聚乙烯(PE)燃气管道运用与前景

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1、聚乙烯（PE）燃气管道使用与前景一、燃气用埋地聚乙烯管道系统发展简史本世纪在管道领域发生了一场革命性的进步，即“以塑代钢”。随着高分子材料科学技术的飞跃进步，塑料管材开发利用的深化，生产工艺的持续改进，塑料管道淋漓尽致地展示其卓越性能。在今天，塑料管材已不再被人们误认为是金属管材的“廉价代用品”。在这场革命中，聚乙烯管道倍受青睐，日益发出夺目的光辉，广泛用于燃气输送、给水、排污、农业灌溉、矿山细颗粒固体输送，以及油田、化工和邮电通讯等领域，特别在燃气输送上得到了普遍的应用。1. 国外聚乙烯燃气管发展简史1933 年英国 ICI 公司首先发现了聚乙烯 （PE） 。发展至今，聚乙烯已是由多种工艺方

2、法生产的、具有多种结构和特性及多种用途的系列品种树脂，已占世界合成树脂产量的三分之一，居第一位。第二次世界大战时期，因为铜与钢材的短缺，国外开始研究在燃气输配等领域使用塑料管。燃气输配用塑料管的材料按应用的起始年代分别为：醋酸-丁酸纤维素（ 1949年美国），硬聚氯乙烯（ 1950年原西国），耐冲击聚氯乙烯（ 1952 年美国），环氧玻璃钢（ 1955 年美国），聚乙烯（ 1956 年美国），涤纶（ 1963 年意大利）和尼龙（ 1969 年澳大利亚）。随着时间的推移和对燃气工程运行经验的持续总结，人们逐渐理解到在应用塑料管时应考虑以下几个方面的因素：a. 经济性c. 耐环境应力开裂d. 耐腐

3、蚀和耐化学性e. 耐老化性f. 韧性g. 柔软、可挠性h. 耐久性i. 强度与温度的关系j. 长期静液压强度的大小经过顺序淘汰，到 60 年代后期，只剩下聚氯乙烯管和聚乙烯管。聚氯乙烯管虽然强度大，成本低廉，但与聚乙烯相比有如下缺点：a. 脆性，易产生断裂现象；b. 缺乏可挠性，不能盘卷等；c. 接触溶剂的可靠性差等。所以，采用聚氯乙烯管的数量大幅减少，而使用聚乙烯管显著上升。自 1956 年铺设第一条聚乙烯燃气管道以来，到 70 年代，在欧洲和北美，聚乙烯管道在燃气领域得到迅速的推广应用。聚乙烯管道在各国燃气管道上的广泛应用已成为管道领域最为引人注目的成就。这个方面是因为聚乙烯材料制作管道具

4、有非常独到的技术经济优势，另一方面是因为聚乙烯管道的原料性能，管材、管件制造工艺，连接方法，连接机具以及运行中的维修手段等在多年的实践中，已达到完善的配套系统。时至今日，在燃气领域，无论是对于新铺设或旧管道的修复和更新，聚乙烯管都是主要的选择之一。欧洲的PE燃气管道普及率极高，如英国、丹麦等国均超过90%，法国1998 年新敷设燃气管道几乎100%采用聚乙烯管道。早在1988年，在慕尼黑召开的国际煤联(IGU)配气委员会会议，委员们一致认为采用聚乙烯(PE)埋地燃气管道质量可靠，运行安全，维护简便，费用经济。这种共识显然是五十年来聚乙烯管道与其它管道反复比较、竞争后达成的。应该指出，这不但应归

5、功于 PE 管的优良的综合性能，而且缘于 PE 管道的原料性能，管材、管件制造工艺，连接方法，连接机具以及运行中的维修手段等在多年的实践中，持续取得革命性的进步。如对 PE管道性能影响最大的因素 之一的原料，随着聚合工艺的改进，八十年代水平PE管材原料与七十 年代水平相比较，即取得极大的进步。经过近半个世纪的持续发展，时至今日，聚乙烯管道已成为最成熟的塑料管道品种之一。自六十年代初，探索聚乙烯管道用于燃气输送以来，围绕聚乙烯管道系统的各个方面的研究和开发工作就一直未间断，且异常活跃。世界上很多国家聚乙烯树脂制造商、管材制造商、管件及管路附件制造商、管材挤出设备制造商、管道的施工和使用单位（如燃

