林文卓， 白麗萍, 高立新， 趙啟輝

(1.住房和城鄉(xiāng)建設部科技與產業(yè)化發(fā)展中心，北京100835；2.北京市燃氣集團有限責任公司， 北京100035；3.道達爾石化(上海)有限責任公司，上海200001)

1 概述

聚乙烯管道具有耐腐蝕、比摩阻小、柔韌性好、抗震、質量小、運輸方便等特點，在中小口徑燃氣管中與鋼管相比，具有很大的優(yōu)勢。在國外尤其是歐洲已有逾50 a的使用經驗。在國內，聚乙烯燃氣管道于1982年首次在上海使用，到目前為止已有逾30 a的應用。在此期間，產品性能在不斷提高，配套管件、施工設備、施工技術也在不斷發(fā)展和完善。另一方面，聚乙烯管道剛度低、表面不耐劃傷、熔接接口不易檢驗等問題也影響其進一步的推廣，在國內的應用仍處于兩極分化，哈爾濱等地區(qū)大規(guī)模地應用聚乙烯燃氣管道，而有些城市則因為對聚乙烯管道的性能、特性不把握，心存疑慮，仍處于小心探索求證階段，選用鋼管為主。

CJJ 63《聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程》標準也經歷了3次改版，包括1995、2008版本。為了適應聚乙烯燃氣管道生產和應用技術的快速發(fā)展，將最新先進技術與產品納入標準中，進一步完善標準內容，更好地指導聚乙烯燃氣管道工程設計、施工和驗收工作，確保工程質量和安全供氣，住房和城鄉(xiāng)建設部科技發(fā)展促進中心(現(xiàn)更名為住房和城鄉(xiāng)建設部科技與產業(yè)化發(fā)展中心)組織燃氣公司以及管材生產、設計、施工、檢測等逾20家單位共同完成了CJJ 63《聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程》行業(yè)標準的第3次修訂工作。筆者有幸參與第3次修訂工作，本文就標準修訂過程中的一些重要問題，也是聚乙烯燃氣管道應用中設計施工人員比較關注的問題，包括最大允許工作壓力、管材管件儲存條件和時間、熱熔接頭的質量檢驗等內容進行探討。第3次修訂后的標準號為CJJ 63—2018，標準名為《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》。

2 最大允許工作壓力和最大工作壓力

2.1 設計系數(shù)C與最大允許工作壓力pmax的計算

在CJJ 63—2008《聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程》中，只有最大允許工作壓力這一概念，最大允許工作壓力是指管道系統(tǒng)中允許連續(xù)使用的最大壓力。CJJ 63—2018版本為了與聚乙烯燃氣管道國家產品標準和其他國際標準相對應，引入了最大工作壓力(pMOP)概念，與最大允許工作壓力(pmax)概念相區(qū)別，并給出了相應的計算公式。其中，最大工作壓力指20 ℃工作溫度條件下，聚乙烯燃氣管道允許連續(xù)使用的最大壓力。最大允許工作壓力指在相應工作溫度(包含20 ℃)下，聚乙烯燃氣管道允許連續(xù)使用的最大壓力，考慮了工作溫度對工作壓力的影響，燃氣管道系統(tǒng)的設計壓力不應高于最大允許工作壓力(pmax)。

CJJ 63—2008 第4.1.3條規(guī)定了不同輸送介質條件下，不同強度等級和不同規(guī)格條件下，聚乙烯管道的最大允許工作壓力(即為CJJ 63—2018中的最大工作壓力)，見表1。

表1 聚乙烯管道的最大允許工作壓力 MPa

CJJ 63—2008第4.1.5條又規(guī)定，當聚乙烯管道工作溫度在20 ℃以上時，最大允許工作壓力應按工作溫度對管道工作壓力的折減系數(shù)(即壓力折減系數(shù))進行折減。

CJJ 63—2018根據(jù)設計習慣和聚乙烯管道工程實際，規(guī)定了最大工作壓力(pMOP)的確定需要通過設計系數(shù)C計算，不再直接從表中選用。同時考慮到聚乙烯燃氣管道不耐外力破壞的特性，根據(jù)聚乙烯燃氣管道標準要求，引入了耐快速裂紋擴展的臨界壓力值(pRCP)的概念，規(guī)定pMOP的確定，除了應按照式(1)計算外，還應用pRCP進行校核，校核計算應按式(3)進行。

(1)

(2)

(3)

