浅论PE管在城镇燃气压力管道中的应用
陈鹏飞
（合肥燃气集团有限公司 安徽合肥 230075）
摘要 聚乙烯燃气管道在GB1、GC2类压力管道上已运用多年，因为聚乙烯材料性能稳定，寿命长，埋地敷设无须防腐，内壁光滑阻力小，小口径PE管性价比高等特点，其使用领域和规模不断扩大。本文着重介绍了聚乙烯燃气管道在压力管道中的应用情况,分析其与金属管道在压力管道设计、施工、质量验收上不同之处。
关键词 聚乙烯管道；压力管道
聚乙烯燃气管道简称PE管，自1956年美国在燃气输配领域引入PE管,至今已经有50多年了。我国自上世纪80年代起也开始在城镇燃气埋地管道中使用聚乙烯管道，历经30年发展在聚乙烯管道从原料到工程施工，从产品要求到质量的控制方法，都已高度成熟。
聚乙烯燃气管道根据密度可分为低密度聚乙烯（LDPE）管，中密度聚乙烯（MDPE）管和高密度聚乙烯（HDPE）管；根据聚乙烯管的长期静液压强度（MRS），分为PE32、PE40、PE63、PE80和PE100五个等级，目前国内燃气管道较常使用的PE80（MRS值为8.0 MPa）、PE100（MRS值为10.0 MPa）的PE管；按标准尺寸比（管的平均外径与最小壁厚之间的比值，SDR=dn/en）主要分为SDR11、SDR17.6两个规格。
由于聚乙烯材料具有性能稳定，寿命长，埋地敷设无须防腐，内壁光滑阻力小，小口径PE管性价比优于钢质管道等优势，目前聚乙烯管道无论在城镇燃气管网还是小区庭院管网或者工商企业管网中均大量被使用，主要应用的领域包含GB1类城镇燃气管道、GC2类工业管道中的部分燃气管道。
目前聚乙烯燃气管道的设计、施工及验收主要参见《聚乙烯燃气管道工程技术规程》（CJJ63-2008）（以下简称《规程》）,《城镇燃气设计规范》（GB50028-2006）（以下简称《燃规》），聚乙烯管道在施工、验收、设计上与金属管道有很大的不同，对于与金属管道相近的部分这里不再赘述。以下主要介绍与其不同的几个方面:
1 聚乙烯燃气管道强度计算
聚乙烯燃气管道强度计算与金属管道有很大同，对于金属管的设计，广泛的是在设计温度下材料的许用应力（MPa）作为主要参数进行设计。而聚乙烯管与金属管不同，它的寿命主要受持续应力及温度变化的影响，聚乙烯管的设计应力根据长期强度来决定，即聚乙烯树脂最低要求的静液压强度──MRS。常用的MRS参数为连续施加在该聚乙烯树脂制管管壁上20℃、50年时引起管材破坏时所计算的在管壁上的环向张应力。该值是聚乙烯管材结构设计的基础。
为了将“50年使用寿命”付诸实际，对于加工管件的材料进行了分级，只要选用的材料符合设计要求，即可达到长期使用性能。
根据试验测定σLPL值，可获得MRS值，其值的10倍定义为材料的分级值，分别为PE100，PE80，PE63，PE40，PE32等，见表1。
表1 PE管材料的等级命名
σLPL范围/MPa 10.00-11.19 8.00-9.99 6.30-7.99 4.00-4.99 3.15-3.99 ［3］
MRS（50年、20℃）/MPa 10 8 6.3 4 3.2 材料的命名 PE100 PE80 PE63 PE40 PE32 根据ISO/TS10839规定：PE系统的最大工作压力（MOP）取决于使用的树脂的类型
（MRS），管材SDR系列和使用条件，并受总体使用设计系数(安全系数) C和RCP标准的限制。
MOP应用下式进行计算：
MOP?2?MRS
C?(SDR?1)?DF式中：MOP - 最大工作压力，单位MPa；
MRS - 最小要求强度，单位MPa； SDR - 标准尺寸比；
C - 总体使用设计系数(安全系数).热塑性材料的总体使用（设计）系
数C规定在ISO12162中，这个系数用于计算管道的MOP。对于输送天然气的PE管道系统，C应大于或等于2。
DF - 计算MOP时，考虑了工作温度的影响的折减系数。见表2
表2 温度折减系数
平均温度 10℃ 20℃ 30℃ 40℃ 注：对于中间温度，允许使用内插法
折减系数DF 0.9 1.0 1.1 1.3 由于实际工程中主要由于城镇燃气管道的运行压力级别比较统一，而聚乙烯燃气管道
的规格也比较简单，《规程》中直接规定聚乙烯管道输送天然气、液化石油气和人工煤气时，其设计压力应不大于管道最大允许工作压力，最大允许工作压力应符合表3的规定：
［2］
表3 聚乙烯管道的最大允许工作压力（MPa）
PE80 城镇燃气种类 SDR11 天然气 液化石油气 混空气 0.50 0.40 SDR17.6 0.30 0.20 SDR11 0.70 0.50 SDR17.6 0.40 0.30 PE100
气态 干气 人工煤气 其它 0.20 0.40 0.20 0.1 0.10 0.20 0.30 0.30 0.50 0.20 0.20 0.30 但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工作压力的折减系数进行折减，折减系数应符合表4的规定。
