的有關(guān)問題[7]，上述學者都從不同角度提出了提高聚乙烯管可靠性的方法。
2 PE管的可靠性分析
按照可靠性理論，PE管的可靠性可以使用可靠度、失效率、可靠壽命等概率指標來評價[1]77-90：
可靠度R(t)是指PE管在設(shè)計工況下，在時間t內(nèi)無泄漏輸送燃氣的概率，它具有以下性質(zhì)：
(1) 當t=0時，R(t)=1，即當PE管剛投入運行時，管道可靠，總能正常工作；
(2) 當t→+∞時，R(t)→0，即PE管的可靠度隨著時間的延長而逐漸降低，并且管道總是要失效的。
失效率λ(t)是指PE管已工作到時刻t尚未失效的PE管中，在時刻t后單位時間內(nèi)失效的概率。
可靠壽命是指當PE管的可靠度R(t)等于給定值R(0＜R＜1)的時間tR?？紤]燃氣行業(yè)的安全要求高，實際工作中可設(shè)定PE管的可靠度R(t)=0.975，此時令tR=50a，即在0.975的可靠度下，要求PE管的預(yù)期50年壽命。
事實上，PE燃氣管道工業(yè)鏈主要包括PE原料生產(chǎn)，PE管材、管件和閥門生產(chǎn)，PE管道工程的設(shè)計、施工及驗收，PE管的運行維護等環(huán)節(jié)，它的可靠性與整個工業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)都有關(guān)系，該工業(yè)鏈所有環(huán)節(jié)中任一單元的故障都會導致系統(tǒng)故障(指系統(tǒng)失效，產(chǎn)生安全隱患，導致泄漏)，可視為典型的可靠性串聯(lián)模型。
根據(jù)串聯(lián)數(shù)學模型的理論，通過提高各個環(huán)節(jié)單元的可靠性，即通過可靠的材料、可靠的連接、可靠的運行等途徑，來提高整個PE系統(tǒng)的可靠性，具體的方法是制定先進的技術(shù)標準，并要求相關(guān)方共同遵守。
3 提高可靠性的途徑
(1) 可靠的材料
可靠的材料主要指性能優(yōu)異的PE原料和管材等。目前PE管施工中，可能出現(xiàn)管溝回填沙床中混有石塊或非開挖施工(如定向鉆穿越)等情形，結(jié)果導致在管道局部造成應(yīng)力集中(例如一石塊頂住管道)，或者外表面較多劃傷，造成安全隱患。這個現(xiàn)實情況推動了抗裂材料PE100-RC(Resistant to Cracks)的出現(xiàn)，這種材料擁有更好的耐慢速裂紋增長(SCG)等性能。目前歐洲某公司開發(fā)的HDPE XSC50 0range就是一種典型的PE100 RC燃氣專用混配料，滿足德國《非傳統(tǒng)安裝技術(shù)用PE管：尺寸、技術(shù)要求及測試》PAS1075：2009-4標準的要求(參見本文的4.2節(jié))。相對于目前常用的PE100混配料，采用此種材料生產(chǎn)的PE管在同樣劃痕條件下，安全性更好，可靠性更高。
在PE原料具有優(yōu)異性能的前提下，燃氣企業(yè)對PE管制造企業(yè)提出管材等產(chǎn)品的技術(shù)標準，并開展認證審核工作，可促使其加強產(chǎn)品質(zhì)量控制，使PE原料的優(yōu)良力學性能保留在加工好的管材中。目前北京燃氣、中華煤氣、成都燃氣、廣州燃氣、深圳燃氣等5家燃氣企業(yè)聯(lián)合發(fā)布了《燃氣企業(yè)聚乙烯(PE)輸配系統(tǒng)質(zhì)量控制合作小組標準產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)要求第1部分：燃氣用埋地PE管材》G5+PE001.1-2008(參見本文的4.1節(jié))，并開展了一系列的供應(yīng)商認證審核工作，有效提高了PE管質(zhì)量。
(2) 可靠的連接
可靠的連接主要指良好的工程建設(shè)質(zhì)量，包含PE管道工程的設(shè)計、施工及驗收等內(nèi)容。已有較多學者研究過該方面的內(nèi)容，本文僅就工程中易忽視的內(nèi)容做簡單論述。
① 最大允許工作壓力
由于液化石油氣和人工煤氣中存在芳香烴類物質(zhì)，該類物質(zhì)對于PE材料有溶脹作用，會導致管道耐壓能力下降，因此PE管在輸送液化石油氣和人工煤氣時，最大允許工作壓力小于輸送天然氣的壓力。
另外，PE管的壽命和承壓能力與溫度密切相關(guān)。因此在進行PE管道系統(tǒng)的設(shè)計時，需要考慮周圍環(huán)境與管道最大允許工作壓力的關(guān)系?！毒垡蚁┤細夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》CJJ63—2008提出，如果夏天管道的工作溫度在20℃以上時，則最大允許工作壓力應(yīng)按表1的折減系數(shù)進行折減。
表1 工作溫度對管道工作壓力的折減系數(shù)
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工作溫度
