聚乙烯燃气管道应用于城市综合管廊的可行性探讨

上海亚大塑料制品有限公司 贾晓忠 常维勇 刘旭东

温州市公用事业投资集团有限公司 顾立伟

0 前言

聚乙烯管道凭借寿命长、耐腐蚀、易焊接、系统完整性好、维护费用低等优势，成为目前城市燃气输配中的首选管材，在欧洲很多国家燃气管网中广泛应用，甚至达到了90%以上的占有率。但是，对于城市综合管廊中是否可以使用聚乙烯管道进行燃气输送，业内颇具争议，在我国 2015年颁布的《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015）(以下简称《管廊规范》)明确要求：管廊设计时，天然气管道应采用无缝钢管。下文将对聚乙烯燃气管道进入管廊的安全性和可行性进行探讨。

1 管廊中燃气管道的管材选择

《管廊规范》的总则第一条提出“……保证城市综合管廊工程建设做到安全适用、经济合理、技术先进、便于施工和维护，制定本标准”，作为管廊重要的组成部分，燃气具有易燃易爆的特性，入廊燃气管材的选择，也应遵循这一原则，考虑安全、经济、适用等几方面因素。

1.1 安全性因素

由于我国综合管廊起步较晚，可借鉴资料较少，对管道安全性分析，我们查阅了国内直埋管道事故经验及国外管廊经验。

表1为张曼可等对2011～2014年我国城市地下燃气管道的事故统计。数据显示，外力破坏是室外燃气事故的最主要原因，占了总数的68.5%，包括野蛮施工、汽车撞断和地面变形三个主要原因。管廊内燃气管道采用独立舱室铺设，可以有效避免野蛮施工或汽车撞断对管道影响，地面变形对管道产生的外力破坏影响及地下管道腐蚀问题，则是管廊内燃气管道安全考虑的主要问题。

表1 2011～2014年我国城市室外燃气事故原因分析

与传统直埋式管道不同，管廊内燃气管道发生泄漏后，更易与空气混合，如果发生火灾，扑救非常困难，所以，火灾风险控制是管廊燃气管道设计必须重点关注的。

根据王恒栋、薛伟辰在《综合管廊工程理论与实践》中搜集到的日本等国外管廊的经验总结，综合管廊发生火灾的原因主要有管线自身损坏和外界引发，见表 2。排除设计、管理、维护造成的引燃因素，以及周边管道对燃气管道的影响，与直埋管道相同，地面沉降、地震引起管道自身受损，直接导致了燃气泄露、聚集，是预防管廊火灾的关键控制点。

表2 综合管廊火灾起因

按照以上经验，管道抗腐蚀性能、抗地面沉降、地震性能是选择管材时需要重点考虑的因素。

同时，由于管廊环境属于密闭狭小空间，具有出入不便，烟雾不易散出的特点，管道施工安全也应予以考虑。

1.2 经济性因素

综合管廊建设初期成本高，耗资巨大，而从全生命周期角度计算，其经济及社会效益则具有明显优势。天然气管道进入综合管廊需要独立舱室铺设，通过管材的选取也可降低管网的建设成本及维护、重复建设费用，从而达到经济合理的目的。

1.3 其他因素

聚乙烯管道作为非金属柔性管道，其抵抗外力破坏能力差、高介电性能易引起静电堆积、气体渗透性易造成密闭空间内燃气聚集，如何解决焊口无损检测也是其作为综合管廊燃气输送管道需要解决的问题。

2 聚乙烯管材在管廊中应用的性能优势

2.1 抗腐蚀性能

在进行直埋管道铺设时，钢管锈蚀是危害管道安全的重要因素，据重庆燃气集团统计数据，2015年，DN100以上埋地管道抢险次数为252次，其中，因钢管锈蚀穿孔造成漏气的抢险占72.6%。对此，国内通常采用3PE防腐层结合阴极保护技术进行应对。但这种防腐方式受钢管生产工艺、施工质量、外力破坏、服役环境等因素影响，经过一定时间后，防腐层会出现破损、老化的现象，使其防腐能力降低甚至失去。根据朱琳等《3PE防腐蚀层失效分析与寿命预测》对已建设8年的某输气管道管线进行防腐层检测，大部分测试点防腐层的剥离强度都已小于标准的要求的100 N/cm。需要注意的是管廊内的环境湿度较大，达到60%以上，甚至高达90%，伴有凝结水的情况。对于钢材，其临界湿度约为70%，当达到这个内部临界湿度时，腐蚀速度将急剧增大，加速管道腐蚀损坏。

