聚乙烯燃气管道系统的可靠性研究

深圳市燃气集团股份有限公司罗彬、梁瑛、杨海翔

摘要：分析了聚乙烯燃气管道系统可靠性的特点，从聚乙烯原料、管材、连接、运行等方面

论述了提高可靠性的方法．介绍了一些新标准，指出制定先进的技术标准并要求相关方严格遵守，是提高聚乙烯管道系统可靠性的有效途径。

关键词；聚乙烯燃气管道可靠性标准

１．概述

美国国防部电子设备可靠性咨询委员会（ＡｄｖｉｓｏｒｙＧｒｏｕｐＯｎＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，简称ＡＧＲＥＥ）在１９５７年提出：可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。自此以后，可靠性理念在各个行Ｎｋ得到了广泛的应用。聚乙烯（ＰＥ）燃气管道系统的可靠性就是指在外部自然环境和内部设计压力等运行工况下，长时间无泄漏持续输送燃气的能力，此处的“长时间＂在工程上一般理解为５０ａ的预期寿命。

供电行业很早就应用了可靠性管理，电力具有与管道燃气类似的网络输送、安全要求高、持续稳定供应等特点。国内外很多机构都对电力可靠性管理做了大量的研究和实践工作，中国负责可靠性管理的机构是国家电监会的电力可靠性管理中心。该中心制订了系统的可靠性技术标准，连续１０多年发布当年的电力可靠性指标，对于提升供配电系统的可靠性、减少停电事故发挥了重要的作用。电力行业的一些研究方法对于燃气行业以及ＰＥ管的可靠性研究具有一定的参考意义。

２．ＰＥ管的可靠性分析

按照可靠性理论，ＰＥ管的可靠性可以使用可靠度、失效率、可靠寿命等概率指标来评价：

可靠度Ｒ（ｔ）是指ＰＥ管在设计工况下，在时间ｔ内无泄漏输送燃气的概率，它具有以下性质：①当ｔ＝Ｏ时，Ｒ（ｔ）＝１，即当ＰＥ管刚投入运行时，管道可靠，总能正常工作：

②当ｔ一十∞时，Ｒ（ｔ）一０，即ＰＥ管的可靠度随着时间延长而逐渐降低，且管道总是要失效的。

失效率Ａ（ｔ）是指已工作到时刻ｔ尚未失效的ＰＥ管，在时刻ｔ后单位时间内失效的概率。

可靠寿命是指当ＰＥ管的可靠度Ｒ（ｔ）等于给定值Ｒ（Ｏ＜Ｒ＜１）的时间ｔ。。考虑燃气行业的安全要求高，实际工作中可设定ＰＥ管的可靠度Ｒ（ｔ）＝Ｏ．９７５，此时令ｔＲ＝５０ａ，即在０．９７５的可靠度下，要求ＰＥ管的预期寿命为５０ａ。

事实上，ＰＥ燃气管道工业链主要包括ＰＥ原料生产，ＰＥ管材、管件和阀门生产，ＰＥ管道工程的设计、施工及验收，ＰＥ管的运行维护等环节，它的可靠性与整个工业链的各个环节都有关系，该工业链所有环节中任一单元的故障都会导致系统故障（指系统失效，产生安全隐患，导致泄漏），可视为典型的可靠性串联数学模型。

根据串联数学模型的理论，通过提高各个环节单元的可靠性，即通过可靠的材料、可靠的连接、可靠的运行等途径，来提高整个ＰＥ管道系统的可靠性，具体的方法是制定先进的技术标准，并要求相关方共同遵守。

３．提高可靠性的途径

３．１可靠的材料

可靠的材料主要指性能优异的ＰＥ原料和管材等。目前ＰＥ管施工中，可能出现管沟回填土中混有石块或非开挖施工（如定向钻穿越）等情况，结果导致在管道局部造成应力集中（例如一个石块顶住管道），或者外表面划伤，造成安全隐患。这个现实情况推动了抗裂材料ＰＥＩＯＯ～ＲＣ（ＲｅｓｉｓｔａｎｔｔｏＣｒａｃｋｓ）的出现，这种材料拥有更好的耐慢速裂纹增长（ＳＣＧ）等性能。目前欧洲某公司开发的ＨＤＰＥＸＳＣ５０Ｏｒａｎｇｅ就是一种典型的ＰＥＩＯＯ－ＲＣ燃气专用混配料，满足德国标准ＰＡＳｌ０７５：２００９－４《非传统安装技术用ＰＥ管：尺寸、技术要求及测试》的要求。相对于目前常用的ＰＥｌ００混配料，采用此种材料生产的ＰＥ管在同样划痕条件下，可靠性更高。