式中pMOP——最大工作壓力，MPa，以20 ℃為參考工作溫度

σmin——最小要求強度，MPa，PE 80取8.0 MPa，PE 100取10.0 MPa

C——設計系數(shù)

SSDR——標準尺寸比

pmax——最大允許工作壓力，MPa

DF——工作溫度下的壓力折減系數(shù)

pRCP——耐快速裂紋擴展的臨界壓力，MPa，由混配料供應商或管材生產廠商提供

CJJ 63—2018同時規(guī)定了輸送不同燃氣種類的聚乙烯管道的設計系數(shù)取值，見表2。

對于輸送液化石油氣和人工煤氣的聚乙烯管道，考慮燃氣中的芳香烴類物質(如苯、甲苯、二甲苯等)對聚乙烯材料的溶脹作用，導致管道耐壓能力下降，在CJJ 63—2018中，聚乙烯管道輸送液化石油氣和人工煤氣時，與輸送天然氣相比，設計系數(shù)C更大，以滿足工作壽命的要求。

2.2 最大工作壓力

EN 1555-2:2010《Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels-Polyethylene (PE)-Part2：Pipes》(中文譯名：《燃氣輸送用聚乙烯(PE)塑料管道系統(tǒng)第2部分：管材》)、ISO 4437-2:2014《Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels— Polyethylene (PE)—Part 2: Pipes》(中文譯名：《燃氣輸送用聚乙烯(PE)塑料管道系統(tǒng) 第2部分：管材》)、EN 12007-2:2012《Gas infrastructure-pipelines for maximum operating pressure up to and including 16 bar-Part2：Specific functional requirements for polyethylene (MOP up to and including 10 bar)》(中文譯名：《燃氣工程 最大工作壓力到1.6 MPa的管道系統(tǒng) 第2部分：(MOP到1.0 MPa)聚乙烯的性能要求》)標準中，PE100、SDR11系列管材的pMOP為1.0 MPa；法國、西班牙規(guī)定PE100、SDR11系列管材的pMOP為0.8 MPa；德國、匈牙利、摩爾多瓦規(guī)定PE100、SDR11系列管材的pMOP為1.0 MPa。

ISO 4437《Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels》(中文譯名：《燃氣輸送用聚乙烯管道》)、 EN 1555《Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels》(中文譯名：《燃氣輸送用塑料管道系統(tǒng)》)以及 GB 15558.1—2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》這些管材產品標準中規(guī)定C≥2.0。在不考慮溫度折減時，以PE100、SDR11系列管材為例，C取2.0，代入式(1)，計算得到pMOP為1.0 MPa?？紤]到我國國情和施工因素(包括地質條件、施工方式、燃氣種類、管理條件等各種因素)，結合我國近20年來應用聚乙烯燃氣管道的經驗，CJJ 63—2018中規(guī)定C≥2.5，高于ISO 4437、EN 1555以及GB 15558.1—2015產品標準中C大于等于2.0的規(guī)定。同樣，以PE100、SDR11系列管材為例，C取2.5，代入式(1)，計算得到的pMOP為0.8 MPa。因此，CJJ 63—2018規(guī)定，對于輸送天然氣的聚乙烯管道，PE100、SDR11系列管材的最大工作壓力為0.8 MPa，與CJJ 63—2008規(guī)定的0.7 MPa相比，有所提高，這個最大工作壓力值也與歐洲大多數(shù)國家實際應用值相符合，也與GB 50028—2006規(guī)定的次高壓B燃氣管道設計壓力區(qū)間相一致。

3 允許儲存時間與存放條件

聚乙烯是一種熱塑性高分子材料，在室外受紫外線(尤其波長300 nm左右的紫外線)、熱、氧氣、臭氧、工業(yè)有害氣體及微生物等外界環(huán)境因素的作用會發(fā)生老化，產生變色、性能下降[1]。為了提高耐老化性能，一般在聚乙烯原料中加入光屏蔽劑、抗光穩(wěn)定劑、抗熱穩(wěn)定劑和抗氧劑等。黑色管通過添加炭黑，非黑色管(如橙色管、黃色管)添加額外的抗UV(指紫外線)穩(wěn)定劑(受阻胺類)和UV吸收劑，目的都是為了防止紫外線對PE材料的影響。黑色管和非黑色管中都添加了抗熱穩(wěn)定劑，以減少陽光照射導致管材溫度升高。國內外相關用戶及制造商對超過4 a甚至更長時間的管材、管件進行了相應的測試，結果顯示其性能均能滿足相關標準要求，且與最初的性能相比無明顯降低。

