埋地聚乙烯燃气管道基于失效模式的全面检验关键技术及工程应用

石秀山 何仁洋 曾维国 任 峰 蔡广明（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

埋地聚乙烯燃气管道基于失效模式的全面检验关键技术及工程应用

石秀山 何仁洋 曾维国 任 峰 蔡广明
（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

PE管道因有较高的性价比，广泛应用在能源、燃气等工程中，但因其焊接接头质量难以检测、位置探查难度大，使PE管道的安全状况难以控制，导致泄漏等事故。基于PE管材的失效模式，参照钢质管道的检验经验，中国特种设备检测研究院研究确定了 PE管道基于失效模式的全面检验关键技术，并围绕关键技术开展了多项研究，取得了一系列科研成果，如：PE管焊接质量超声相控阵动态聚焦和B 扫查成像检测、探地雷达、泄漏在线检测、老化及安全评价、风险评估方法等。这些系列成果，在新疆、青海、内蒙古、宁夏等城市PE燃气管网中得到了有效应用，检验出多项安全隐患，为城市燃气的安全提供了保障，为今后全面开展PE管线检验，提供了成功经验。

PE管道 全面检验 缺陷检测 位置探测 泄漏检测 寿命预测 安全评价 风险评估 工程应用

1 前言

聚乙烯管道（以下称PE管道）具有质轻价廉、耐腐蚀老化、绝缘、密封性和韧性好等特点。国外从20世纪40年代开始使用，60年代开始大规模使用PE管道。在我国燃气用PE管出现于20世纪90年代中期，近年来，部分油田在集输管网中也尝试利用PE管道代替钢管。

随着近20年的使用，PE管道的安全问题也开始暴露出来，尤其是PE管道的焊接质量不高导致的泄漏、埋深不够导致的管道变形、位置不清导致的第三方施工损坏等，如何实现在用PE燃气管道安全状况检验，成了行业关注的焦点。

我国对PE燃气管道的检验还没有形成一套完善的方法体系，但在管道元件制造、安装、竣工验收、在用等方面已有一些安全技术规范和行业标准，如TSG D2002-2006《燃气用聚乙烯管道焊接技术规则》、CJJ 63-2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》、CJJ 51-2006《城市燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》、TSG D7003-2010《压力管道定期检验规则公用管道》涉及了相关环节，但不全面，缺乏一定的技术支撑。

本文针对中国特种设备检测研究院围绕PE燃气管道的安全质量问题，开展的相关研究及提出的PE燃气管道基于失效模式的全面检验关键技术与工程应用工作进行介绍。

2 PE管道基于失效模式的全面检验关键技术

根据2012年美国PE管失效原因统计数据，导致聚乙烯管道失效有主要6个方面的原因，所在比例如图1所示：

图1 美国PE管失效原因统计数据（2012年)

1）挤压；

2）点载荷；

3）过度膨胀/收缩；

4）过度的外部土地载荷；

5）安装错误；

6）其他载荷。

实际使用中，主要体现为PE管道存在焊接质量、管材老化、占压、埋深不够等问题，导致PE管安全性能降低甚至开裂等失效可能。因此开展埋地燃气PE管道的全面检验，必须针对这些失效原因来展开。

埋地燃气PE管道的全面检验应该包括以下方面：

1） 原始资料调查，掌握管材组分等基本资料，管材组分与管道老化寿命等有直接关系；

2） 现场管道走向与埋深探查和外部宏观检查；

3） 不开挖泄漏普查，分析管道危险源，并针对PE管管体质量（PE接头质量、钢塑转换接头、管子质量）进行开挖抽查检测；

4） 适情况进行剩余寿命预测（老化评价）及管道在特殊位置的安全性能评价；

5） 对整个管网进行风险评估。

通过以上全面检验项目的开展，能够基本摸清管道的安全现状，达到全面检验的目的。

2.1 PE管道定位检测

探测PE管道的位置和埋深可以有效避免第三方开挖破坏，并评估土力载荷情况对管道的挤压情况，但有些PE管道并没有埋设金属示踪线或者施工不规范造成示踪线断开或未连接，后期检测维护就必须进行探查。目前PE管道的探查方法有电磁法和探地雷达法及震动波法等，电磁法主要应用在有示踪线的PE管道上，探地雷达法及震动波法主要用来探查复杂部位管线和没有示踪线的PE管道，其中探地雷达是比较常用的探测方法。

