城市聚乙烯燃气管道漏气案例统计与原因分析

李夏喜，邢琳琳，田晓江，高观玲，刘敏，胥晴晴，高瑾

（1.北京燃气集团有限责任公司，北京 100035；2.北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083）

城市燃气管道的安全运行是城市安全的重中之重，聚乙烯（PE）管道具有突出的耐腐蚀性，不存在电化学腐蚀问题，大大减少了金属燃气管道带来的漏气事故。同时，PE 管道又具有对输送介质无污染性、制造安装易操作、费用低、使用寿命长等优势[1]，成为市政燃气工程中、低压燃气输送的首选材料。但漏气事件仍时有发生，为保障PE 燃气管道的安全运行，首先需要对PE 燃气管道的漏气事故进行科学的分析，明确PE 管道服役的薄弱部位，以及漏气原因。

PE 管道在国外燃气领域的应用起始于20 世纪60年代末[2]，在国内起始于20 世纪80 年代初[3]。发达国家，20 世纪80 年代初，PE 燃气管道的普及率大多超过50%[4]，90 年代初超过90%[5]，20 世纪末、21世纪初，新敷设的燃气管道 PE 管材占比接近100%[5-7]。国内由20 世纪初的20%增至2014 年的40%[8-11]，到2020 年，新敷设的中低压燃气管道中，90%以上采用PE 管材[12]。随着PE 燃气管道的广泛应用，以及服役年限增加，PE 管材抗伤能力弱、不耐高温、易燃、机械强度低的缺点开始显现。随PE管道服役年限的增加，PE 材料性能发生衰减，尤其是当材料本身存在缺陷时，PE 管材直接发生脆性断裂失效[13]，且焊接过程中温度的变化会导致材料的结晶度发生变化[14]，削弱管道的强度[15]。钢塑转换接头中，塑料部分的导热性差，当温度过高时，会导致接头的失效[16]，且土壤环境中的活性溶剂和应力的共同作用会使得PE 管道发生环境应力开裂[17-18]，使得PE 燃气管道漏气事故时有发生[19-26]。PE 燃气管道漏气事故社会影响恶劣，严重威胁城市安全。2010 年，外力施工导致中压PE 燃气管道破裂，造成2 人死亡，2 人受伤[27]。2017 年，PE 管焊缝发生脱焊，造成1人死亡，事故直接经济损失约147 万元[28]。同年，PE燃气管道被钻漏，造成 7 人死亡，85 人受伤，以及直接经济损失4 419 万元[29]。2020 年，PE 管道焊缝脱焊，造成1 人死亡，2 人受伤[28]。虽然漏气事故引起了社会的关注与重视，但对PE 燃气管道的认知还存在不足，无法保证PE 燃气管道的安全运行。

本文立足于某城市燃气集团提供的290 例珍贵的PE 燃气管道漏气案例，从服役年限、漏气发生季节、漏气部位等多方面对漏气案例进行统计分析，确定了PE 管道在服役过程中的薄弱部位，进而对其漏气原因进行了深入的探讨与分析，为城镇埋地环境下PE 燃气管道的安全服役评估体系的建立奠定基础。

1 漏气案例统计分析

2016—2020 年，某城市燃气集团所辖管线发生燃气泄漏事故共3 469 例，其中PE 燃气管道漏气事故有290 例。将燃气管道的漏气部位、服役年限、漏气季节等相关信息进行汇总，并分析。PE 燃气管道漏气部位的服役年限汇总见表1。

表1 PE 燃气管道服役年限汇总Tab.1 Summary of service life of PE gas pipelines

1.1 PE 燃气管与金属管道漏气案例数量对比分析

将2016—2020 年间抢修事故中的燃气管道按照材质进行划分，各年燃气管道事故以及管道材质数量对比如图1 所示。可以看出，近5 年的PE 燃气管漏气事故数远低于钢管的漏气事故，体现了PE 管用于城市中、低压燃气管网的优势，并且PE 燃气管道的敷设量是逐年增加的，而漏气事故的数量是逐年减少的。这不仅表明了PE 管道用于城镇中、低压燃气管网的优势，也说明了PE 燃气管网工程质量管控的不断提高。

图1 不同年份各种材质燃气管漏气案例数量对比Fig.1 Comparison of the number of gas leakage cases of gas pipelines made of various materials in different years