標準修訂過程中，部分專家提出非黑色管在沒有保護的戶外儲存時間不應超過2 a(或者可存放更長時間，但需由管材廠家推薦)。帶色條料的黑色管，在戶外儲存的時候一般不需要防護。澳大利亞水和燃氣工業(yè)協(xié)會要求，聚乙烯管道產品在澳大利亞戶外暴露存放兩年后可以繼續(xù)使用，特別對于黑色管，澳大利亞水和燃氣工業(yè)協(xié)會允許PE污水管道永久性地暴露于地表之上。但這些不意味著聚乙烯管可以隨時在露天暴曬。添加炭黑、抗紫外線劑、抗熱穩(wěn)定劑的目的都是為了保護材料，而不是為了直接暴曬。為保證使用壽命，需要提供良好的儲存環(huán)境，防日曬、雨淋。GB 15558.1—2015和ISO 4437-2:2014規(guī)定了聚乙烯非黑色混配料(以管材形式測定)的耐候性能：在受到累計太陽曝輻射量≥3.5 GJ/m2后，由其制作的電熔接頭的剝離強度、管材斷裂伸長率和靜液壓試驗仍應符合標準的相關要求。EN 12007-2:2012第5章提出：聚乙烯管材和管件不能陽光直射，累計太陽曝輻射量不得大于3.5 GJ/m2。3.5 GJ/m2相當于西歐地區(qū)(如：法國巴黎、英國倫敦)一年的太陽曝輻射量，相當于我國大部分地區(qū)6～8個月的太陽曝輻射量。

因此CJJ 63—2018參照歐洲標準和國家標準，規(guī)定聚乙烯管材、管件不應長期戶外存放。當從生產到使用期間，累計受到太陽曝輻射量超過3.5 GJ/m2，或具有良好存放條件下的管材存放超過4 a，及密封包裝的管件存放超過6 a時，應對其進行抽樣檢驗，性能符合要求方可使用。

4 焊制管件問題

從聚乙烯管材上切割管段，采用角焊機熱熔對接制作的管件叫作PE焊制管件，屬于非標準產品。該類管件焊口多，彎頭角度多，缺乏統(tǒng)一標準，產品質量控制難度較大。同時，焊制管件由于存在多個與軸向不垂直的焊縫，在內壓和外荷載作用下，焊縫會受力不均，造成局部應力集中，不利于長期運行。CJJ 63—2008考慮到當時的注塑管件生產工藝現(xiàn)狀，允許使用焊制管件，但對應用焊制管件的系統(tǒng)提出壓力不超過0.2 MPa、工廠預制、焊制管件管材壓力等級大于系統(tǒng)管材壓力等級、施工中加固等要求。

盡管有上述要求，在管道系統(tǒng)中應用焊制管件依然有安全隱患。目前國內已經有相當數(shù)量廠家具備生產DN 630 mm以下一次性注塑管件的條件，質量更加可靠，規(guī)格品種也完全可以滿足市場要求。因此，CJJ 63—2018刪除了焊制管件的相關規(guī)定，規(guī)定系統(tǒng)中采用的管件應符合現(xiàn)行國家標準GB/T 15558.2—2005《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統(tǒng) 第2部分:管件》的要求。

5 熱熔連接和質量檢驗

5.1 熱熔設備和連接要求

目前國際上聚乙烯燃氣管的連接普遍采用不可拆卸的焊接接頭，即熱熔連接或電熔連接。一般來說，這兩種連接方式形成的接頭的強度都高于管材自身強度。CJJ 63—2018規(guī)定熱熔連接工藝應符合現(xiàn)行國家標準GB/T 32434—2015《塑料管材和管件 燃氣和給水輸配系統(tǒng)用聚乙烯(PE)管材及管件的熱熔對接程序》的規(guī)定，還規(guī)定熱熔對接連接設備宜使用全自動焊接設備，即加熱、卷邊、吸熱、切換、加壓熔接、保壓冷卻等操作自動完成，不推薦使用手動焊接設備。焊機各項參數(shù)和性能是決定焊接質量的關鍵，因此，CJJ 63—2018規(guī)定，焊機應定期進行校準和檢定，周期不應超過1 a。

除了合格的材料和焊機之外，聚乙烯燃氣管道的接頭質量還跟施工環(huán)境密切相關，因此，CJJ 63—2018規(guī)定了施工環(huán)境要求，在溫度較低、大風環(huán)境，需要保溫防風，同時避免陽光直射、遮陽防雨。

