《聚乙烯燃气管道工程技术规程》的修订

林文卓， 白丽萍, 高立新， 赵启辉

(1.住房和城乡建设部科技与产业化发展中心，北京100835；2.北京市燃气集团有限责任公司， 北京100035；3.道达尔石化(上海)有限责任公司，上海200001)

1 概述

聚乙烯管道具有耐腐蚀、比摩阻小、柔韧性好、抗震、质量小、运输方便等特点，在中小口径燃气管中与钢管相比，具有很大的优势。在国外尤其是欧洲已有逾50 a的使用经验。在国内，聚乙烯燃气管道于1982年首次在上海使用，到目前为止已有逾30 a的应用。在此期间，产品性能在不断提高，配套管件、施工设备、施工技术也在不断发展和完善。另一方面，聚乙烯管道刚度低、表面不耐划伤、熔接接口不易检验等问题也影响其进一步的推广，在国内的应用仍处于两极分化，哈尔滨等地区大规模地应用聚乙烯燃气管道，而有些城市则因为对聚乙烯管道的性能、特性不把握，心存疑虑，仍处于小心探索求证阶段，选用钢管为主。

CJJ 63《聚乙烯燃气管道工程技术规程》标准也经历了3次改版，包括1995、2008版本。为了适应聚乙烯燃气管道生产和应用技术的快速发展，将最新先进技术与产品纳入标准中，进一步完善标准内容，更好地指导聚乙烯燃气管道工程设计、施工和验收工作，确保工程质量和安全供气，住房和城乡建设部科技发展促进中心(现更名为住房和城乡建设部科技与产业化发展中心)组织燃气公司以及管材生产、设计、施工、检测等逾20家单位共同完成了CJJ 63《聚乙烯燃气管道工程技术规程》行业标准的第3次修订工作。笔者有幸参与第3次修订工作，本文就标准修订过程中的一些重要问题，也是聚乙烯燃气管道应用中设计施工人员比较关注的问题，包括最大允许工作压力、管材管件储存条件和时间、热熔接头的质量检验等内容进行探讨。第3次修订后的标准号为CJJ 63—2018，标准名为《聚乙烯燃气管道工程技术标准》。

2 最大允许工作压力和最大工作压力

2.1 设计系数C与最大允许工作压力pmax的计算

在CJJ 63—2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》中，只有最大允许工作压力这一概念，最大允许工作压力是指管道系统中允许连续使用的最大压力。CJJ 63—2018版本为了与聚乙烯燃气管道国家产品标准和其他国际标准相对应，引入了最大工作压力(pMOP)概念，与最大允许工作压力(pmax)概念相区别，并给出了相应的计算公式。其中，最大工作压力指20 ℃工作温度条件下，聚乙烯燃气管道允许连续使用的最大压力。最大允许工作压力指在相应工作温度(包含20 ℃)下，聚乙烯燃气管道允许连续使用的最大压力，考虑了工作温度对工作压力的影响，燃气管道系统的设计压力不应高于最大允许工作压力(pmax)。

CJJ 63—2008 第4.1.3条规定了不同输送介质条件下，不同强度等级和不同规格条件下，聚乙烯管道的最大允许工作压力(即为CJJ 63—2018中的最大工作压力)，见表1。

表1 聚乙烯管道的最大允许工作压力 MPa

CJJ 63—2008第4.1.5条又规定，当聚乙烯管道工作温度在20 ℃以上时，最大允许工作压力应按工作温度对管道工作压力的折减系数(即压力折减系数)进行折减。

CJJ 63—2018根据设计习惯和聚乙烯管道工程实际，规定了最大工作压力(pMOP)的确定需要通过设计系数C计算，不再直接从表中选用。同时考虑到聚乙烯燃气管道不耐外力破坏的特性，根据聚乙烯燃气管道标准要求，引入了耐快速裂纹扩展的临界压力值(pRCP)的概念，规定pMOP的确定，除了应按照式(1)计算外，还应用pRCP进行校核，校核计算应按式(3)进行。

