城镇燃气管道非开挖修复更新工程用聚乙烯管

雷素敏， 白丽萍， 方媛媛， 袁理想

(1.北京市燃气集团研究院，北京100011；2.北京市燃气集团有限责任公司，北京100035)

1 概述

随着我国经济的快速发展，城市化进程加快，以及城镇燃气管道使用年限的增加，燃气设施的修复更新工程也逐年增加。由于城市交通及环境保护等方面对市政施工的要求日益严格，采用传统全线开挖方式修复或更换城镇埋地燃气管道受到许多限制，非开挖修复更新技术的优势逐渐被人们认同，相关技术日趋成熟，其应用也在逐年增长[1]。

20世纪80年代，日本和欧美国家开始系统研究开发非开挖技术，并逐步推广应用到地下管道的敷设和旧管更新，发展速度很快。到20世纪90年代，日本、法国、德国、美国等发达国家的非开挖技术用于地下管道已占全部管道工程的10%，在德国柏林已高达40%。目前非开挖管道修复技术已在西方发达国家成为一项政府支持、社会提倡、企业参与的新的技术产业，成为城市现代化进程中的一项关键技术[2]。

聚乙烯管道是城镇燃气管道非开挖修复更新技术采用的主要材料。本文就聚乙烯管在这类工程应用时应注意的问题进行分析和探讨。

2 相关标准情况

国内外非开挖修复更新用聚乙烯管道标准比较完善，常用的相关标准见表1。

3 非开挖修复更新用聚乙烯管的问题

目前，国内常用的燃气管道非开挖修复更新技术主要包括折叠管内衬法、插入法、静压裂管法与翻转内衬法。除翻转内衬法外，其他技术采用的材料均为聚乙烯管。

3.1 折叠管内衬法

3.1.1 聚乙烯管道最大工作压力

折叠管内衬法修复应采用PE100或PE100-RC混配料，规格可选择SDR17、SDR17.6、SDR21或SDR26系列管材。聚乙烯混配料是在聚乙烯原料中加入抗氧剂、颜料、抗紫外线稳定剂等添加剂，并且足够均匀分散，经挤出加工而成的颗粒料，并按照GB/T 18475—2001《热塑性塑料压力管材和管件用材料分级和命名总体使用(设计)系数》中规定的最小要求强度(MRS)进行分级和命名。聚乙烯混配料的级别分为PE80与PE100，PE100-RC是具有耐慢速裂纹增长性能的PE100混配料。

表1 非开挖修复更新用聚乙烯管道常用的相关标准

在-20～20 ℃工作温度条件下，聚乙烯燃气管道的最大工作压力按公式(1)与公式(2)计算：

(1)

(2)

式中pmax——最大工作压力，MPa

σ——最小要求强度，MPa

C——设计系数。CJJ 63—2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》要求聚乙烯管道输送天然气时C≥2.5，GB/T 15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》要求C≥2.0

S——标准尺寸比

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

目前常用PE100或PE100-RC混配料的pRCP均大于1.2 MPa，因此用式(2)校核后的计算结果见表2。

采用折叠管内衬法修复钢管道时，折叠内衬管与钢管道的接触面较小，同时内衬管沿线有钢管保护，内衬管被划伤的风险较低。但是考虑到C取值与输送介质、在役管道的内部清理情况、现场环境等施工条件有关，因此笔者认为当采用SDR26系列聚乙烯管材时，最大工作压力应根据上述因素慎重考虑后综合确定。

表2 折叠管内衬法修复用PE100/PE100-RC管材的最大工作压力

3.1.2 聚乙烯管材壁厚

目前为止，工厂预制成型折叠管的材料与工艺均为国外进口，管材执行国际标准ISO 11299—3—2018《地下燃气管网修复用塑料管道系统 第3部分：紧贴型内衬管》。折叠管在工厂采用加热和加压的方式成型，在施工现场也要采取加热与加压的方式复原，聚乙烯管经过二次加热后同一横截面上的壁厚会有所变化。ISO 11299—3—2018《地下燃气管网修复用塑料管道系统 第3部分：紧贴型内衬管》规定了实际工程或模拟安装测试后管材壁厚的要求，见表3。