在ＰＥ原料具有优异性能的前提下，燃气企业对ＰＥ管制造企业提出管材等产品的技术标准，并开展认证审核工作，可促使其加强产品质量控制。目前北京燃气、中华煤气、成都燃气、广州燃气、深圳燃气等５家燃气企业联合发布了

Ｇ５午Ｅ００１．１－２００８《燃气企业聚乙烯（ＰＥ）输配系统质量控制合作小组标准产品质量技术要求第１部分：燃气用埋地ＰＥ管材》，并开展了一系列的供应商认证审核工作，有效提高了ＰＥ管质量。

３．２可靠的连接

可靠的连接主要指良好的工程建设质量，包含ＰＥ管道工程的设计、施工及验收等内容。

３．２．１最大允许工作压力

液化石油气和人工煤气中存在芳香烃类物质，对ＰＥ材料有溶胀作用，会导致管道耐压能力下降，因此ＰＥ管在输送液化石油气和人工煤气时，最大允许工作压力小于输送天然气时的压力。

另外，ＰＥ管的寿命和承压能力与温度密切相关。因此在进行ＰＥ管道系统的设计时，需要考虑周围环境与管道最大允许工作压力的关系。ＣＪＪ６３—２００８《聚乙烯燃气管道工程技术规程》提出，如果工作温度在２０＊（２以上时，则最大允许工作压力应按ＣＪＪ６３中表４．１．５的折减系数进行折减。

工作温度是指管道工作环境（比如地面以下１ｍ处）的最高月平均温度。往年的最高月平均温度历史数据可以通过当地气象部门查询得知，并可通过实测当年数据进行比对。如果忽略了温度因素，可能出现管道设计压力超过最大允许工作压力，一旦投产后，将埋下安全隐患。根据时温等效原理，如果已经考虑了温度对ＰＥ管工作压力折减，在其他条件不变的情况，预期寿命不变。

３．２．２最大流速

管道的允许压力降可由管道系统起点压力与末端调压器允许最小进口压力的差值来决定，但流速应有限制。由于ＰＥ管电阻率较高，管内气体流动时所产生的静电荷会积聚起来，当气流夹带粉尘时，在燃气管道内流动过程中与管壁摩擦将产生静电（即使没有粉尘，纯气体流动时摩擦也会产生静电），而且流速过高会损伤管道内壁。英国气体工程师学会认为，当上游系统有粉尘时ＰＥ管道的设计流速不应大于２０ｍ／ｓ，当上游系统没有粉尘时ＰＥ管道的设计流速可高达４０ｍ／ｓ；法国燃气公司认为，为减少气流冲刷及降低噪声，工作状态下的流速不宜超过２０ｍ／ｓ；在美国，根据燃气协会（ＡＧＡ）的资料可推算，ＰＥ管的流速大于２０ｍ／ｓ。

考虑到国内ＰＥ管道工程实际施工中易进入粉尘，ＣＪＪ６３－２００８《聚乙烯燃气管道工程技术规程》中提出流速不宜大于２０ｍ／ｓ。在水力计算得出管径后，需要校核流速。如果管径选择过小，将导致流速过大，降低了可靠性。

３．２．３ＰＥ管的定位与保护

由于材料特点，ＰＥ管难以探测定位。现在可采用探地雷达（ＧｒｏｕｎｄＰｅｎｅｔｒａｔｉｎｇＲａｄａｒ，简称ＧＰＲ）来探测ＰＥ管，但该方法在实际工程中的应用效果有待进一步验证。值得推荐的一个方法是在ＰＥ管工程建设时，在三通、转弯点等特征点位置同步埋设电子标志器。管沟回填后在地面采用专用探测仪探测电子标志器，可得知特征点信息，获得ＰＥ管的准确位置，甚至获得施工时间、管道埋深等信息。电子标志器的有关内容已经列入了２０１ｉ年８月ｉ日正式实施的ｃＪＪ／Ｔ１５３《城镇燃气标志标准》中。

ＰＥ管还存在不能抵抗强力冲击的问题。为保护ＰＥ管，工程建设时可在管道上方全程敷设有一定强度的ＰＥ保护板（印刷有抢修维修电话，宽度不小于管径）。如果第三方在管道上方开挖作业，在挖到ＰＥ保护板后，就可以知晓保护板下方有燃气管道，将联系燃气企业现场处理。燃气企业工程师在现场通过电子标识器对ＰＥ管准确定位，采取有针对性的保护措施。