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壓力折減系數(shù)
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-20℃≤t≤20℃
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1.00
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20℃＜t≤30℃
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0.90
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30℃＜t≤40℃
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0.76
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表中工作溫度是指管道工作環(huán)境(比如地面以下1m處)的最高月平均溫度。往年的最高月平均溫度歷史數(shù)據(jù)可以通過當?shù)貧庀蟛块T查詢得知，并可通過實測當年數(shù)據(jù)進行比對。如果忽略了溫度因素，可能出現(xiàn)管道設(shè)計壓力超過最大允許工作壓力，一旦投產(chǎn)后，將埋下安全隱患。根據(jù)時溫等效原理，如果已經(jīng)考慮了溫度對PE管工作壓力折減，在其他條件不變的情況，預(yù)期壽命也不變。
② 最大流速
在確定管徑的時候，需要反復的計算。管道的允許壓力降可由管道系統(tǒng)入口壓力至調(diào)壓器允許最小進口壓力的差值來決定，但流速應(yīng)有限制。由于PE管電阻率較高，管內(nèi)氣體流動時所產(chǎn)生的靜電荷會積聚起來，當氣流夾帶粉塵時，在燃氣管道內(nèi)流動與管壁摩擦將產(chǎn)生靜電(如果沒有粉塵，純氣體也會產(chǎn)生靜電)，而且流速過高會損傷管道內(nèi)壁。英國氣體工程師學會認為，如上游系統(tǒng)有粉塵時PE管道的設(shè)計流速不應(yīng)大于20m/s，如上游系統(tǒng)沒有粉塵時PE管道的設(shè)計流速可高達40m/s；法國燃氣公司認為，為減少氣流沖刷及降低噪聲，工作狀態(tài)下的流速以不宜超過20m/s；在美國，根據(jù)燃氣協(xié)會(AGA)的資料可推算，PE管里的流速大于20m/s。
事實上，考慮國內(nèi)PE管道工程的實際施工中易進入粉塵，《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)規(guī)程》CJJ63—2008中提出流速不宜大于20m/s。在水力計算得出管徑后，需要校核流速。如果管徑選擇過小，將導致流速過大，降低了可靠性。
③ PE管的定位與保護
由于材料特點，PE管難以探測定位。現(xiàn)在可采用探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)來探測PE管，但該方法在實際工程中的應(yīng)用效果有待進一步驗證。值得推薦的一個方法是在PE管工程建設(shè)時，在三通、轉(zhuǎn)彎點等特征點位置同步埋設(shè)電子標識器；待管溝回填后在地面采用專用探測儀探測電子標識器，得知特征點信息，獲得PE管的準確位置，甚至獲得施工時間、管道埋深等信息。電子標識器的有關(guān)內(nèi)容已經(jīng)列入了今年7月1日正式實施的《城鎮(zhèn)燃氣標志標準》CJJ/T153中。
PE管還存在不能抵抗強力沖擊的問題。為保護PE管，工程建設(shè)時可在管道上方全程無縫敷設(shè)有一定強度的PE保護板(印刷有搶維修電話，不小于管徑寬度)。如果第三方在管道上方開挖作業(yè)，在挖到PE保護板后，就可以知曉保護板下方有燃氣管道，將聯(lián)系燃氣企業(yè)現(xiàn)場處理。燃氣企業(yè)工程師在現(xiàn)場通過電子標識器系統(tǒng)對PE管準確定位，采取有針對性的保護措施。
(3) 可靠的運行
可靠的運行主要指投產(chǎn)后科學嚴謹?shù)倪\營管理。PE管遭受第三方施工破壞的案例在國內(nèi)時有報道，提高運行可靠性的方法主要包括管理類和技術(shù)類兩方面。在管理類的方法中，燃氣企業(yè)應(yīng)確保PE管所處的環(huán)境和輸送介質(zhì)、壓力等運行工況符合技術(shù)標準和工程設(shè)計的要求；同時還要加強與當?shù)卣臏贤▍f(xié)調(diào)，取得支持。國家2010年頒布了《石油天然氣管道保護法》，但是城市燃氣管道不適用該法。不過燃氣企業(yè)可以申請地方政府參照該法律頒布《城市燃氣管道保護辦法》等地方性法規(guī)，以減少第三方破壞，共同做好管道保護工作。對于管道的日常巡查巡檢等基礎(chǔ)性的工作，燃氣企業(yè)可應(yīng)用GIS和GPS等先進的技術(shù)措施，優(yōu)化巡查路由，加強對管網(wǎng)的保護。