与钢管比较，聚乙烯材料是无极性饱和脂肪烃长链聚合物，具有优良的介电性和耐化学腐蚀性等，常温下几乎不溶于一般的有机试剂及耐稀硫酸、稀硝酸及浓度较大的盐酸、磷酸、氢氟酸、甲酸、乙酸、氨和胺及各种碱、盐溶液，因此经常作为防腐材料使用，土壤、杂散电流等对金属管道的腐蚀影响，对于聚乙烯(PE)管道基本无需考虑，也无需防腐处理。

2.2 抗地层沉降能力

根据《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第一部分：管材》(GB 15558.1—2015)(以下简称《燃气聚乙烯管材标准》)的规定，聚乙烯材料的断裂伸长率≥350%。使用经国际认证机构认证的燃气专用混配料生产的管材，实际的断裂伸长率甚至超过500%，具有优秀的柔韧性，可以使聚乙烯管道应对管基不均匀沉降及地震带来的破坏。在 2008年我国汶川里氏8.0级强烈地震中，据集能燃气集团在震后对都江堰燃气系统震害情况的统计，中压配气管道中，钢管总长度150 km，破坏长度为0.1 km，占0.14%，PE管道总长300 km，破坏长度0.01 km，占比约等于0。

2.3 施工安全适用性

综合管廊内部空间大部分为小端面隧道，大型机械设备不能进入，大多依靠人力进行管道转运，这对于质量较大的钢管施工带来不变，聚乙烯密度通常为930～965 kg/m3，管道的质量约为钢管的1/8，转运更方便。

钢管在焊接时，会产生大量的烟雾和粉尘，在管廊空气流通不畅的环境里，焊接操作多有不便；聚乙烯管道焊接多采用电熔或者热熔对接，焊接温度在200～260 ℃之间，不使用明火，不产生烟雾和粉尘，焊接操作便捷，对初期管道焊接和后期管道抢修维护都比较适宜。

3 管廊燃气工程全寿命周期成本分析

3.1 管材的使用年限

按照《管廊规范》要求，综合管廊工程的结构设计使用年限应为100年，目前钢管的使用年限约为20～30年，而普通聚乙烯管材具有50年的使用寿命，新型的高耐慢速裂纹增长聚乙烯材料(简称PE100-RC材料)的使用寿命则更长。德国在 2009年就正式发布了PAS 1075：2009-4《非传统安装技术用 PE管尺寸、技术要求及测试》对 PE100-RC材料命名：即管材受到高应力集中(管道外壁划伤或点载荷状态下)，仍然能够达到100年的使用寿命，可定义为高耐慢速裂纹增长PE100-RC材料。

在我国《燃气聚乙烯管材标准》的附录中，也明确给出了对PE100-RC材料管材的性能指标，见表3。

表3 高耐慢速裂纹增长性能PE100管材性能

依照《塑料管道系统用外推法确定热塑性塑料材料以管材形式的长期静液压强度》(GB/T 18252—2008)标准的统计外推法，即通过对高温下管材较短时间内应力破坏试验外推出管材几十年甚至上百年的长期耐受静液压应力的能力，其公式为：

其中，Te——最大外推时间，h；

Ke——时间外推因子；

Tmax——最大试验时间，h。

表 3给出的试验温度为 80 ℃，与外推温度20 ℃之间差值大于50 ℃，按照标准要求，其时间外推因子Ke取100，最大试验时间Tmax为8 760 h(即1年)，可以推导出PE100-RC材料在20 ℃状态下最大外推时间可以达到100年以上。

该试验考虑了外部划伤及点载荷作用下对管材寿命的影响，所以PE100-RC管材适用于一些无沙床保护回填或非开挖施工等特殊的恶劣环境下。简言之，新型的PE10-RC管道环境适应性更强、更安全，使用寿命更长、全生命周期成本也得以大幅降低。

3.2 排管工程成本分析

在综合管廊中，管道工程的成本计算主要包括首次铺设总成本、管线维护成本、管线修复成本，当管道重新敷设时，则将需要进行叠加计算。近年来，随着社会对产品及工程可持续性的关注，在进行成本计算时，引入了全寿命周期(Life Cycle Assessment，LCA)成本分析的理念，以全局和发展的眼光看待成本投入，这也是综合管廊建设较的基础理念之一。在计算廊内燃气管道建设成本时，我们也依据这一理念进行计算比较。

由于地域及厂家的不同，管道及建设成本也不尽相同，我们以中山大学罗东晓教授 2015年采集的数据作为依据，结合 PE100-RC原料价格，对DN200口径的管道按不同材质的排管费用进行了比较，如下表4。