(1)

(2)

(3)

式中pMOP——最大工作压力，MPa，以20 ℃为参考工作温度

σmin——最小要求强度，MPa，PE 80取8.0 MPa，PE 100取10.0 MPa

C——设计系数

SSDR——标准尺寸比

pmax——最大允许工作压力，MPa

DF——工作温度下的压力折减系数

pRCP——耐快速裂纹扩展的临界压力，MPa，由混配料供应商或管材生产厂商提供

CJJ 63—2018同时规定了输送不同燃气种类的聚乙烯管道的设计系数取值，见表2。

对于输送液化石油气和人工煤气的聚乙烯管道，考虑燃气中的芳香烃类物质(如苯、甲苯、二甲苯等)对聚乙烯材料的溶胀作用，导致管道耐压能力下降，在CJJ 63—2018中，聚乙烯管道输送液化石油气和人工煤气时，与输送天然气相比，设计系数C更大，以满足工作寿命的要求。

2.2 最大工作压力

EN 1555-2:2010《Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels-Polyethylene (PE)-Part2：Pipes》(中文译名：《燃气输送用聚乙烯(PE)塑料管道系统第2部分：管材》)、ISO 4437-2:2014《Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels— Polyethylene (PE)—Part 2: Pipes》(中文译名：《燃气输送用聚乙烯(PE)塑料管道系统 第2部分：管材》)、EN 12007-2:2012《Gas infrastructure-pipelines for maximum operating pressure up to and including 16 bar-Part2：Specific functional requirements for polyethylene (MOP up to and including 10 bar)》(中文译名：《燃气工程 最大工作压力到1.6 MPa的管道系统 第2部分：(MOP到1.0 MPa)聚乙烯的性能要求》)标准中，PE100、SDR11系列管材的pMOP为1.0 MPa；法国、西班牙规定PE100、SDR11系列管材的pMOP为0.8 MPa；德国、匈牙利、摩尔多瓦规定PE100、SDR11系列管材的pMOP为1.0 MPa。

ISO 4437《Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels》(中文译名：《燃气输送用聚乙烯管道》)、 EN 1555《Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels》(中文译名：《燃气输送用塑料管道系统》)以及 GB 15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》这些管材产品标准中规定C≥2.0。在不考虑温度折减时，以PE100、SDR11系列管材为例，C取2.0，代入式(1)，计算得到pMOP为1.0 MPa。考虑到我国国情和施工因素(包括地质条件、施工方式、燃气种类、管理条件等各种因素)，结合我国近20年来应用聚乙烯燃气管道的经验，CJJ 63—2018中规定C≥2.5，高于ISO 4437、EN 1555以及GB 15558.1—2015产品标准中C大于等于2.0的规定。同样，以PE100、SDR11系列管材为例，C取2.5，代入式(1)，计算得到的pMOP为0.8 MPa。因此，CJJ 63—2018规定，对于输送天然气的聚乙烯管道，PE100、SDR11系列管材的最大工作压力为0.8 MPa，与CJJ 63—2008规定的0.7 MPa相比，有所提高，这个最大工作压力值也与欧洲大多数国家实际应用值相符合，也与GB 50028—2006规定的次高压B燃气管道设计压力区间相一致。

3 允许储存时间与存放条件

聚乙烯是一种热塑性高分子材料，在室外受紫外线(尤其波长300 nm左右的紫外线)、热、氧气、臭氧、工业有害气体及微生物等外界环境因素的作用会发生老化，产生变色、性能下降[1]。为了提高耐老化性能，一般在聚乙烯原料中加入光屏蔽剂、抗光稳定剂、抗热稳定剂和抗氧剂等。黑色管通过添加炭黑，非黑色管(如橙色管、黄色管)添加额外的抗UV(指紫外线)稳定剂(受阻胺类)和UV吸收剂，目的都是为了防止紫外线对PE材料的影响。黑色管和非黑色管中都添加了抗热稳定剂，以减少阳光照射导致管材温度升高。国内外相关用户及制造商对超过4 a甚至更长时间的管材、管件进行了相应的测试，结果显示其性能均能满足相关标准要求，且与最初的性能相比无明显降低。