4 標準的新要求
隨著社會發(fā)展和技術(shù)進步，整個PE管工業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的技術(shù)標準都在持續(xù)發(fā)展中，有效提高了可靠性，這里僅介紹幾個具有特別意義的新標準。
(1) 《燃氣企業(yè)聚乙烯(PE)輸配系統(tǒng)質(zhì)量控制合作小組標準》(G5+標準)
該標準由國內(nèi)五家燃氣企業(yè)聯(lián)合提出，立足于燃氣企業(yè)的需求，考慮國內(nèi)PE產(chǎn)業(yè)的實際情況，吸收了國外的先進標準和經(jīng)驗，具有很強的實踐指導意義。同時通過對供應(yīng)商的認證審核工作，促進了行業(yè)的技術(shù)進步，事實上推動了國內(nèi)PE管行業(yè)的健康發(fā)展。該標準體系目前包含PE管材質(zhì)量、供應(yīng)商資格預(yù)審等內(nèi)容，部分指標要求比現(xiàn)行國家標準要求更高。比如國家標準GB15558.1《燃氣用埋地聚乙烯管道系統(tǒng) 第1部分：管材》對PE混配料的焊接兼容性沒有要求，但G5+標準對此的要求是對接熔接拉伸強度(dn11Omm SDR11)試驗至破壞：韌性破壞一通過，脆性破壞一未通過。顯然G5+標準的管材的可靠性更高，這與最新的國際標準IS04437《燃氣輸送用埋地聚乙烯管材(PE)-公制系列-規(guī)范》和歐洲標準EN1555-1《燃氣輸送用塑料管道系統(tǒng)-聚乙烯(PE)-第一部分：總則》的要求是相符的。
除了技術(shù)標準外，G5+標準還對供應(yīng)商提出了管理上的要求。比如要求PE管供應(yīng)商應(yīng)保證產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性，即在管理上需要建立一個可靠的系統(tǒng)，一旦燃氣工程企業(yè)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)PE管道質(zhì)量事故時，可以從現(xiàn)場的管材追溯到工廠當時的生產(chǎn)線、操作者、原材料等信息；同時另一方面，工廠也可以根據(jù)記錄追溯任一根管材發(fā)送到了哪個客戶。當然，客戶燃氣企業(yè)需要建立自己的追溯系統(tǒng)，以確保任一根管材的去處。這樣就建立了從PE原料到終端工程現(xiàn)場的雙向可追溯系統(tǒng)，一旦發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量事故時，可以有效的進行產(chǎn)品召回或者處理對策，這也符合IS09000質(zhì)量管理體系的理念。
(2) 德國公共可用規(guī)范《非傳統(tǒng)安裝技術(shù)用PE管-尺寸、技術(shù)要求及測試》PAS1075：2009-4
針對非開挖和無沙基床等非傳統(tǒng)安裝技術(shù)敷設(shè)PE管的現(xiàn)象越來越多，德國于2009年正式發(fā)布了《非傳統(tǒng)安裝技術(shù)用PE管-尺寸、技術(shù)要求及測試》(Pipes made from Polyethylene for alternative installation techniques，Dimensions，Technical Requirement and Testing)PAS1075：2009-4。該標準的先進之處在于：正式定義了PE100-RC材料的概念，系統(tǒng)提出了有關(guān)技術(shù)要求，并第一次提出PE管道100年使用壽命的質(zhì)量要求。滿足該標準要求的PE100原料和管材，擁有更高的耐慢速裂紋增長的性能，即管道可以承受局部較高的應(yīng)力集中(來源于管道的外表面深度劃傷或者較高的點負荷)。滿足該標準要求的材料，除了通常PE100級材料的檢驗以外，還需滿足額外的試驗要求[7]，主要包括全切口蠕變試驗(Full-notch creep test，簡稱FNCT)、全壁厚管材點載荷試驗(Point load test，簡稱PLT)、熱穩(wěn)定性試驗、全壁厚管材切口試驗等。比如全切口蠕變試驗FNCT的試驗方法按照國際標準IS0 16770《塑料-聚乙烯環(huán)境應(yīng)力開裂(ESC)DN定-全切口蠕變試驗》來執(zhí)行：試樣為100*10*1Omm標準正方形棒狀，中間四面切口深度為(17%±2%)壁厚，將試樣置于恒溫環(huán)境中做恒定應(yīng)力拉伸，觀察破壞時間和破壞類型，可采用表面活性劑加快破壞速率。PAS1075要求在80℃的溫度下，采用2%Arkopa1N-100活性劑水溶液，對試件加以4N/mm2的力，如果大于8760h不破壞，即認為合格。
(3) 企業(yè)標準