随着修复技术的发展，目前工厂预制成型折叠管内衬法修复常采用SDR21管材，表3中并未给出相关壁厚要求。但该标准同时规定采用其他的SDR时，聚乙烯管材的最小壁厚δmin和最大平均壁厚δm,max可通过公式(3)和公式(4)分别计算，并且按照向上圆整0.1 mm的原则进位后获得。

表3 工厂预制成型折叠管安装后的管材壁厚

(3)

δm,max=1.12δmin+0.5

(4)

式中δmin——最小壁厚，mm

dn——公称外径，mm

δm,max——最大平均壁厚，mm

此外，ISO 11299—3—2018《地下燃气管网修复用塑料管道系统 第3部分：紧贴型内衬管》适用于紧贴型内衬管，而紧贴型内衬管修复用聚乙烯管材的尺寸规格以在役钢管的内径为依据，与GB/T 15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》中规定的聚乙烯管材规格略有不同。GB/T 15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》中有的规格，如dn200(表示公称外径为200 mm，后面格式意义与此相同)、dn225、dn250、dn400、dn500管材的最小壁厚可参照GB/T 15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》中的最小壁厚，再由公式(4)计算最大平均壁厚。GB/T 15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》中没有的规格，如dn100、dn150、dn300、dn350管材的最小壁厚与最大平均壁厚应分别由公式(3)与公式(4)计算得出。

通过以上计算方法得出SDR21系列管道的壁厚，见表4。采用SDR21系列的聚乙烯管进行折叠管内衬法修复时，可按照表4对安装后的聚乙烯管壁厚进行控制，以确保工程质量。

表4 SDR21系列的管道壁厚

3.1.3 SDR21与SDR26系列管材的应用范围

折叠管内衬法修复工程允许采用SDR21、SDR26薄壁的聚乙烯管材。由于此类管材不曾应用于直埋，因此，在使用时应考虑以下2个问题。

① 工作坑处的SDR21、SDR26聚乙烯管，外部没有钢管做保护，为实现与其他管段相同的条件，避免成为整个系统中的薄弱点，在回填的时候应考虑采取措施对聚乙烯管进行保护。保护措施可以在聚乙烯管外加钢制套管后回填，或者在工作坑处砖砌保护沟，将聚乙烯管置于保护沟内，沟内填砂并加沟盖板。

② 限于现场设备条件，现场成型折叠管内衬法只能采用SDR26系列的聚乙烯管材，同时，因为修复时内衬管要紧贴在役钢管，折叠前聚乙烯管的连接须为热熔连接，不能采用电熔连接。GB/T 15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》要求，当公称外径小于160 mm时，SDR26管材壁厚小于6 mm。CJJ 63—2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》要求，壁厚小于6 mm的聚乙烯管道连接不应采用热熔连接。因此现场成型折叠管内衬法不适用于修复DN 150 mm及以下的在役管道。

工厂预制成型折叠管内衬法可以采用SDR21、SDR26系列的聚乙烯管材。由于dn100、dn125、dn150是工厂预制成型折叠管内衬法用聚乙烯管的常用规格(见表3)，均属于非标准外径管，与标准管件连接时需要采用变径热熔接头进行连接。由表3可知，当公称外径小于160 mm时，SDR26管材壁厚小于6 mm；由表4可知，当采用dn100、SDR21管材时，壁厚也小于6 mm。以上两种情况都不能采用热熔连接。因此，工厂预制成型折叠管内衬法当采用SDR26系列聚乙烯管时，不适用于修复DN 150 mm及以下的在役管道，当采用SDR21系列聚乙烯管时，不适用于修复DN 100 mm及以下的在役管道。