标准修订过程中，部分专家提出非黑色管在没有保护的户外储存时间不应超过2 a(或者可存放更长时间，但需由管材厂家推荐)。带色条料的黑色管，在户外储存的时候一般不需要防护。澳大利亚水和燃气工业协会要求，聚乙烯管道产品在澳大利亚户外暴露存放两年后可以继续使用，特别对于黑色管，澳大利亚水和燃气工业协会允许PE污水管道永久性地暴露于地表之上。但这些不意味着聚乙烯管可以随时在露天暴晒。添加炭黑、抗紫外线剂、抗热稳定剂的目的都是为了保护材料，而不是为了直接暴晒。为保证使用寿命，需要提供良好的储存环境，防日晒、雨淋。GB 15558.1—2015和ISO 4437-2:2014规定了聚乙烯非黑色混配料(以管材形式测定)的耐候性能：在受到累计太阳曝辐射量≥3.5 GJ/m2后，由其制作的电熔接头的剥离强度、管材断裂伸长率和静液压试验仍应符合标准的相关要求。EN 12007-2:2012第5章提出：聚乙烯管材和管件不能阳光直射，累计太阳曝辐射量不得大于3.5 GJ/m2。3.5 GJ/m2相当于西欧地区(如：法国巴黎、英国伦敦)一年的太阳曝辐射量，相当于我国大部分地区6～8个月的太阳曝辐射量。

因此CJJ 63—2018参照欧洲标准和国家标准，规定聚乙烯管材、管件不应长期户外存放。当从生产到使用期间，累计受到太阳曝辐射量超过3.5 GJ/m2，或具有良好存放条件下的管材存放超过4 a，及密封包装的管件存放超过6 a时，应对其进行抽样检验，性能符合要求方可使用。

4 焊制管件问题

从聚乙烯管材上切割管段，采用角焊机热熔对接制作的管件叫作PE焊制管件，属于非标准产品。该类管件焊口多，弯头角度多，缺乏统一标准，产品质量控制难度较大。同时，焊制管件由于存在多个与轴向不垂直的焊缝，在内压和外荷载作用下，焊缝会受力不均，造成局部应力集中，不利于长期运行。CJJ 63—2008考虑到当时的注塑管件生产工艺现状，允许使用焊制管件，但对应用焊制管件的系统提出压力不超过0.2 MPa、工厂预制、焊制管件管材压力等级大于系统管材压力等级、施工中加固等要求。

尽管有上述要求，在管道系统中应用焊制管件依然有安全隐患。目前国内已经有相当数量厂家具备生产DN 630 mm以下一次性注塑管件的条件，质量更加可靠，规格品种也完全可以满足市场要求。因此，CJJ 63—2018删除了焊制管件的相关规定，规定系统中采用的管件应符合现行国家标准GB/T 15558.2—2005《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第2部分:管件》的要求。

5 热熔连接和质量检验

5.1 热熔设备和连接要求

目前国际上聚乙烯燃气管的连接普遍采用不可拆卸的焊接接头，即热熔连接或电熔连接。一般来说，这两种连接方式形成的接头的强度都高于管材自身强度。CJJ 63—2018规定热熔连接工艺应符合现行国家标准GB/T 32434—2015《塑料管材和管件 燃气和给水输配系统用聚乙烯(PE)管材及管件的热熔对接程序》的规定，还规定热熔对接连接设备宜使用全自动焊接设备，即加热、卷边、吸热、切换、加压熔接、保压冷却等操作自动完成，不推荐使用手动焊接设备。焊机各项参数和性能是决定焊接质量的关键，因此，CJJ 63—2018规定，焊机应定期进行校准和检定，周期不应超过1 a。