5.2 熱熔連接質量檢驗

聚乙烯管道熱熔連接完成后，應采用卷邊對稱性、接頭對正性、卷邊切除試驗進行檢驗。其中卷邊對稱性、接頭對正性檢驗是接頭質量檢查的最基本方法，也是比較簡便和比較容易實現(xiàn)的方法，因此，要求100%進行此項檢查。卷邊切除試驗檢驗為焊接質量的概率保證，檢驗比較復雜，但該項檢驗可以發(fā)現(xiàn)虛焊等打壓試驗無法發(fā)現(xiàn)的焊接質量缺陷，因此CJJ 63—2018提高了檢驗的比例，從原來的10%提高到了15%。實際工程中，如果條件許可或工程可靠性要求較高，如水平定向鉆非開挖施工時，CJJ/T 250—2016《城鎮(zhèn)燃氣管道穿跨越工程技術規(guī)程》第5.1.8條規(guī)定，要求100%卷邊切除檢驗，以確保熱熔焊接質量。

上述為施工過程中非破壞性檢驗方法，在需要焊接工藝評價、對焊接質量存在異議或焊機長期停用后再次使用時，進行如下破壞性試驗：按照 GB/T 19810—2005《 聚乙烯(PE)管材和管件熱熔對接接頭拉伸強度和破壞形式的測定》進行拉伸強度測試，按照GB/T 6111—2018《流體輸送用熱塑性塑料管道系統(tǒng) 耐內壓性能的測定》進行80 ℃、1 000 h的靜液壓試驗。這種破壞性試驗耗時較長，短時間內無法得出結論。實際工作中，為了快速檢測焊口質量，部分燃氣公司會采用樣條彎曲試驗這一相對簡單的破壞性試驗方法檢測熱熔連接接口質量，具體做法是：從熱熔連接的管道中分割出特定的長條形試樣，熔接縫應位于樣條中間，先將外卷邊切除，用手握住樣條的兩端，用力將其向內彎曲至兩端接觸，檢查樣條熔接縫，不應出現(xiàn)開裂。該種檢驗方法通常在全自動焊機首次使用時，或每月一次，以檢測全自動焊機參數(shù)設置、設備運行是否良好，以控制熱熔焊接質量水平。

其他非破壞性檢驗方法，可考慮通過超聲波和X射線探測等常規(guī)非破壞性檢測方法來進行接頭質量的評估。雖然超聲波和X射線探測等常規(guī)非破壞性檢測方法有可能檢測不到所有熱熔對接接頭上存在的缺陷，但可以檢測出受污染和存在氣泡的區(qū)域。因此，可考慮使用此類技術，以進一步確認熱熔對接接頭的質量。

6 示蹤、警示裝置及保護板設置

為了運行管理時方便探測聚乙烯管道位置，并提示第三方施工人員施工時避開管道位置，CJJ 63—2008 第4.1.8條規(guī)定：隨管道走向應設計示蹤線(帶)和警示帶；第6.2.6條規(guī)定：管道敷設時，應隨管道走向埋設金屬示蹤線(帶)、警示帶或其他標志。本次修訂，將示蹤線(帶)和警示帶修改為有效的示蹤、警示裝置。示蹤裝置可以是有效導通的示蹤線、示蹤帶，也可以是可寫入管線位置等信息的電子標志器，或者地下管線測繪等方式。警示裝置可以是警示帶、地面標志、警示保護板等。

為了避免聚乙烯燃氣管道遭受第三方破壞，CJJ 63—2018規(guī)定：設計壓力大于0.4 MPa的聚乙烯燃氣管道上方應設置保護板。目前各燃氣公司采用的保護板形式較多，有聚乙烯保護板、玻璃纖維保護板、鋼筋混凝土保護板。北京燃氣等公司采用了新型PE保護板或玻璃纖維板，在這些保護板中內置了可用金屬探測器探測到的鋼帶，保護板表面有“下有燃氣，注意保護”的警示語，且具有一定的強度(剪切強度≥14.2 MPa，拉伸強度≥10.0 MPa)，與鋼筋混凝土保護板相比較，埋設方便。埋設位置在管道上方不小于200 mm，且距地面300～500 mm的位置，可以抵御人工鎬錘挖掘對聚乙烯燃氣管道的破壞，而且因其有較好的強度和韌性，即使在機械挖掘時，也可以起到一定的保護作用。