6、气公司和自来水公司）、施工机具的制造商、产品认证机构、相关大学和科研机构均以极大的热情投入到这项工作中来。研究开发的广度、深度及速度，是其他类塑料管道所难与比拟的。聚乙烯管道系统的高度成熟突出表现在：（ 1）聚乙烯管材级原料持续发展，八十年代末第三代聚乙烯管材树脂（PE10O出现，使大口径管的使用也具有了优势。（ 2）严谨而科学的管道设计理念。对聚乙烯管材料长期使用性能的评价形成了系统科学的标准评价方法，从而在设计上保证了长期使用性能及使用的安全性。（ 3）高度成熟的制造设备和挤出工艺。（ 4）与管材同步发展，多品种配套的管件。（ 5）管道连接、施工和维护的成熟技术与设备。（ 6）丰富的研究成

7、果、大量成功的工程实践和系统完备的标准体系。从原料到工程施工，从产品要求到质量的控制方法，聚乙烯管道系统均具有完备的ISO标准。标准的高水平和系统化，标志了聚乙烯管道 发展的高度成熟。2. 国内聚乙烯燃气管发展简史我国是从 80 年代初期开始聚乙烯燃气管的研究工作, 最早使用聚乙烯管输送城镇燃气是1982 年在上海。为使聚乙烯燃气管研究工作受到重视并顺利实行，国家科委1987年把“聚乙烯燃气管专用料研制和加工应用技术开发”列为国家“七五”科技攻关项目，从专用原料一管材、 管件加工一工程应用一标准规范制定实行系统研究，取得丰硕成果。1995年，国家技术监督局、建设部分别颁发了PE燃气管材、管件的

8、国家标准和工程技术的行业规程。当前，PE燃气管正在国内迅速推广使用。在PE燃气管推动下，国内已基本掌握 PE工程管道的生产与使用 技术，引进了相当数量的国际一流生产线，形成了相当规模的生产水平。这对聚乙烯燃气管的发展奠定了坚实有力的基础。 99 年国内聚乙烯燃气管材产量已近1 万吨，并以20%的年增长率向前发展。二、聚乙烯燃气管原料特性及其发展聚乙烯管习惯上按照密度分为低密度及线型低密度聚乙烯（ LDPEM LLDPE管（密度为0.900-0.930g/cm3 ）,中密度聚乙烯（MDPE管（密度为0.930-0.940g/cm3 ）和高密度聚乙烯（HDPE管（密度为 0.940-0.965g/

9、cm3 ）。因为材料的持续进步，根据发展阶段和性能的不同，产生了材料的等级分化，密度不能反映聚乙烯作为管材的本质性能，所以当前国际上根据聚乙烯管的长期静液压强度（ MRS对管材 及其原料实行分类和命名。长期静液压强度是指连续施加在该聚乙烯树脂制管管壁上 50 年时引起管材破坏时所计算的在管壁上的环向张应力，该值是管材结构设计的基础。聚乙烯管的工程设计概念与金属管不同，对于金属管的设计，广泛的使用环境温度下的屈服强度系数。而聚乙烯管与金属管不同，它受持续应力及温度变化的影响，所以聚乙烯管的设计应力应根据长期强度来决定，即通过绘制恒温下应力与破坏时间的曲线来确定。根据聚乙烯管的长期静液压强度（ M

10、RS ,国 际上将聚乙烯管材料分为 PE32 PE4Q PE63 PE80和PE100五个等级。 当前国际上使用量最大的管材树脂的 MRS直为8.0MPa（PE80级），而 MRS直为10MPa（PE10（a）的管材树脂的已开发成功，这种树脂采用双 峰分布、己烯共聚技术，在提升长期静液压强度的同时，也提升了耐慢速裂纹增长和耐快速开裂扩展性能，并具有良好的加工性，为提升管网输送压力、增大管道口径、扩大管道应用范围创造了条件。当前PE100的管材使用量，特别是在大口径管材上的用量，正在迅速上升。表1列出了当前欧洲PE100级聚乙烯燃气管道实际使用压力。表1.欧洲PE10Oa聚乙烯燃气管道实际使用压

11、力国家英国比利时法国荷兰西班牙尺寸比 (SDR)1117.617.61111使用压力 (Mpa)0.70.50.40.80.7当前，国外正在尝试将SDR11的聚乙烯燃气管的使用压力提升到 1.0Mpa。三、聚乙烯燃气管材的特点聚乙烯燃气管道具有很多卓越的特性，如耐低温，韧性好，刚柔相济。因而在一些特殊用途中更是大显身手，因为在这些领域中，传统材料管子，不是不适用，就是费用大，而且还不能保证管道的安全使用。如钢管、铸铁管最大的问题是在使用期内，普遍发生的腐蚀和接头泄漏。聚乙烯管则具有明显的优点，圆满地解决了传统管道的腐蚀和接头泄漏两大难题。如作为室外线路管敷设在腐蚀性的土壤中，地震地区、山地和沼