除了合格的材料和焊机之外，聚乙烯燃气管道的接头质量还跟施工环境密切相关，因此，CJJ 63—2018规定了施工环境要求，在温度较低、大风环境，需要保温防风，同时避免阳光直射、遮阳防雨。

5.2 热熔连接质量检验

聚乙烯管道热熔连接完成后，应采用卷边对称性、接头对正性、卷边切除试验进行检验。其中卷边对称性、接头对正性检验是接头质量检查的最基本方法，也是比较简便和比较容易实现的方法，因此，要求100%进行此项检查。卷边切除试验检验为焊接质量的概率保证，检验比较复杂，但该项检验可以发现虚焊等打压试验无法发现的焊接质量缺陷，因此CJJ 63—2018提高了检验的比例，从原来的10%提高到了15%。实际工程中，如果条件许可或工程可靠性要求较高，如水平定向钻非开挖施工时，CJJ/T 250—2016《城镇燃气管道穿跨越工程技术规程》第5.1.8条规定，要求100%卷边切除检验，以确保热熔焊接质量。

上述为施工过程中非破坏性检验方法，在需要焊接工艺评价、对焊接质量存在异议或焊机长期停用后再次使用时，进行如下破坏性试验：按照 GB/T 19810—2005《 聚乙烯(PE)管材和管件热熔对接接头拉伸强度和破坏形式的测定》进行拉伸强度测试，按照GB/T 6111—2018《流体输送用热塑性塑料管道系统 耐内压性能的测定》进行80 ℃、1 000 h的静液压试验。这种破坏性试验耗时较长，短时间内无法得出结论。实际工作中，为了快速检测焊口质量，部分燃气公司会采用样条弯曲试验这一相对简单的破坏性试验方法检测热熔连接接口质量，具体做法是：从热熔连接的管道中分割出特定的长条形试样，熔接缝应位于样条中间，先将外卷边切除，用手握住样条的两端，用力将其向内弯曲至两端接触，检查样条熔接缝，不应出现开裂。该种检验方法通常在全自动焊机首次使用时，或每月一次，以检测全自动焊机参数设置、设备运行是否良好，以控制热熔焊接质量水平。

其他非破坏性检验方法，可考虑通过超声波和X射线探测等常规非破坏性检测方法来进行接头质量的评估。虽然超声波和X射线探测等常规非破坏性检测方法有可能检测不到所有热熔对接接头上存在的缺陷，但可以检测出受污染和存在气泡的区域。因此，可考虑使用此类技术，以进一步确认热熔对接接头的质量。

6 示踪、警示装置及保护板设置

为了运行管理时方便探测聚乙烯管道位置，并提示第三方施工人员施工时避开管道位置，CJJ 63—2008 第4.1.8条规定：随管道走向应设计示踪线(带)和警示带；第6.2.6条规定：管道敷设时，应随管道走向埋设金属示踪线(带)、警示带或其他标志。本次修订，将示踪线(带)和警示带修改为有效的示踪、警示装置。示踪装置可以是有效导通的示踪线、示踪带，也可以是可写入管线位置等信息的电子标志器，或者地下管线测绘等方式。警示装置可以是警示带、地面标志、警示保护板等。

为了避免聚乙烯燃气管道遭受第三方破坏，CJJ 63—2018规定：设计压力大于0.4 MPa的聚乙烯燃气管道上方应设置保护板。目前各燃气公司采用的保护板形式较多，有聚乙烯保护板、玻璃纤维保护板、钢筋混凝土保护板。北京燃气等公司采用了新型PE保护板或玻璃纤维板，在这些保护板中内置了可用金属探测器探测到的钢带，保护板表面有“下有燃气，注意保护”的警示语，且具有一定的强度(剪切强度≥14.2 MPa，拉伸强度≥10.0 MPa)，与钢筋混凝土保护板相比较，埋设方便。埋设位置在管道上方不小于200 mm，且距地面300～500 mm的位置，可以抵御人工镐锤挖掘对聚乙烯燃气管道的破坏，而且因其有较好的强度和韧性，即使在机械挖掘时，也可以起到一定的保护作用。