目前中国特种设备检测研究已经研制了多套新型雷达，其在通道数、采样、探测深度方面均优于国内外其他的雷达。探测深度为0～6m；探测深度误差＜3%；探测横向精度＜0.1m；能够满足PE管道检验定位精度的要求[1],此外正在研制能够识别材质和管道口径的新型雷达，对今后PE管道探测带来更多的便利。

2.2 PE焊接质量超声波检测

●2.2.1 PE管道的焊接缺陷分类

PE管的连接是整个安装过程中最重要的工序,其质量是影响结构完整性和安全运营、持久强度的重要因素，连接技术的优劣直接关系到管道的运行寿命。管道连接通常采用熔化连接和机械连接等方法，PE燃气管道最常用的是热熔连接和电熔连接。图2和图3分别为电熔和热熔焊接时焊接接头可能产生几种内部缺陷的类型[2]。

图2 电熔焊接接头内部缺陷

图3 热熔焊接接头内部缺陷

●2.2.2 PE接头的焊接缺陷检测方法

目前PE管道焊接质量的检测方法为压力检测法,该方法只能检出较大的焊接缺陷,对较小的焊接缺陷(如未焊透)则无能为力。PE管因焊接质量导致的事故也时有发生，因此开展PE管焊缝缺陷无损检测技术的研究对PE管的应用推广具有重要意义。

为实现通过无损检测手段替代破坏性试验进行PE管道焊接质量的探伤，中国特种设备检测研究院牵头承担的“十一五” 和“十二五”国家科技支撑计划课题组通过10年时间对热熔焊接接头和电容焊接接头的焊接质量的无损检测方法进行了研究。其研究成果表明，对电容和热熔焊接接头分别采用超声相控阵动态聚焦并结合B扫查成像技术和耦合聚焦超声检测技术能够对焊接接头的质量进行检测，并对缺陷大小进行定位[3]。依据该成果制定了国家标准GB/T 29460-2012《含缺陷聚乙烯管道电容接头安全评定》。

1）超声相控阵聚焦检测。超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换能器由多个相互独立的压电晶片在空间按一定方式排列组成一个阵列,每个晶片称为一个阵元,当各阵元以同一频率的信号进行激励时,其发出的声波是相干的[3]。运用电子控制技术,使阵列中各阵元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面,在效果上相当于改变了换能器的空间排列形式。同样,在反射波的接收过程中,按一定规则和时序控制接收阵元信号并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示,由此实现了超声波声束的动态聚焦。由图4可知,采用相控阵电子聚焦得到的声束比单探头细得多,使得超声波有足够的能量反射并被换能器接收,并保证良好的分辨率和信噪比[3、4]。

图4 短横孔1×6检测成像图

2）电子线扫查和B扫查成像检测。试验使用的相控阵探头有96个阵元,以相邻16个阵元作一组,如第1～16 个阵元,通过对1～16 通道预设不同的延时值实现在位置1聚焦。采用电子线扫查技术,可以依次实现2～17,3～18，…,81～96 各阵元在位置2,3,…,81的密排焦点聚焦。通过记忆各焦点的位置信息和其反射波幅值,便形成B扫查成像。

3）超声相控阵动态聚焦及扫查成像检测的精度。通过试验和剖开验证表明,研制超声相控阵探头对聚乙烯电熔接头进行检测的壁厚范围是6～30mm,可以定位融合面缺陷定量与定位精度达0.5mm、孔洞和气泡的定量与定位精度达1.0mm、金属丝错位的定位精度达0.5mm，能够满足工程技术上的需要[1]，图4是焊口上有短横孔，用超声相控阵探头进行深度方向分辨力测试扫描的图像。