３．３可靠的运行

可靠的运行主要指投产后科学严谨的运营管理。ＰＥ管遭受第三方施工破坏的案例在国内时有报道，提高运行可靠性的方法主要包括管理类和技术类两方面。在管理类的方法中，燃气企业应确保ＰＥ管所处的环境和输送介质、压力等运行工况符合技术标准和工程设计的要求：同时还要加强与当地政府的沟通协调，取得支持。燃气企业可以申请地方政府严格执行《城镇燃气管理条例》，以减少第三方破坏，共同做好管道保护工作。对于管道的日常巡检等基础性的工作，燃气企业可应用ＧＩＳ和ＧＰＳ等先进的技术措施，优化巡检路由。

４．相关新标准

４．１ＧＳ＋标准

《燃气企业聚乙烯（ＰＥ）输配系统质量控制合作小组标准》（简称Ｇ５＋标准）包含ＰＥ管材质量、供应商资格预审等内容，部分指标要求比现行国家标准要求更高。１００

比如国家标准ＧＢ１５５５８．１《燃气用埋地聚乙烯管道系统第１部分：管材》对ＰＥ混配料的焊接兼容性没有要求，但Ｇ５＋标准对此的要求是对接熔接拉伸强度（公称外径ｌｌＯｍｍ、ＳＤＲＩＩ）试验至破坏：若是韧性破坏，则合格；若是脆性破坏，则不合格。显然Ｇ５＋标准的管材的可靠性更高，这与最新的国际标准ＩＳＯ４４３７ｌ：燃气输送用埋地聚乙烯管材（ＰＥ）公制系列规范》和欧洲标准ＥＮ１５５５—１《燃气输送用塑料管道系统聚乙烯（ＰＥ）第一部分：总则》的要求是相符的。

除了技术标准外，Ｇ５＋标准还对供应商提出了管理上的要求。比如要求ＰＥ管供应商应保证产品质量的可追溯性，即在管理上需要建立一个可靠的系统，一旦燃气企业工程现场发现ＰＥ管道质量事故，可以从现场的管材追溯到工厂当时的生产线、操作者、原材料等信息；另一方面，工厂也可以根据记录追溯任一根管材发送到了哪个客户。客户燃气企业需要建立自己的追溯系统，以明确任一根管材的去处。这样就建立了从ＰＥ原料到终端工程现场的双向可追溯系统，一旦发生产品质量事故时，可以有效地进行产品召回或者采取处理对策，这也符合ＩＳＯ９０００质量管理体系的理念。

４．２刚峪１０７５：２００９－４

针对非开挖和无沙基床等非传统安装技术敷设ＰＥ管的现象越来越多，德国于２００９年正式发布了ＰＡＳ１０７５：２００９－４《非传统安装技术用ＰＥ管尺寸、技术要求及测试》（ＰｉｐｅｓｍａｄｅｆｒｏｍＰｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｆｏｒａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ，ＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔａｎｄＴｅｓｔｉｎｇ）。该标准的先进之处在于：正式定义了ＰＥＩＯＯ－ＲＣ材料的概念，系统提出了有关技术要求，并第一次提出ＰＥ管道ｌＯＯａ使用寿命的质量要求。满足该标准要求的ＰＥｌ００原料和管材，拥有更高的耐慢速裂纹增长的性能，即管道可以承受局部较高的应力集中（来源于管道的外表面深度划伤或者较高的点负荷）。满足该标准要求的材料，除了通常ＰＥｌ００级材料的检验以外，还需满足额外的试验要求，主要包括全切口蠕变试验（Ｆｕｌｌ－ｎｏｔｃｈｃｒｅｅｐｔｅｓｔ，简称ＦＮＣＴ）、全壁厚管材点载荷试验（Ｐｏｉｎｔｌｏａｄｔｅｓｔ，简称ＰＬＴ）、热稳定性试验、全壁厚管材切口试验等。比如全切口蠕变试验ＦＮＣＴ的试验方法应按照国际标准ＩＳＯ１６７７０《塑料一聚乙烯环境应力开裂（ＥＳＣ）的测定一全切口蠕变试验》来执行：试样为ｌＯＯｍｍＸｌＯｍｍＸｌＯｍｍ标准方形棒状，中间四面切１０１