3.1.4 聚乙烯管道的连接

采用工厂预制成型折叠管内衬法修复时，生产时制造商根据模拟实验的结果最终制造出的折叠管外径不完全符合GB/T 15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》中规定的标准外径，即非标准外径聚乙烯管。下面就非标准外径聚乙烯管的连接方法进行分析。

因为壁厚相对较厚，CJJ/T 147—2010《城镇燃气管道非开挖修复更新工程技术规程》规定SDR17.6系列非标准外径聚乙烯管可以扩径至与标准聚乙烯管外径与壁厚一致后进行连接，对于SDR26系列则必须采用变径管件连接，对于SDR21系列无明确规定。实际施工中，SDR21系列管材也经常采用扩径至标准外径和壁厚后进行连接的方式。

聚乙烯折叠管出厂时，产品质量证明文件中注明有公称尺寸与制造尺寸。制造尺寸为折叠管出厂时的实际尺寸。如公称尺寸为dn500、SDR21的折叠管，制造外径与壁厚分别为485 mm、25.9 mm。折叠管经过二次加热后同一横截面上的壁厚会有所变化，复原后的外径有可能大于出厂时的制造外径，但是不会大于公称外径。

为了方便采用标准管件进行连接，需要将复原后的聚乙烯管扩径至统一的外径。但是考虑到聚乙烯管的材料特性，为避免发生塑性变形，扩径不能无限制地进行。按照管材生产商提供的操作说明，目前最大只允许扩径至厂家标称的公称外径。如果扩径至厂家标称的公称外径后能满足标准聚乙烯管外径与壁厚，可直接与标准聚乙烯管连接。如果扩径至厂家标称的公称外径后仍不能达到标准聚乙烯管外径与壁厚，则需采用变径管件连接。

以常用的公称尺寸dn300、SDR17与dn500、SDR21的管材为例，说明具体的连接方法。

①dn300、SDR17系列管材：dn300聚乙烯折叠管出厂时，制造外径是289 mm，复原后用扩孔器扩径到300 mm，但依然达不到聚乙烯管标准外径315 mm。可以采用dn300/dn315热熔接头后，用电熔套筒的方式与dn315标准聚乙烯管进行连接(见图1)。

图1 dn300管材与标准管材的连接

②dn500、SDR21系列管材：dn500聚乙烯折叠管出厂时，实际的制造外径是485 mm，复原后用扩孔器扩径到500 mm后，可直接与dn500标准管材进行连接(见图2)。

图2 dn500管材与标准管材的连接

3.2 插入法

3.2.1 聚乙烯管道最大工作压力

CJJ/T 147—2010《城镇燃气管道非开挖修复更新工程技术规程》中，要求插入法修复应采用SDR11、SDR17/17.6系列管材。按照公式(1)与公式(2)计算，设计系数C取2.5，计算结果见表5。

表5 插入法修复用PE100/PE100-RC管材的最大工作压力

由表5可知，当采用PE100/PE100-RC、SDR11系列的聚乙烯管材时，按照C取2.5计算，其最大工作压力可达到0.8 MPa。尽管按照CJJ 63—2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》的条文说明，SDR11系列的埋地聚乙烯燃气管道，最大工作压力可以是0.8 MPa，但是由于该标准执行时间短，各燃气公司还都没有实际的应用案例，实际的应用经验太少。同时，插入法修复时，聚乙烯管道与在役管道内壁接触面积较大，在拖拉的过程中被划伤的风险较高，即使划痕深度在规范允许范围内，划伤也会对聚乙烯管的力学性能造成影响，缩短使用寿命。鉴于以上原因，插入法施工用聚乙烯管道的最大工作压力仍选择0.4 MPa，即采用PE100、SDR11系列管材时，修复后聚乙烯管道的最大工作压力不宜超过0.4 MPa。

