PE100材料在燃气施工中的应用

上海乔治费歇尔亚大塑料管件制品有限公司 杨峻峰

上海亚大塑料制品有限公司 常维勇

1 PE100材料的优异性能及国内外应用

国际上将聚乙烯管材料分为 PE32、PE40、PE63、PE80和PE100五个等级。

目前国际上使用量最大的管材树脂的管受环向张应力强度(MRS)值为 8.0 MPa(PE80级)，而MRS值为10 MPa(PE100级)的管材树脂的已开发成功，这种树脂采用双峰分布、己烯共聚技术，在提高长期静液压强度的同时，也提高了耐慢速裂纹增长和耐快速开裂扩展性能，并具有良好的加工性，为提高管网输送压力、增大管道口径、扩大管道应用范围创造了条件。目前PE100的管材使用量，特别是在大口径管材上的用量，正在迅速上升。

目前欧洲PE100级聚乙烯燃气管道实际使用压力，见表1。

表1 欧洲PE100级聚乙烯燃气管道实际使用压力

PE100具有双峰型分子量分布，共聚单体优先位于较长分子链上，这使的PE100聚乙烯管道树脂具有较高的密度或刚度，使其在刚性和柔性方面得到了有机结合。20°C、50年的蠕变抵抗能力提高，同时又保持了较好的耐环境应力开裂(ESCR)性能。典型的双峰PE100材料是通过“北星双峰”技术，采用气相反应釜超临界丙烷工艺法制造的，其密度约为 0.950 g/cm³，熔体质量流动速率(MFR)为50.5~0.15 g/10min。

PE100双峰型分子量分布管材级聚乙烯树脂的特征是含有重量分数约为 50%的很低分子量的聚乙烯(高熔体流动速率)，分子特征为较短的直链大分子，该组分使得树脂具有好的流动性和高的结晶度(改善了刚度)，并改变了塑料的耐蠕变性；另一组分是高分子量的聚乙烯(很低的熔体流动速率)，通常为乙烯与少量丁烯的共聚物，分子特征为很长的带有较多短支链的支链大分子，有利于材料无定形区域的形成，这一组分使材料具有较高韧性，高的应力开裂抵抗能力和低的划痕敏感度。

总的来说，PE100较单峰型PE80树脂性能上的进步主要体现在如下几个方面：优异的慢速裂纹增长抵抗能力，卓越的的快速裂纹扩展抵抗能力和较好改善了刮痕敏感度，以及具有较高的刚度。

PE80和PEl00材料性能比较见表2。

表2 PE80和PEl00材料性能比较

PE80和PE100材料效果比较见表3。

表3 PE80和PEl00材料效果比较

PE100的出现，为聚乙烯管道开辟了更广泛的应用空间，主要表现在可以达到更高的适用压力，适用口径扩大，可以更好的采用各种高效率的施工方法。

欧洲的PE燃气管道普及率极高，如英国、丹麦等国均超过90%，法国1998年新敷设燃气管道几乎100%采用聚乙烯管道。早在1988年，在慕尼黑召开的国际煤联(IGU)配气委员会会议，委员们一致认为采用聚乙烯(PE)埋地燃气管道质量可靠，运行安全，维护简便，费用经济。这种共识显然是50年来聚乙烯管道与其它管道反复比较、竞争后达成的。应该指出，这不仅应归功于PE管的优良的综合性能，而且缘于PE管道的原料性能，管材、管件制造工艺，连接方法，连接机具以及运行中的维修手段等在多年的实践中，不断取得革命性的进步。

我国是从 80年代初期开始聚乙烯燃气管的研究工作，最早使用聚乙烯管输送城镇燃气是 1982年在上海。为使聚乙烯燃气管研究工作受到重视并顺利进行，国家科委 1987年把“聚乙烯燃气管专用料研制和加工应用技术开发”列为国家“七五”科技攻关项目，从专用原料——管材、管件加工——工程应用——标准规范制定进行系统研究，取得丰硕成果。1995年，国家技术监督局、建设部分别颁发了PE燃气管材、管件的国家标准和工程技术的行业规程。并且随着发展的要求又分别在 2003年和2005年对PE燃气管材、管件的国家标准进行了修订。目前，PE燃气管正在国内迅速推广使用。在PE燃气管使用推动下，国内已基本掌握PE工程管道的生产与使用技术，引进了相当数量的国际一流生产线，形成了相当规模的生产能力。国家质检总局对生产厂自 2002起实行了“中华人民共和国特种设备制造许可证”(AZ)安全注册生产认证制度。更加保证了产品质量，这对聚乙烯燃气管的发展又奠定了坚实有力的基础。

2 上海浦东世纪大道工程概况

2.1 改造原因

因世纪大道(浦东南路—东方路)段运营中的DN300中压燃气管多次发生泄露情况，探测发现此段钢管老化严重，以存在严重的安全隐患，将影响到沿线居民和单位的正常用气。经上海燃气浦东销售公司决定立即对此段燃气管道进行改造。

2.2 拟采用的改造方案

原有燃气主管道为DN300钢管，支管为DN200钢管。考虑到以下原因：

(1)由于世纪大道不能开挖路面的情况；

(2)改造的经济性；

(3)不能减少原有流量；

(4)改造段和未改造段的可靠、稳定衔接。

所以经过多方论证决定采用非开挖穿管；管材采用PE100管，口径为D200和D160；焊接采用先进的全自动电熔条形码焊接和全自动热熔对接焊。施工单位由实力雄厚、施工经验丰富的沪东天然气工程有限公司负责施工，PE材料和焊接设备由上海亚大塑料制品有限公司提供。