1.2 漏气部位统计分析

PE 燃气管道不同部位导致的漏气事故数量统计如图2 所示。可以看出，PE 管材漏气比例最大，为64%，但大多是由于外力损伤导致的管材破损，其他需要重点关注的是钢塑转换、套袖、焊接位置等连接处占比36%，说明它们是影响PE 管道安全服役的薄弱部位。其中，钢塑转换、套袖事故占比较高，为18%，是需高度重视的部位，是影响PE 管道安全服役的重要薄弱部位。

图2 不同漏气部位数量占比统计Fig.2 Statistics on the proportion of different gas leakage parts

不同服役压力的PE 管道漏气部位数量统计如图3 所示。可以看出，中、低压服役的PE 管材漏气案例数量相差不大。阀门漏气案例都是中压管线，表明管内运输压力大会给阀门的安全服役带来更大的威胁。对于钢塑转换、套袖、焊接、管件这些薄弱部位，低压服役的发生漏气案例数略大于中压，但是低压管网采用PE 管道的工程量大，不能说明低压对管道漏气薄弱部位的影响。

图3 中低压PE 管不同部位漏气案例数量对比Fig.3 Comparison of the number of gas leakage cases in different parts of medium and low pressure PE pipelines

1.3 漏气案例管道已服役年限统计分析

PE 燃气管道的不同部位发生漏气事故时的服役年限不同，290 例案例的服役时间可分成0～10 a、10～20 a、20 a 以上等3 组，PE 燃气管道在不同服役年限的数量如图4 所示。可以看出，PE 燃气管道漏气事故中服役20 a 以下的高达81%，但2000 年后，PE 管在燃气管网应用的数量大大增加，这也是服役20 a 以下的管道数量远大于20 a 以上的原因。管道连接部位、连接工艺、结构、受力不同，对服役环境的敏感性不同。分析认为，不同部位漏气时的服役年限会有所差距，各部位漏气时服役年限统计对比如图5所示。

图4 PE 燃气管道服役年限Fig.4 Service life of PE gas pipelines

图5 各部位在不同服役年限发生漏气事故的数量对比图Fig.5 Comparison chart of the number of gas leakage accidents of various parts in different service years

管材的漏气主要是由于外力施工机械力损伤管材导致的，而连接部位受服役环境与应力的长期耦合作用的影响大。图5 表明，焊接处在服役0～10 a 间漏气的占比约是服役10～20 a 占比的1.85 倍，远远高于其他连接部位。法兰丝扣、阀门、钢塑转换、套袖、连接部位等的漏气在10～20 a 的占比高于0～10 a。这在一定程度上说明焊接处对服役环境更为敏感，若焊接质量稍有不足，PE 燃气管道就无法长期承受环境与应力的耦合作用，在服役早期就会产生缺陷导致漏气。

1.4 漏气事故多发月份统计分析

不同月份的漏气事故数量对比如图6 所示。可以看出，在3、5 月份发生PE 管道的漏气事故较多。典型漏气部位在各月份发生的漏气事故数量对比如图7所示。可以看出，钢塑转换、套袖本体在3 月份发生的漏气事故最多，焊缝位置在5 月份发生的漏气事故最多，表明钢塑转换、套袖本体对某城市3 月土壤温度由低向高的变化较为敏感，焊缝对春季向夏季的温度过渡环境较为敏感。漏气案例漏气月份的统计，在一定程度上可以反映不同漏气部位的高发月份，这就提醒燃气集团相关人员在日常巡查的基础上要在不同月份对不同部位进行重点关注与防范。管材在3、4、5、9 月份发生的漏气事故较多，这可能与春秋两季城镇市政施工较多有关。在没有明确PE 燃气管道的具体位置的情况下，机械作业损伤管材部位几率增大。

图6 不同月份的漏气事故量对比Fig.6 Comparison of the number of gas leakage accidents in different months

图7 典型漏气部位在各月份发生的漏气事故数量对比Fig.7 Comparison of the number of gas leakage accidents in typical gas leakage parts in each month