表4 工作温度对管道工作压力的折减系数
工作温度 折减系数 -20℃≤t ≤20℃ 1.0 20℃＜t ≤30℃ 0.9 30℃＜t ≤40℃ 0.76 注：表中的工作温度是指管道工作环境最高月平均温度
虽然规范规定PE100 SDR11的燃气管道最高使用压力为0.7MPa,但实际上目前聚乙烯燃气管道主要应用于工作压力不大于0.4 MPa的城镇中、低压燃气管道，在次高压管道中应用较少。
2 聚乙烯燃气管道的连接和检验
聚乙烯管道连接原理是聚乙烯在一定的温度范围内被熔化，待接口处管材（或管件）熔化的部分充分接触，并保持有适当的压力，冷却后便可牢固地融为一体。由于聚乙烯管道材料对加热温度、接触时间要求很高，聚乙烯管材、管件的连接，必须根据不同连接形式选用专用的连接机具。
在早期《规程》中规定聚乙烯燃气管道的连接方式应采用电熔连接（电熔承插连接、电熔鞍形连接）或热熔连接（热熔承插连接、热熔对接连接、热熔鞍形连接）等。
现行《规程》出于安全性和可操作性取消了热熔对接连接、热熔鞍形连接的连接方式： (1)聚乙烯管材、管件的连接应采用热熔对接连接或电熔连接（电熔承插连接、电熔鞍型连接）；聚乙烯管道与金属管道或金属附件连接，应采用法兰连接或钢塑转换接头连接，采用法兰连接宜设置检查井；
(2)不同级别、熔体质量流动速率差值不小于0.5g/10min（190℃，5kg）的聚乙烯原料制造的管材、管件和管道附件，以及焊接端部标准尺寸比（SDR）不同的聚乙烯燃气管道连接时，必须采用电熔连接；
(3)公称直径小于90mm的聚乙烯管道宜采用电熔连接。
早期聚乙烯管道质量验收没有很好的评价和检测方法，施工技术也不够完善，这也在相当长的一段时间里限制了聚乙烯管道在燃气管道上的应用。经过长期积累的经验，已经总结完善了聚乙烯管道焊接工艺评定检验与试验方法，尤其是《规程》的颁布和实施，极大了促进聚乙烯燃气管道的推广应用。
热熔对接连接的主要实验评价方法是连接完成后，应对接头进行100%的翻边对称性、接头对正性检验和不少于10%翻边切除检验，具体做法可以查看《规程》第5章的内容。
3 聚乙烯燃气管道的敷设
聚乙烯燃气管道与金属钢管相比敷设差别也很大:
3.1 与金属管道敷设基本不受环境影响不同，由于聚乙烯管道机械强度较低，明管使用容易受碰撞破损，同时受大气中紫外线与氧气的影响，会加速老化。因此作为易燃易爆的燃气的输送管道，不能使用聚乙烯管道作地上管道，一般只能用于埋地使用；
3.2 聚乙烯管道具有柔性好，易于弯曲，线膨胀系数大等特点，聚乙烯管道宜蜿蜒状敷设，并可随地形弯曲敷设；聚乙烯管道敷设时，管道最低允许弯曲半径为25倍公称直径、当弯曲管段上有承口管件时，管道最低允许弯曲半径为25倍公称直径，远低于一般钢管所需的1500倍弯曲半径；
3.3 聚乙烯管道是绝缘体，因此常规的电磁法无法探测到管道的位置和深度，为了管道测位方便，精确地描绘出聚乙烯燃气管道的走向所以需要在埋设燃气管道的位置埋设示踪线。目前国际上常用的示踪线有两种，一种是裸露金属线，另一种是带有塑料绝缘层的金属导线，它们的工作原理均是通过电流脉冲感应，探测系统进行检测；
3.4 聚乙烯燃气管道硬度较金属管道软，所以聚乙烯燃气管道的管基应为平整密实无尖硬土石和无盐类的原土层，否则应铺垫细沙或细土，管道两侧及管顶以上 0.5m内的回填土，不得含有碎石、砖块、垃圾等杂物，下管时要防止划伤聚乙烯管道。
4 结论
4.1 聚乙烯管道在设计、施工及质量验收中与金属管道的主要区别和不同。具体工程中应区别加以对待。
4.2 聚乙烯管道在城镇燃气管道设计、施工中的规范规程比较成熟，也有着很好的实践经验。大规模使用的聚乙烯管道在实际工程中产生了巨大的社会与经济效益。
4.3 但目前在工业燃气管道中聚乙烯管道中还是缺乏一定的规范和技术支撑，只能套用《规程》及《燃范》，工业管道适用的规范规程中依然以金属管道作为主要的介质输送方法，这一问题还有待在未来将聚乙烯燃气管道纳入到工业管道的规范体系中予以解决。
4.4 期望未来工业用压力管道在经过比较分析论证后，适当引入包括聚乙烯燃气管道在内的塑料或各种复合材质材料管道,使到达节约工程成本、提高工程质量、延长工程寿命的目标。
参考文献
［1］中华人民共和国建设部.城镇燃气设计规范(50028-2006)［M］北京 2006
［2］中华人民共和国建设部. 聚乙烯燃气管道工程技术规程(CJJ63-2008)［M］北京 2008
［3］国际标准化组织 燃气输送用聚乙烯管材和管件设计、搬运和安装ISO/TS10839-2000［M］2000
作者简介:陈鹏飞，男，1981.5.23生，长期从事燃气输配系统规划、设计工作。