2.3 PE管道泄漏在线定位检测

PE燃气管网由于焊接缺陷、外力损伤、密封不严而导致燃气泄漏。由于天然气质量较轻，并且回填物密实度不均等原因，导致燃气往土质疏松的地方“乱窜”。

燃气泄漏检测的方法很多，但对于PE管道来说最实用的办法是嗅敏仪法和基于声波的泄漏定位技术。中国特检院从“十一五”期间开始进行管道的泄漏检测方法研究及仪器研发，成功研发的基于EMD的埋地燃气管道泄漏定位检测仪，可以实现远距离不开挖的情况下对泄漏点定位，在压力为0.4MPa、两个传感器间距为50m的情况下可以探测出1mm的泄漏信号，两个传感器间距为100m的情况下可以探测出3mm的泄漏信号，精度小于传感器间距的2%，满足工程实际的需要。依据该成果制定了标准JB/T 4730.8《承压设备无损检测》 第8部分：“泄漏检测” 。

2.4 PE管道的安全评价

PE管道的安全评价主要包括剩余寿命及典型复杂环境下埋地PE管道安全评价等。PE管应用于燃气管道只有近20年的时间，不可能通过实际的使用年限去印证其使用寿命，因此只能根据高分子材料的特性及相应的实验推导得出其理论的使用寿命[4]。中国特检院采用数学模型和老化试验结合的方法，研究了PE管材使用寿命，完成了PE80和PE100两种主要的燃气PE管道的剩余寿命预测试验工作，取得了一些试验结果。

此外，由于PE管道埋设环境复杂多样，特别是近年来地质灾害频发，埋地PE管时常受各种复杂载荷作用，安全性不容乐观，急需开展复杂环境下PE管安全评价方法研究，中国特检院已经开展了地震引发滑坡、占压以及地基沉降等典型载荷下PE管道的强度及安全性研究，制定典型复杂载荷下的PE管道安全评定方法[5]，为后续开展PE燃气管道安全评价提供基础。

2.5 PE管道的风险评估

中国特检院通过“十五”、“ 十一五”科技攻关成果，制定了国家标准《埋地钢质管道风险评估方法》，在此基础上又开展了质检公益课题《城镇燃气聚乙烯管道风险评估方法体系研究》，在研究了城镇PE管道燃气埋地管道事故分析方法及失效分析的基础上，利用故障树定性分析方法和层次分析法进行管道危险性辨识和各因素权重以分配分值确定，建立城市燃气PE管道失效可能性评分体系，同时在总结各失效后果的基础上，利用层次分析法为各因素分配分值，建立失效后果评分体系，最终形成了半定量的PE燃气管道风险评估方法体系，使PE燃气管道风险评估方法更加系统科学。

3 工程应用

中国特检院利用上述研究成果，在新疆、青海、内蒙古、宁夏等城市开展了PE管道全面检验的工程化应用，取得了较好的效果，发现普遍存在管材外部有划伤、示踪线不安装或损坏、钢塑接头焊接质量差的问题。下文是新疆某市的PE燃气管道基于失效模式的检验情况。

新疆某市天然气中压管网采用的是PE管道，由于建设中施工控制不严、导致部分管线没有埋设示踪线、竣工图和实际管线存的不相符合，未进行监督检验等问题发生。这些都可能造成管道的安全质量难以控制，管理和运行风险提高等后果。

为对该管网的整体质量和安全状况进行摸底，按照国家对城市燃气管网运行维护和检验的法规要求，对全市中压PE管线进行了全面检验与评价，主要工作如下：

1）通过资料审查发现设计图和验收图存在一些比较严重的问题，如管道线图周围缺少地物参照，管线关键点无测量坐标，截断阀设计不够，存在图纸与实际不符合的现象，部分管道无示踪线、给管道的维抢修带来很大困难。通过宏观检查也发现有些阀井内放散阀被淤泥掩盖等问题。

2）通过使用地质雷达系统和探管仪对管道位置、埋深进行了测试，并对小区内位置不明的管道进行了探明，管道埋深均满足规范的要求，且在冻土层以下；使用雷达探查管道的图像如图5所示。为便于管理规划管网布局，对中压管网采用动态GPS系统进行了测绘工作，使管理单位切实掌握了管网的信息。

图5 探地雷达进行PE管道探查的示意图

3）管道焊口质量的抽查检测城市管网在中压PE管出地前使用钢塑转换接头变成钢管后出地到调压箱（柜），这些支线直径≤DN100，其焊接质量难以控制，检测了68个钢塑转换接头的质量，发现多达44条焊缝存在超标缺陷，并且有2处焊缝有砂眼泄漏，开挖处管材有划伤的情况。