雖然目前PE系統(tǒng)已初步建立了包括PE產(chǎn)品、焊接機具(如《塑料管材和管件聚乙烯系統(tǒng)熔接設(shè)備 第一部分：熱融對接》GB/T20674.1-2006)、的標準體系，但仍有不完善的地方。為此，部分企業(yè)提出了企業(yè)標準。例如，針對實際工程中PE管與電熔管件之間可能存在間隙過大的情形，這種情形易出現(xiàn)不良連接，導致管道系統(tǒng)的可靠性降低，埋下安全隱患。某燃氣企業(yè)根據(jù)有關(guān)國家標準和工程實踐，提出了PE電熔管件承口內(nèi)徑尺寸的企業(yè)標準，并在工作中實施，有效減少了間隙過大導致的不良焊接，參見表2。
表2 PE電熔管件承口內(nèi)徑尺寸要求(部分)單位：mm
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公稱外徑
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承口內(nèi)徑范圍
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最大不圓度
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32
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32.1-32.3
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0.3
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63
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63.2-63.6
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0.6
|
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90
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90.3-90.9
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0.9
|
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110
|
110.3-110.9
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1.0
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160
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160.4-161.4
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1.5
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5 國外關(guān)于PE管可靠性的研究結(jié)論
荷蘭學者Rainer Kloth在2004年發(fā)表報告陽，對德國GelsenWasser水務(wù)公司一批早年投入使用的PE管性能進行了研究和測試，研究樣本中的部分樣品安裝于1966年-1969年。研究表明：安全運行時間最長的已達38a(截至報告發(fā)布時間)，很多管道仍然工作在最大允許工作壓力下而沒有失效，50a的預(yù)期有效壽命是可以達到的，其中部分管道的失效原因主要是管材生產(chǎn)和施工過程中的缺陷。此次研究結(jié)果從事實上驗證了第一代PE管50a預(yù)期壽命的可靠性和國際標準IS09080《塑料管道和導管系統(tǒng)：用外推法測定熱塑性塑料管材的長期靜液壓強度》標準的正確性。
6 結(jié)論
國內(nèi)自從1982年開始埋地PE燃氣管道的應(yīng)用試驗[9]，至今已過去約30年?？紤]當時的PE管材生產(chǎn)和施工均處于試驗探索階段，很有必要了解管的長期靜液壓性能等指標。下一步工作可以對最早的一批管道挖出來進行全面的性能測試，以檢驗預(yù)期壽命等可靠性指標；同時結(jié)合工程實踐和實驗數(shù)據(jù)，探討提高管材壽命的可能性，這對于降低燃氣企業(yè)運營成本，促進燃氣工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
為提高PE燃氣管道系統(tǒng)的可靠性，整個工業(yè)鏈的相關(guān)方包括PE原料和管道生產(chǎn)商、工程施工者、燃氣企業(yè)等都負起責任，在材料、連接、運行等方面制定先進的標準并嚴格執(zhí)行，方可實現(xiàn)目標。G5+標準的制定及實施就是一個最好的實證案例。
(本文作者：羅彬 梁瑛 楊海翔 深圳市燃氣集團股份有限公司 廣東深圳 518040)
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