塑料管道的失效模式及风险监控研究*

辛明亮, 李茂东, 杨　波, 王　晓, 翟　伟, 李仕平

(广州特种承压设备检测研究院，广东　广州　510663)



塑料管道的失效模式及风险监控研究*

辛明亮, 李茂东, 杨波, 王晓, 翟伟, 李仕平

(广州特种承压设备检测研究院，广东广州510663)

塑料管道具有节能节材、轻质低廉、耐腐蚀、易安装、寿命长、柔韧性好等优点，因而得到了广泛的应用。塑料管道常见的失效模式有蠕变失效、环境开裂、材料劣化和机械损伤。塑料管道风险评价研究未见相关性较紧密的研究，塑料管道建立风险监控包括风险分析、风险评价和风险控制。危险源辨别、效果监控与信息反馈将是今后塑料管道风险控制的重点发展方向。

塑料管道; 失效模式; 风险监控

塑料管道的应用历史已有60多年，至今，全世界各国塑料管市场持续保持着不断增长的发展趋势。塑料管可以分为两大类。一类是不需要承受管内介质压力的非承压管，如电工管、下水管等。一类是需要承受管内介质压力的压力管，如燃气管、给水管、热水管、矿渣管、化工管等。

塑料管在设计过程中，非承压管管壁较小，按照环刚度设计，防止外压破坏和不稳定变形。常压管道以长期寿命长期为主将长期静液压强度性能作为主要设计准则，因此承压管道厚度较厚。塑料管道不同于传统管道，本身具有不腐蚀，使用寿命长、节能、节水、综合成本低、对环境友好等优点。

随着塑料管道应用越来越广泛，其本身的失效模式及风险控制就显得更受关注。我国塑料管的发展市场混乱，产品质量良莠不齐，给塑料管的持续发展带来严重的负面效应。从应用角度分析塑料管道失效模式和这些失效模式的诱因，进而提出风险控制方法与监控、评估手段。

1　塑料管道失效模式

1.1蠕变失效

塑料管道在静液压作用下有三种失效模式：蠕变韧性破坏，慢速裂纹脆性破坏，材料劣化破坏。随着聚乙烯材料的性能不断提升其耐慢速裂纹扩展性能的增强，韧性失效已成为PE燃气管道最大的隐患之一。

李明阳等[1]针对国内外没有用聚乙烯(PE)管道进行蠕变性能测试实验和成熟的力学分析方法，依据粘弹性理论，设计实施了PE管恒侧压实验，得到管道的蠕变情况。对实验进行有限元分析，比较两种方法得到的管道直径变形量与时间的关系，结果表明，两种方法所得结果基本一致，验证了PE管粘弹性力学模型的正确性。研究结果为PE管道蠕变性能测试和力学计算提供了新方法。侯向陶等[2]综述了慢速裂纹增长和快速裂纹增长两种常见的塑料管道失效模式，详细阐述了塑料管道的失效机理及寿命预测方法，线弹性断裂力学、标准外推法、弹塑性断裂力学、银纹机理等，指出了塑料管道寿命预测理论还不成熟，方法还不完善，有待进一步研究。Krishnaswamy[3]分析了HDPE管道的蠕变过程中的脆性和韧性断裂行为，结果表明韧性失效主要取决于材料的屈服应力的大小，与管的密度或结晶度有关，即与材料的分子量、分子量分布和支化度有关。

1.2环境开裂

塑料管道在介质或环境作用下发生的开裂，包含接头断裂[4]、疲劳断裂及银纹扩展等。朱志彬等[5]研究含球孔缺陷聚乙烯管道热熔接头力学性能，采用Prony级数模拟粘弹性材料属性，发现随着球孔尺寸的增大，聚乙烯管道的最大应力也增大，且聚乙烯管道的失效寿命缩短，当球孔尺寸超过一定值时，聚乙烯管道的寿命将无法满足要求。