4）对管网进行泄漏检测，利用嗅敏仪检测甲烷含量异常，再用基于声波的泄漏检测仪定位，两种仪器的检测结果相互验证以排除其他干扰产生的误报警。进行开挖验证，有5处泄漏点。对阀井内的可燃气体检测发现13处有泄漏,其中严重泄漏的有2处，其他11个阀井轻微泄漏。

5）对整个管网进行了风险评估，将管网分为194个单元进行评估，管网中管道风险相对等级为较高风险和高风险的占整个管网的85%。其原因在于管道施工质量差，失效可能性高，并且管网铺设在市区道路，人员密集，失效后果也比较严重，这些因素是造成管网大部分处于较高风险的主要原因。

6）通过对管线路由的探测，没有发现管网存在占压、滑坡、沉降等方面的情况，故未进行这方面的安全评价。由于是新建管网，未进行管道的寿命预测。

4 小结

中国特检院围绕PE管道全面检验所需的关键技术，开展PE管焊接接头的无损探伤、探测雷达技术、管网在线泄漏精确定位、寿命预测、安全评价及风险评估方法的攻关研究，开展了多个城市埋地聚乙烯燃气管道基于失效模式的全面检验的工程应用。

1）PE管网全面检验中宏观检验、管道定位、电熔接头无损检测、泄漏定位、风险评估，这几个项目可以比较顺利的开展，并且解决管道存在的相应隐患。

2）有些管网上方有密集钢筋网的位置，目前的管道定位技术尚无法取得满意的效果。

3）今后还需对于PE管道的热熔接头的探伤技术进行研究完善，同时制定探伤标准。

4）风险评估目前仅是半定量方法，并且因为事故案例比较少，有些资料数据不完整，也导致风险评估的结果不十分准确，今后需要在这方面进行完善，并开展定量风险评估方面的研究。

5）由于目前检测的管网都比较新，对于PE管道寿命预测还是模拟试验数据，寿命评价方法有待实际验证。

6）没有地震、滑坡环境下危害埋地PE管道的应用现场，这两种条件下的PE管道的安全评价效果还局限于软件仿真结果，尚无法和现实对比。

1 中国特种设备检测研究院,等.“十一五”国家科技支撑计划项目01课题《生命线工程安全保障关键技术研究及工程示范》(2006BAK02B01)研究报告.

2 罗更生，梁向军，等.PE管含缺陷焊缝的冲击试验研究[J].中国特种设备安全，2012,28(11):10～12.

3 丁守宝,郭伟灿,郑津洋.聚乙烯管道电熔接头超声检测[J].无损检测,2008,30(5):267～269.

4 李明阳.埋地聚乙烯燃气管道的试验研究与力学分析，中国特种设备安全[J].2012,28(3):15～19.

5 Zhong Sijia, Shi Jianfeng and Zheng Jinyang. Study on constitutive modeling for large deformation behavior of polyethylene considering strain rate effect. ASME Pressure Vessels and Piping Conference. 2013. Paris, France: American Society of Mechanical Engineers.

The Key Technology Research and Application of Comprehensive Inspection on Buried Polyethylene Gas Pipeline Based on Failure Form

Shi Xiushan He Renyang Zeng Weiguo Ren Feng Cai Guangming
(
China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

Polyethylene pipeline is used in energy etc., because of high cost performance. But, the pipeline is placed underground with undetectable welded splices, which will lead to leakage. This paper puts forward key the key technology of comprehensive inspection based on failure form, experience of steel pipeline and code of Polyethylene pipeline; introduces some scientific research production of CESI in recent years, for example: phased array ultrasonic focusing technique as well as B-scan real image technology, geologic radar, leak fi nding technology, aging and safety evaluation technology. The key inspection technology was applied in buried Polyethylene pipel ine of a city and found some potential safety hazards, which provides the guarantee for the safety of the city gas.

Polyethylene pipeline Comprehensive inspection Defect inspection Position detection

X924;TP807

B

1673－257X(2014)07－08－05

石秀山(1979～),男，高级工程师，从事压力管道检验研究工作。

2014－05－04）

Leaking inspection Life prediction Safety evaluation Engineering applications