12、泽地区；作为承插管插入旧管道中修复、更新旧管道。因为与众不同的施工特点，往往为用户带来巨大的经济效益。如美国资料报导，聚乙烯管安装费用低于钢管道安装费用50%，而穿插法又比聚乙烯管直接埋地法节约30-40%。聚乙烯管的主要优点体现在：1. 耐腐蚀。聚乙烯为惰性材料，除少数强氧化剂外，可耐多种化学介质的侵蚀。无电化学腐蚀，不需要防腐层。2. 不泄漏。聚乙烯管道主要采用熔接连接(热熔连接或电熔连接)，本质上保证接口材质、结构与管体本身的同一性，实现了接头与管材的一体化。试验证实，其接口的抗拉强度及爆破强度均高于管材本体，可有效地抵抗内压力产生的环向应力及轴向的拉伸应力。所以与橡胶圈类接头或其他机械

13、接头相比，不存有因接头扭曲造成泄漏的危险。3. 高韧性。聚乙烯管是一种高韧性的管材，其断裂伸长率一般超过500%，对管基不均匀沉降的适合水平非常强。也是一种抗震性能优良的管道。在1995 年日本的神户地震中，聚乙烯燃气管和供水管是唯一幸免的管道系统。正因为如此，日本震后大力推广PE管在燃气领域的使用。4. 聚乙烯管具有优良的挠性。聚乙烯的挠性是一个重要的性质，它极大地增强了该材料对于管线工程的价值。聚乙烯的挠性使聚乙烯管能够实行盘卷，并以较长的长度供应，不需要各种连接管件。用于不开槽施工，聚乙烯管道的走向容易依照施工方法的要求实行改变；聚乙烯材料的挠性，使其可在施工前改变管材的形状，插入旧管后

14、恢复原来的大小和尺寸。5. 聚乙烯管道具有良好的抵抗刮痕水平。采用不开槽施工技术，无论是铺设新管或旧管道的修复或更新，刮痕是无法避免的。刮痕造成材料的应力集中，引发管道的破坏。管材抵抗刮痕的水平，与管材的慢速裂纹增长（SCG行为关系密切，研究证明，PE80等级的聚乙烯管具有 较好的抵抗SCG勺水平和耐舌I痕水平。PE10睬乙烯管材料则具有更加 出色的抵抗刮痕水平。6. 良好的快速裂纹传递抵抗水平。管道的快速开裂是指在管道偶然发生开裂时，裂纹以几百m/秒的速度迅速增长，瞬间造成几十 m甚至上 千m管道破坏的大事故。快速开裂是一种偶发事故，但其后果是灾难 性的。早在五十年代，美国输气钢管曾发生几起

15、快速开裂事故。聚氯乙烯气管和水管均曾发生过快速开裂事故。实际使用中尚未发现聚乙烯燃气管的快速开裂。因而近10年来，国际上对塑料管道，特别聚乙烯燃气管的快速裂纹传递实行了大量卓有成效的研究工作。结果表明，在常用的塑料管材中，聚乙烯抵抗裂纹快速传递的水平名列前茅。如UPVC勺动态断裂韧性 KD为 1.8MNm-3/2, PP-R的 KD为 1.6MNm-3/2,而 PE80的 KD则为 2.9MNm-3/2, PE100的 KD则高达 3.8MNm-3/2。温度 越低，管径和壁厚越大，工作压力越高，塑料管道快速开裂的危险性越大。所以，聚乙烯管道，特别是 PE100 管更适宜做大口径管。当前，国外的

16、聚乙烯燃气管材标准（ISO4437-1997和EN1555已将耐快速开 裂扩展（RCP列入标准之中。7. 聚乙烯管道使用寿命长，可达50 年以上，这是国外根据聚乙烯管材环向抗拉强度的长期静水压设计基础值(HDB溯定的，已被国际标准确认。此外，聚乙烯管道重量轻也是一重要因素。四、聚乙烯燃气管道系统的设计(一)、聚乙烯燃气管道强度计算做为工程管道，应有两个重要的指标，即长期使用性能及使用的安全性。当代聚乙烯管道的生产者完全能够提供真正称之为工程塑料的管材和管件，是缘于两个极为有力的后盾。一个是原材料供应者的高度先进技术的支持；一个是科学而严谨的设计思想。在当代高分子材料科学技术进步支持下，聚乙烯管