1.3材料劣化

1.4机械损伤

塑料管道在加工、施工和使用过程中由于机械损伤或外界载荷引起的失效。给水管道发生失效形式常常表现为漏水，塑料管漏水发生的部位也多集中在接口处，主要发生在经过改造后的小区表井与支管的接口处。分析原因，车辆碾压、路面沉降、施工质量等因素是产生漏水的主要原因[8]。Lee等[9]跟踪研究了全尺寸玻璃纤维增强管道的在16米深一年多时间内管道横向和纵向的位移，结果显示此大口径管道外推60年其挠度变化小于5%。

2　风险监控

相对于金属管与水泥管，塑料管道具有节能节材、轻质低廉、耐腐蚀、易安装、寿命长、柔韧性好等优点，因而得到了广泛的应用。其风险也凸显出来，使用塑料管道的环境，尝试伴随要承受长期受压、埋地外载荷、温度较高热水、强酸强碱等，在如此恶劣的使用条件下，需要塑料管道具有优良的性能，并能将这种性能在一段时间能保持稳定，大量塑料管道在我国生产使用的原料均未经长期静液压评价试验，为今后可能出现的品质问题埋下隐患。当前，如何有效评价塑料管道的长期力学性能并进行风险控制就显得尤为迫切。塑料管道失效模式确定，结合相应风险管理机制，利用科学技术和手段，增强科技资金投入和相应科研人员培养，以最低的成本进行有效的处置风险，加大相应标准的制定，进而避免或者减少风险所带来的经济和人员损失，最终实现最大安全效益的目的[10]。

2.1风险分析

对风险监控来说，风险分析是第一步是对某一系列和特定的研究对象进行危险辨识和风险分析，也是决定后面几步的关键一步。风险分析从分析对象分为频率分析和后果分析。可见风险识别是风险分析的前提，可以通过前期的研究及现有保存的数据资料，与实际考查相结合，最后通过使用科学的方法发现危险源的一系列活动。因此，常用的危险辨识的方法有：故障树法、德尔菲法、头脑风暴法等。频率分析即分析危险出现的频率及可能性，频率分析就也是用来专门分析某事件发生的概率，进而能准确把握危险因素的发生可能性，是危险防患于未然。后果分析，顾名思义主要是由危险所造成的后果进行分析，根据分析对象种类分为损失分析和情景分析。损失分析包括危险发生后造成的损失、环境影响和伤亡等情况，情景分析则按照风险事件发生的概率大小来分析风险对后来的情景影响[11]。赵忠钢等[12]依据采取评分指标法这种行为所要承担损失风险的大小程度，这种方法多用于油气管道风险分析中，提出用风险函数法对这种半定量评价法的合理性进行质量评价。王丹丹等[13]以肯特法为基础，结合挪威船级社海底管道完整性管理规范中海底管道风险因素的分类以及中海油海底管道故障原因统计资料，对肯特法进行了改进，建立了海底管道风险评估模型。孔林[14]通过对长输天然气管道试运投产进行风险辨识、分析，提出应对措施，达到及时消除和控制风险隐患的目的，保障管线投产后安全、平稳运行。

2.2风险评价

按照风险评价时的量化程度可将风险评价分为三类：定性评价、半定量评价[15]和定量评价[16]，不同评价方法所评价的风险等级有相对风险和绝对风险的区别。定性风险评价是根据管理者的经验和对搜集到的资料进行分析，对系统风险的性质和特点实施定性评判，及时发现系统中的风险，并做出危害程度评价。这种方法使用起来比较简单，而得到数据具有不够精确的缺点，此类方法包括故障树分析法、故障类型及影响分析、预先危险性分析法等；定量风险评价方法通过运用大量的历史资料统计信息和实验结果，进行数据分析，得出一些建立在数学基础上的模型或相应技术指标，是对环境、设备和生产工艺等定量计算得到结论的一种评价方法，以此种方式得出的结果包括了事故发生的概率、风险造成的伤害程度以及失效因素对事故的重要度等量化的信息。该方法具有精确度高的有点，但实施过程复杂且成本昂贵，类似的统计方法有可靠性技术方法、统计概率论等。半定量评价法是介于前两者之间的一种分析方法，是根据风险因素分析，将风险对象表述为某种形式的分度值并与风险的量比较，兼顾定性和定量二者的优势，例如模糊综合评判法。