3.2.2 聚乙烯管道的连接

在CJJ/T 147—2010《城镇燃气管道非开挖修复更新工程技术规程》中，要求聚乙烯管道与在役其他材质管道连接时应选用钢塑转换接头或钢塑法兰连接，公称外径≤315 mm聚乙烯管道的连接应采用电熔连接。聚乙烯管道连接时仍需考虑以下问题：

连接时两段聚乙烯管的连接处需设置固定支撑点，防止插入管因温度降低而引起长度收缩，应力集中于焊口处导致焊口漏气。上海燃气公司采用插入法修复时采取固定支撑措施，即在插入管伸出旧管道端口的管道外壁上安装柔性限位器，并浇筑混凝土支墩固定柔性限位器。这种利用限位器对聚乙烯管穿管连接接头处进行强制加固的做法，已成功应用于约10 km的承插式铸铁管道的更新改造工程[3]。

3.3 静压裂管法

3.3.1 聚乙烯管道最大工作压力

静压裂管法修复时，聚乙烯管材被划伤的风险较高。按照第3.2.1节的分析，采用PE100/PE100-RC、SDR11系列的聚乙烯管材，最大工作压力不超过0.4 MPa。

3.3.2 聚乙烯管道标准尺寸比的选用

静压裂管法是以待更换的在役管道为导向，用裂管器将在役管道切开或胀裂，使其胀扩，同时将聚乙烯管拉入在役管道的修复更新工艺。在液压拉杆机用顶或拉的方式将在役管道碎裂的过程中，破碎的在役管道很有可能对聚乙烯管道产生划伤等破坏。CJJ/T 147—2010《城镇燃气管道非开挖修复更新工程技术规程》要求静压裂管法适用的聚乙烯管道标准尺寸比为SDR11与SDR17.6。CJJ 63—2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》要求聚乙烯管材表面划伤深度不应超过管材壁厚的10%，且不应超过4 mm。

按照CJJ 63—2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》对于管材划痕深度的规定，SDR11、SDR17.6系列管材允许的划痕深度见表6。

表6 SDR11、SDR17.6系列管材允许的划痕深度

由表6可看出，SDR11系列管材允许的划痕深度比SDR17.6管材大40%～61%，实际工程中更容易保证划痕深度满足标准要求，因此建议静压裂管法优先选用SDR11系列管材。

4 结语

与传统开挖工程对比，非开挖修复更新工程用聚乙烯管材有其特殊性，应重点关注以下问题：

① 国内外关于采用聚乙烯管进行非开挖修复更新用标准比较齐全，可以满足工程建设的需要。

② 按照C取2.5计算，SDR26聚乙烯管的最大工作压力为0.32 MPa。考虑到折叠管内衬法修复时，C取值与输送介质、在役管道的内部清理情况、现场环境等施工条件有关，因此当采用SDR26系列聚乙烯管材时，最大工作压力应根据具体情况综合确定。

③ 采用SDR21系列的聚乙烯管进行折叠管内衬法修复时，可按照相关标准对安装后的聚乙烯管壁厚进行控制。

④ 现场成型折叠管内衬法不适用于修复DN 150 mm及以下在役管道；工厂预制成型折叠管内衬法采用SDR21系列聚乙烯管时，不适用于修复DN 100 mm及以下的在役管道，当采用SDR26系列聚乙烯管时，不适用于修复DN 150 mm及以下的在役管道。

⑤ 采用插入法进行修复时，应考虑管道在拖动过程中受力变形和管道长度随温度变化而变化的问题，预留足够的管道长度，并在焊口处采取有效的固定支撑措施。

⑥ 插入法与静压裂管法修复时，聚乙烯管材被划伤的风险较高，鉴于安全性，建议即使采用PE100、SDR11系列管材，最大工作压力也不宜超过0.4 MPa。

⑦ 静压裂管法修复时，由于SDR11系列的管材壁厚较厚，按照CJJ 63—2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》的规定，其允许的划痕深度比SDR17.6管材大40%左右，实际工程中更容易保证划痕深度满足标准要求，因此建议优先选用壁厚较厚的SDR11聚乙烯管材。