表4 DN200钢管与聚乙烯管道建设成本比较

表4中，考虑综合管廊施工的特点，未计入土建费用。在整个管廊的设计使用年限中，钢管以25年使用年限计，则需要重复建设4次；PE80和PE100管道以50年使用年限计，则需要重复建设2次。可以得出，PE100-RC管道在管廊全生命周期内建设成本远远低于同口径的钢管，为无缝钢管的1/8。

除此之外，无缝钢管铺设时，为避免管道维护抢修发生磕碰，产生火花，《管廊规范》要求“天然气管道舱室地面应采用撞击时不产生火花的材料”，聚乙烯管道作为非金属绝缘材料，则可以成功避免该费用投入。加之，聚乙烯管道低摩阻系数高输气能力可带来的低运行费用；耐腐蚀性能无须静电保护性节省的维护成本；高柔韧性能，可进行夹扁断气、不停输作业施工，从而降低的抢修费用、社会影响成等方面，也是聚乙烯管道相比无缝钢管，所特有的成本优势。

4 聚乙烯管材入廊存在的缺点及应对措施

聚乙烯管材在燃气输送使用中，也存在一些不足，成为管廊环境使用聚乙烯管道进行燃气输送的困扰，需要特别注意及加以解决。

4.1 静电及防火

聚乙烯材料是绝缘性材料，不能将电荷迅速导出，使其容易产生静电积聚，以及塑料本身易燃，可能成为使用过程中的安全隐患。随着聚乙烯管道生产技术及塑料改性技术的不断发展，近年来，一种具有可剥离层的聚乙烯管材(见图1)被开发出来。管材经过多层挤出工艺，在管道外壁包覆了一层可剥离的热塑性防护层，形成多层复合管道。防护层既可以起到保护作用，防止外力损伤，同时，使用改性后的导电性聚乙烯材料，可以将表面电阻大大降低，减少静电堆积。

4.2 焊口无损检测

《管廊规范》中要求，天然气管道连接要求对焊缝进行 100%超声检测，作为热塑性材料，聚乙烯管道焊接操作简单，接口严密可靠，但在以往的施工中，焊接质量通常由焊接操作人员通过肉眼观察焊口外观来判断焊接质量，缺乏有效实用的无损检测方法。

对此，国内外很多企业进行了不断探索和研究，也先后推出了相应技术成果。根据世界知名管道系统供应商瑞士乔治费歇尔公司的资料表明，利用超声相控阵技术可实现对电熔接头进行缺陷检测和安全评定，见图 2。利用超声衍射时差(DFD)术，见图 3。可实现对热接接头的缺陷检测和安全评定，该技术已经在欧洲及美洲进行了应用。聚乙烯管道无损检测技术结合传统压力试验检测技术，可全面提高管道的焊接质量控制水平，保障管道系统焊接可靠性。

图2 电熔接头检测

图3 对接接头检测

4.3 气体渗透性

所谓气体渗透性，并非管道在运行中发生泄露，而是由于所有物质的分子间均存在间隙，气体、蒸汽、液体会以分子的级别透过这些间隙。对于聚乙烯材料易受温度、结晶度影响，使得聚合物大分子间隙增大，小分子透过能力增大，这为输送燃气时，在密闭空间内形成燃气聚集，带来不安全隐患。聚乙烯管道的气体渗透量可通过如下公式计算：

式中：V——渗透气体体积(23℃和105Pa下的体积)，cm3；

ρ——渗透系数，cm3/(m·105Pa·d)；

dn——管外径，mm；

L——管长，m；

p——管中气体压力，105Pa (绝对压力)；

t——时间，d；

S——管壁厚，mm。

20℃时，天然气在高密度聚乙烯(HDPE)管材中的分子渗透率ρ为 0.056 cm3/(m·105Pa·d)，以DN200SDR17的管材为例，1 km管道1 d时间的气体渗漏量为14 931 cm3，在一般直埋管道工程中，该渗透量可以忽略不计，但对于综合管廊这种密闭场所，应当注意加强定时通风，以及管廊内部对天然气浓度的检测，避免造成燃气堆积。只要切实执行《管廊规范》的要求“天然气管道仓正常换气通风次数不应小于6次/h，事故通风换气次数不应小于12次/h”，完全可以有效避免天然气在管廊空间中的堆积。

5 结语

聚乙烯管道在我国燃气输配系统中已经应用30多年，在次高压以下的管道输送中，与金属管道相比，展现了了强大的优势，得到时间的验证和行业认可，但受其材料自身性质影响，也存在很多不利于管廊环境的问题。随着新材料和新技术的发展，聚乙烯管道在管廊燃气输配中依然存在巨大潜力，通过科学的设计，严格的管理，扬长避短，相信会使其发挥更大的作用。