17、材树脂的合成技术和性能持续取得进展，管材长期使用性能日益提升，如 1989 年分子量分布呈双峰型的PE100a管材树脂的出现，将聚乙烯管材料推到了一个崭新的高度。同时，对聚乙烯管材料长期使用性能的评价形成了系统科学的标准评价方法，即对管材树脂最低要求的静液压强度一一MRS勺测量。所谓MRS是指连续施加在该聚乙烯树脂制管管壁上 50 年时引起管材破坏时所计算的在管壁上的环向张应力。该值是管材结构设计的基础。聚乙烯管材结构设计的ISO方程：(SDR=de/e) 公式( 1 )P 公称压力 (MPa)5设计应力(MPa)SDR 标准尺寸比de 管公称外径e 管公称规定壁厚管材设计应力的求取：公式（

18、2）设计系数 （C） ：保证管道满负载运行时还有一定的安全度。（二）、我国聚乙烯燃气管道工程技术规程设计系数我国聚乙烯燃气管道工程技术规程是根据PE80级管材来考虑，对不同种类燃气的设计系数做出如下规定：表 2. 不同种类燃气的设计系数燃气种类SDR11SDR17.6天然气 48液化石油气（气态） 16/不含冷凝液的气态液化石油气5.33/人工煤气 320/不含冷凝液的人工煤气8/根据以上设计系数，在我国聚乙烯管道输送不同种类燃气的最大允许工作压力如下：表 3. 不同种类燃气的最大允许工作压力燃气种类最大允许工作压力（Mpa）SDR11SDR17.6天然气 0.40.2液化石油气（气态） 0.

19、1/不含冷凝液的气态液化石油气0.3/人工煤气 0.005/不含冷凝液的人工煤气0.2/我国燃气管道的施工技术规程的编制说明中也明确：我国允许使用压力时按工作温度20C,使用寿命50年，管道环向应力为8.0Mpa （长期静液压强度），安全系数不小于 4 等 4 个条件来确定的。在安全性能得到保证的情况下，改变以上条件中的任意一个，最大允许工作压力能够提升，也就是，经过充分论证，设计系数能够调整。五、聚乙烯管材、管件的生产、型号规格及种类（一）、聚乙烯管材的生产及型号规格聚乙烯管材的生产在挤出生产线上实行，当前国内几个主要生产厂家都选用进口生产线，基本上实现了全自动控制，能够自动上料、自动计量进

20、料、自动切割和卷曲，产品质量更加稳定，生产效率明显提升。聚乙烯燃气管材国标当前分为 SDR1体口 SDR17.6两个系列，管材的颜色有两种，一种为黄色管，一种是黑管加黄条。规格从 20mnr250mm 当前国内已应用的最大规格到 4）400mm最新发布的ISO标准和欧洲标 准已将管材的公称外径扩大到 630mm管材的规格及尺寸偏差见下表：表 4 聚乙烯管材的规格尺寸表单位： mm公称外径De壁厚e备注基本尺寸允许偏差 SDR17.6SDR11基本尺寸允许偏差基本尺寸允许偏差20+0.302.3+0.403.0+0.4025+0.3032+0.302.3+0.403.0+0.40*40+0.40

21、2.3+0.403.7+0.50*50+0.402.9+0.404.6+0.60*63+0.403.6+0.505.8+0.70*75+0.504.3+0.690+0.605.2+0.708.2+1.00*110+0.606.3+0.8010.0+1.10*125+0.607.1+0.9011.4+1.30140+0.908.0+0.9012.7+1.401608.02 短期静液压强度，MPa20 9.0韧性破坏时间（h） 10080 4.6脆性破坏时间（h） 1654.0破坏时间（ h） 10002）3 热稳定性，min（ 200） 204 耐应力开裂， h（80C, 4.0MPa） 100