2 PE 燃气管道漏气原因归纳分析

深入分析PE 燃气管漏气的本质原因，是保障管网安全运行的重要基础。根据提供的PE 燃气管道漏气事故抢修关闭单，燃气管道漏气部位为管材、钢塑转换与套袖本体、焊接位置、管件、阀门、法兰与丝扣连接等6 种，漏气的直接原因为施工外力、塌陷、地面沉降、设备本身质量、外腐蚀、安装缺陷、焊接质量和烧、热熔等8 类。但针对燃气管道漏气事故采集的信息仍有不明确之处，如“外腐蚀”是沿用钢管的腐蚀漏气说法，没有具体解释，“设备本身质量”说法太过笼统，没有进行具体分类。另外，漏气部位中将钢塑转换和套袖、法兰和丝扣连接归为一类，没有准确的划分。对事故案例进行统计分析仍能在一定程度上反映PE 燃气管道服役过程中的薄弱部位，以及造成漏气事故的原因。

不同原因导致的漏气事故量如图8 所示。分析其原因可以归纳为，服役环境/力长期耦合作用（塌陷、地面沉降、设备本身质量、外腐蚀、安装缺陷和焊接质量）和突发外界作用（市政施工机械外力和烧、热熔）。由服役环境/力长期耦合作用导致的漏气事故数量有156 例，占比54%，突发外界作用导致的漏气事故有134 例，占比46%，表明环境的长期作用对PE燃气管道的安全运行影响重大。

图8 不同原因导致漏气事故数量Fig.8 Number of gas leakage accidents due to different causes

2.1 服役环境/力长期耦合作用

服役环境和应力的长期耦合作用会严重影响PE燃气管道的安全运行以及服役寿命，从PE 管道漏气案例的直接原因来看，主要体现在3 方面：1）管道本身材质，包含漏气原因中的设备本身质量和外腐蚀；2）工程质量，包含漏气原因中的安装缺陷和焊接质量；3）地质变化，包含漏气原因中的塌陷和地面沉降。

1）管道本身材质。管材、各连接部位由于材质因素在长期服役过程中，性能下降至PE 燃气管道的临界值以下，导致管道漏气。由该原因导致的漏气事故案例数共计98 例，不同漏气部位的数量统计如图9 所示。可以看出，钢塑转换、套袖本体部位发生漏气的案例数最多，占比33.67%，是PE 燃气管道长期服役的关键薄弱部位，在服役过程中需重点关注。其次是管材位置，其他位置漏气事故相对较少，表明管材和各连接部位材料在环境/力长期耦合作用下会发生老化，使得该部位无法继续承载外压力和内压力的双重作用，燃气管道局部出现损伤，发生漏气事故。

图9 材质原因导致漏气事故的部位统计Fig.9 Statistics on the parts of gas leakage accidents caused by the material

2）工程质量。在长期服役过程中，由工程实施质量的问题带来的漏气事故共计36 例，如图10 所示。工程施工质量不到位带来的漏气事故主要发生在焊缝位置，表明这一部位是PE 燃气管道服役安全的重要薄弱部位。

图10 工程质量导致漏气事故的部位统计Fig.10 Statistics on the parts of gas leakage accidents caused by engineering quality

3）地质变化。地质变化中的地面沉降是由于管道周边土壤环境长期缓慢运动导致的。采集的信息中，未对地面沉降、塌陷进行明确分类，本文将其认定为是土壤环境长期变化或突发的塌陷与沉降，带来管道长期受到额外的应力作用的结果。由塌陷与地面沉降原因带来PE 管事故有22 例（塌陷10 例，地面沉降12 例），如图11 所示。可以看出，管材处发生漏气的案例最多，是因为在燃气管道中，管材用量是最多的，故是地质变化带来的塌陷与沉降作用的主要部位。其次是钢塑转换、套袖本体位置，其他部位在地质运动下发生的漏气事故较少。

图11 地质变化导致漏气事故的部位统计Fig.11 Statistics on the parts of gas leakage accidents caused by geological changes

综合以上3 种服役环境/力长期耦合作用导致的漏气案例，分析认为是由PE 高分子的分子结构决定的。服役的土壤环境中大多含有一定具有表面活性的化学介质，长期在这种环境下服役，PE 管道表面会提前老化，使得PE 的承载能力下降，在环境和内外应力的长期耦合作用下，PE 管道易发生漏气事故。这就要求在PE 燃气管道在敷设前，确定土壤中含有的敏感化学介质种类；在生产、选择管材和各管件时，要保证质量；在运输、储存过程中，要遮蔽防护，避免阳光、雨淋对PE 管道的老化影响；在工程施工中，要加强管理和施工质量管控，关键部位给予补强，防范地质环境变化带来的PE 管受力过大，进而漏气。