2.3 选材方面关于材料和口径的考虑

由于PE管道具有以下明显的特性：

(1)优异的物理性能。PE100既有很好的刚性、强度，也有很好的柔性、耐蠕变性，而且有连接性能优良的特点，有利于管道的安装。

(2)耐腐蚀，使用寿命长，在我国沿海地区，地下水位偏高，土地湿度大，使用无缝钢管必须防腐及做安装阳纹外向锤炼，且寿命只有30年，而PE管可耐多种化学介质的侵蚀，不需防腐处理。使用寿命达50年。

(3)韧性、挠性好。PE管是一种高韧性管材、其断裂伸长率超过500%，对管基础不均匀沉降和错位的适应能力非常强，抗震性好。PE管的走向容易按照施工方法的要求进行改变。在施工时，可在管子允许的弯曲半径内绕过障碍，降低施工难度。

(4)流通能力大，经济上合算。PE管内壁光滑，不结垢。PE管内表面当量绝对粗糙比值是钢管的1/20，相同管径、相同长度、相同压力下的 PE管其流通能力要比钢管大 30%左右，因此经济优势明显。与金属管道相比，PE管道可减少工程投资三分之一左右(直径200 mm以上大管成本略高些)。

(5)连接方便，施工简单，方法多样。PE管管体轻，搬运方便，焊接容易，焊接口少， PE管沟要求远比钢管沟要求低，而且当施工条件受限制时，可采用电熔焊接。

(6)密封性好。PE管本身采用熔接连接(热熔或电熔)，本质上保证了接口材质，结构与管体本身的同一性，实现了接头与管材的一体化。其接口的抗拉强度与爆破强度均高于管材本体，可有效抵抗内压力产生的环向应力轴向应力。因此，与橡胶圈类接应或其他机械接头相比，不存在接应扭曲造成的泄露危险，密封性能十分良好。

(7)后期维修方便，可以不停气维修和安装。

(8)抗应力开裂性好：PE管具有低的缺口敏感性，高抗剪切强度的段异的抗痕能力，耐环境应力性非常突出。

(9)低温抗冲击性好：PE管的低温脆化温度极低，可在-60摄氏度温度范围内安全使用。

(10)耐磨性好。PE管与钢管的耐磨性对比实验表明：它的耐磨性是钢管的4倍。

(11)具有良好的抵抗刮痕能力。研究证明，PE80等级的PE管有较好的抵抗SCG的能力和耐刮痕能力。PE100级管材则具有更加出色的抗刮痕能力。

(12)良好的抵抗快速裂纹传递能力。开裂是指管道发生开裂时，裂纹以很快的速度传递，瞬间就可能使管道破坏，后果不堪设想。实践表明，在塑料管道中PE管抵抗裂纹传递能力比其他管道要强。

所以根据测算在原管径 DN300钢管内衬DN200 PE管是符合设计要求的。工程选用的PE100级聚乙烯管材见表4。

表4 工程选用的PE100级聚乙烯管材

3 工程施工和焊接介绍

(1)施工条件：经地下管线探测，原有 DN300管道位于世纪大道南侧机非隔离带北侧。由于本工程是在原DN300管道中拖入一根D200PE管，物探工作主要是要探出原 DN300管道上下左右的各阀门井、集水器、三通、45°弯头、电力排管、污水管、通信管等设施的具体位置，在开挖各工作坑之前需先人工开挖样洞摸清地下情况后，再根据各工作坑的大小进行开挖。

(2)地质条件：本工程大部分是在 DN300管道中穿入D200 PE管，各工作坑的开挖需根据土质及深度作好相应的安全措施。

(3)工程进度保证措施：实行项目经理负责制。项目经理对施工进度、物资、劳动力、设备进行总调度和平衡。解决施工中的各类突发的矛盾问题，确保工程顺利进行。

(4)施工方法：本工程共计分9段穿越，均是在原有DN300和DN200管道中穿越规格为PE100的聚乙烯管道，口径分别为D200和D160，本工程所有在钢管内穿越的聚乙烯管，都必须间隔5 m安装一只钢制抱箍，以保护聚乙烯管在穿越时不被损伤，每一施工段穿越完后马上泵验，合格后进行镶接以确保工期。

(5)施工、焊接中的质量注意事项见表5。

表5 施工、焊接中的质量注意事项

4 总结

通过世纪大道工程，我们达到了以下目的：

4.1 社会效益方面

本工程通过使用新技术、新材料，即提高了施工质量，又提高了施工进度，使浦东世纪大道这条上海繁忙路段之一的主道路最大限度的减少了对出行者的影响。同时将对企业生产的影响，居民生活的影响减低到最小。体现了煤气公司一心为用户服务的企业思想。对煤气公司在用户面前的企业形象又有了一次更充分的体现。

4.2 经济效益方面

(1)近期经济效益：本工程如果采用明管开挖和用原来的PE80管道。如此繁忙的道路和比较复杂的地下管线情况，工期按经验要比目前的 45天两公里多至少多出一倍以上，工程各项费用也将明显增长。材料费也将比目前多出至少10%。

(2)远期经济效益：为将来更复杂的世博路段工程积累了施工经验；同时积累了PE100材料在旧管改造中的使用经验，根据PE100明显优于PE80的材料性能，为后期的旧管网改造和降低新管网铺设成本积累了经验。