22、0 1703）5 压缩复原， h（80， 4.0MPa） 1706纵向回缩率， （110C） 3508耐候性（管材累计接受A 3.5kMJ/m2老化能量后）仍能满足本表第 2、3、 7 项性能要求，并保持良好的焊接性能燃气管道作为城市的能源输送系统一旦出现质量问题，会直接影响到居民的正常生活。再者，因为燃气的可燃性、易爆性，如果发生燃气泄露，极易发生爆炸事故。聚乙烯管材取代钢管、铸铁管，作为城市燃气输配管线，同样要求其安全性。要保证产品质量满足标准要求，就必须具有完善的检测手段。而且产品的质量控制从原料进厂检验开始贯穿于整个生产过程，直至产品最终出厂。质量控制主要从以下几个方面实行：1 原料的

23、质量控制原料是生产聚乙烯管材、管件的根本，原料的选择直接影响管道产品的质量。没有好的原料，后续工作再合理，生产技术再先进，也生产不出合格的产品。所以原料的选择及质量控制十分重要。原料在生产前必须按标准要求实行检验，合格以后方可用于生产。聚乙烯原料性能指标见下表：表 7.PE 燃气管材专用料基本技术指标要求序号项目Items 技术要求TypicalValue 单位Units1 密度Density 930kg/m32 断裂伸长率ElongationatBreak500%3 热稳定性（200）OxidationInductionTime（ 200）20min4 耐环境应力开裂（ F50）Enviro

24、nmentalStresscrackResistance 1000h5 炭黑含量 1）CarbonBlackContent2.25 0.25%6 水分含量WaterContent300mg/kg7 挥发份含量VolatileContent63 , 一般采用钢塑法兰连接。（ 1）钢塑过渡接头钢塑过渡接头的PE管端与PE管道连接按热熔和电熔连接方法处理。钢塑过渡接头钢管端与金属管道连接应符合相对应的钢管焊接、法兰连接以及机械连接的规定。钢塑过渡接头钢管端与钢管焊接时，应采取降温措施。（ 2）钢塑法兰连接PE管端与相对应的塑料法兰连接，按热熔和电熔连接方法处理。钢管端与金属法兰连接，应符合相对应的钢

25、管焊接、法兰连接以及机械连接的规定。将金属法兰和塑料法兰活套形式连接。活套法兰片应防腐处理以提升使用寿命。（二）燃气用聚乙烯管路的施工应注意的问题：燃气用聚乙烯管道施工需遵守中华人民共和国行业标准聚乙稀燃气管道工程技术规程（CJJ63 95）的相关规定。1 保证设计的埋深聚乙烯燃气管道严禁用作室内地上管道, 只作埋地管道使用。将聚乙烯管道埋设在土壤中，除应遵守一般燃气管道敷设的基本要求外，还应遵循聚乙烯管敷设的特殊要求。因为聚乙烯管较金属管的强度低，所以一定要注意埋深，这涉及到管道承受的外荷载问题。聚乙烯燃气管道的最小管顶覆土厚度应符合如下规定：埋设在车行道下时, 不应小于 0.8m；埋设在非

26、车行道下时，不应小于 0.6m;埋设在水田下时, 不应小于 0.8m;当采取有效的防护措施后 , 上述规定可适当降低。2 管材敷设允许的弯曲半径 聚乙烯管柔性好，所以很容易使其弯曲，但弯曲后的管道内侧将产生压应力，外侧将产生拉应力。当材料形变超过一定限度时，会因蠕变发生破坏。聚乙烯燃气管道敷设时，应符合下列规定：表 11. 聚乙烯管材敷设允许的弯曲半径管道公称外径D (mm允许的弯曲半径R (mmDK 5050DC 160160DC 25030D50D75D注：管段上有承插接头时，允许的弯曲半径R 不应小于 125D3 . 蛇行敷设因为聚乙烯管的线膨胀系数比金属管高十余倍，所以对温度的变化比较敏感。为避免产生拉应力，聚乙烯应采取蛇行敷设。4 特殊地段的敷设特殊地段系指穿越铁路、河流、桥梁、重要道路等地段。因为聚乙烯管相对钢管来说较易遭受人为破坏，原则上在这些地段不宜使用聚乙烯管，若一定使用聚乙烯管材，则应增加套管或采取其它防护措施。止匕外，PE管道不得从建筑物和大型构筑物的下面穿越；不得在堆积易燃、易爆材料和具有腐蚀性液体的场地下面穿越; 不得与其他管道或电缆同沟敷设。PE燃气管道不宜直接引入建筑物内或直接引入附属在建 筑物墙上的调压箱内，当直接用PE燃气管道引入时，穿越基础或外墙以 及地上部分的PE燃气管道必须采取硬质套管保护。聚乙烯（PE）燃气管道使用与前景