2.2 突发外界作用

市政施工机械外力和烧、热熔突发事件带来PE管道漏气归纳为突发外界作用。本文热熔案例是由于地面发生燃烧事故，管道覆土较薄，使得其下方燃气管道发生热熔而导致漏气事故，属于突发外界作用。若PE 燃气管道附近存在热力管网，存在热源长期作用，会使PE 管道老化失效导致漏气，这属于环境的长期作用。

1）施工机械外力。被施工机械外力破坏的PE燃气管道如图12 所示。PE 燃气管道在施工外力作用下发生的燃气管道泄漏事故共计131 例，其中管材处发生破损导致的漏气事故有126 例，占总漏气事故的43.45%，故施工机械外力是管材漏气事故的最主要原因。该原因导致的PE 管材漏气事故多发是因为PE高分子链的非极性烯烃化学结构决定了高密度聚乙烯的强度远低于金属，拉伸强度为21～38 MPa。在工程施工中，金属器械机械作用力很大，若作用在PE管上，会带来严重的机械破坏，产生漏气。PE 管道的力学强度有限，必须予以充分重视，因此在进行市政施工时，要加强各部门之间的协调沟通，在施工前明确城镇地下管网的分布，强化施工人员的规范操作，避免野蛮操作，减少工程施工对PE 燃气管道造成损伤。在燃气管道安装工程中，要保证PE 管道在运输、储存、敷设过程完好，以及回填土中没有尖锐的石块，避免PE 管道表面出现损伤和应力集中，成为服役的薄弱部位。燃气集团要加强对防止第三方破坏的保护、日常巡查和安全管理措施。

图12 施工外力损伤PE 管道Fig.12 Damage of PE pipeline caused by external force of construction

2）烧、热熔。在本文漏气案例中，共有3 例烧、热熔案例，均发生在管材部位。其中，由于电缆短路的大电流导致的烧熔事故有2 例，如图13 所示。由于地面燃烧杂物导致PE 管道热熔的漏气事故有1 例。烧、热熔漏气案例虽然数量较少，但是性质恶劣，一旦发生破坏性大，严重威胁社区安全。PE 管材易发生烧、热熔事故，是PE 高分子结构决定了PE 管具有不耐高温、阻燃性弱、应用温度范围有限的特性。PE 高分子链的氧指数只有17 左右，抗热降解温度在300 ℃左右，高于此温度，大分子链大量裂解。因此，PE 管材不耐热、易燃。由图13 可见，搭接在PE 管道上的电缆短路时会带来大电流，使得PE 管道的表面温度超过降解温度（300 ℃）而被烧熔，漏气事件恶劣。当PE 燃气管道覆土层较薄时，地面发生燃烧事故，地面高温传到PE 管道表面的温度超过了其应用温度范围（–60～60 ℃），其力学性能随着温度的升高快速下降，使其无法继续在该管内压力的作用下服役，故发生热熔漏气事故。因此，一定要加强市政管网体系的协调管理，确保PE 燃气管道附近没有电缆线路和热源的存在。其次，为避免当地面发生高温事故时，土壤层不能有效阻隔温度造成漏气事故，在敷设PE 燃气管道时，要选择合适的埋深。

图13 电缆短路导致PE 管熔化烧结Fig.13 PE pipeline melting and sintering caused by short circuit of cable

3 结论

1）某城市燃气集团2016—2020 的PE 管漏气案例占总事故量的8.3%，并逐年减少。服役年限10 a以下的漏气案例居多。服役环境长期对管材外壁、连接薄弱部位老化作用带来的事故（156 例，占比53.7%）主要发生在服役20 a 前，远远低于60 a 设计寿命。

2）钢塑转换和套袖、焊接、法兰、丝扣等连接部位（漏气占比35.5%）由于设备材质质量、工程质量带来该部位在服役环境/力的长期耦合作用下早于管材老化失效，是PE 管网的安全服役关键薄弱部分。

3）PE 高分子链的非极性碳链结构决定了其强度低，易被施工机械外力损伤，导致漏气，漏气事故占比高（43.5%）。PE 分子链结构也决定了管材的耐高温性和阻燃性较弱，在电缆大电流、环境温度较高时，管材会发生烧、热熔，导致漏气。这些外界突发作用带来的管道损伤程度大，会带来重大安全、经济损失的恶劣事故。