2.3风险控制

刘艳鹏等[17]总结了天然长输管道运营期间的风险分析与管理措施。曹中恺等[18]建立并探讨燃气管道泄漏风险控制系统。可见，对燃气管网进行风险评估建立风险控制体系，确定重点监控管道，结合压力管理与在线检测技术对燃气泄漏风险进行有效控制。风险控制技术根据作用范围分为宏观和微观两个方面。宏观技术顾名思义可以采用法律、法规等法制手段，结合经济手段，例如：奖励和惩罚，还有社会、学校的教育手段，三为一体齐抓并进；微观控制技术与前者相反，用系统工程的方法，以控制危险源为主要目的的技术方法。两种技术相互补充和依赖，构成了完备的风险控制体系也是其不可分割的两部分。需要指出的是，风险控制是一个动态而非静态的管理活动，需要建立反馈机制，即当对风险采取控制方案的同时需建立反馈机制适时反映实施后的结果，这样就能对系统进行持续跟进进而进行再次分析和评估，使控制风险的方案变得更加合理有效。刘旭峰等[19]为实现对油气管道风险的有效控制，结合油气管道的特点，基于成本收益分析方法改进风险控制决策过程。

3　结　语

塑料管道常见的失效模式有蠕变失效、环境开裂、材料劣化和机械损伤。塑料管道风险评价研究未见相关性较紧密的研究，借鉴城市燃气管道系统风险管理，塑料管道建立风险管理：风险分析，危险辨识、频率分析和后果分析；根据风险评价时的量化程度，风险评价可分为三类，定性评价、半定量评价和定量评价；可以从宏观和微观两个方面展开风险控制，从宏观技术又分为法制手段、经济手段和教育手段；微观控制是宏观控制的补充和完善。危险源辨别、效果监控与信息反馈将是今后塑料管道风险控制的重点发展方向。

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[2]侯向陶,许忠斌,顾云柱.塑料管道失效分析及寿命预测的研究进展[J].中国塑料,2014(07):11-6.

[3]Krishnaswamy RK.Analysis of ductile and brittle failures from creep rupture testing of high-density polyethylene (HDPE) pipes [J].Polymer, 2005, 46(25):11664-11672.

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[5]朱志彬,陈丽静,杨晓翔,等.含球孔缺陷聚乙烯管道热熔接头力学性能分析[J].石油化工设备,2014 (03):30-33.

[6]Cai X, Qi D, Ding N, et al. Failure Analysis of RTP for Natural Gas Transportation in Changqing Oilfield[J]. International Pipelines and Trenchless Technology Conference,2009:2064-2068.

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[17]刘艳鹏,孔林,许鹏伟.天然气长输管道运营期间的风险分析与管理措施[J].石化技术,2015(08):203-204.

[18]曹中恺,董飞,宋威.燃气管道泄漏风险控制系统[J].煤气与热力, 2011(09):34-36.

[19]刘旭峰,李静,刘茂.基于成本收益分析的油气管道风险控制决策过程[J].中国安全科学学报, 2012(04):144-150.

Study on Failure Mode and Risk Supervision of Plastic Pipes*

XINMing-liang,LIMao-dong,YANGBo,WANGXiao,ZHAIWei,LIShi-ping

(Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute, Guangdong Guangzhou 510663, China)

Plastic pipe with low energy saving material, lightweight, corrosion resistance, easy installation, long service life, as well as good flexibility, has been widely used. Plastic pipe common failure modes are creep cracking failure, environment, material degradation and mechanical damage. Plastic pipeline risk assessment study did not see a close correlation, plastic pipe to establish risk monitoring including risk analysis, risk evaluation and risk control. Effect of hazard identification, monitoring and information feedback will be the future focus direction of the plastic pipe risk control.

plastic pipe; failure mode; risk supervision

广东省科技计划项目(编号：2014B040404058)；广州市科技计划项目(201504300806303, 201509010017)。

辛明亮，主要从事塑料管道材料研发与检测技术的研究。

TQ317.6

A

1001-9677(2016)012-0010-03