聚乙烯燃气管道基于失效分析的全面检验技术探讨

陈 晨，张 伟，雷玉兰

(江苏省特种设备安全监督检验研究院镇江分院，江苏 镇江 212000)

城镇燃气管网被誉为城市的生命线，它在维系城市功能中有着至关重要的作用。聚乙烯(Polyethylene，以下简称PE)管凭借其优良的耐腐蚀性、可熔接性、柔韧性、环保性等特点[1]，已逐渐代替钢管和铸铁管被广泛应用于燃气管道工程中，“以塑代钢”已成为管道领域的主流。国内从20世纪 80年代初开始使用PE管，目前在新建、改扩建的燃气管道工程中，所用管材70%以上为PE管[2]，且在今后的燃气管网建设中，PE管所占的比重会更大。随着服役年限的增加、应用范围的加大，PE燃气管道暴露出的安全问题愈加突出。近年来，国内外PE燃气管道发生多次事故[3]。由于PE燃气管道的敷设地段多为人口集中地带、道路网密布区及各种建筑密集区，一旦发生泄漏、爆炸等安全事故，将直接影响当地人民的生命和财产安全，造成巨大的经济损失和环境污染，后果相当严重。

作为特种设备检验检测机构，必须加强对PE燃气管道的全面检验工作，定期进行安全隐患排查。目前，PE燃气管道的全面检验参照TSG D7004-2010《压力管道定期检验规则-公用管道》，但标准中对PE管的检验只有附录B1.6.2条百余字的基本要求[4]，现场检验实施比较困难。本文立足我省的实际情况，分析PE燃气管道的失效原因及模式，探讨全面检验技术并提出相关建议，对提高全面检验质量有一定的现实意义。

1 PE燃气管道的失效分析

1.1 主要失效原因

笔者开展了江苏省内的燃气公司PE管道失效事故调研，共调研了5家公司，收集130余起失效案例，具体失效原因如图1所示。其中第三方破坏81起，焊接质量38起，管材质量12起，钢塑转换3起，垫片失效2起，埋深不够1起。可见省内PE燃气管道的主要失效原因为第三方破坏(59%)、焊接质量(28%)及管材质量(9%)。本文就这三种主要的失效原因展开分析。

图1 PE燃气管道失效原因统计

1.2 第三方破坏

管道第三方破坏是指由于运营承包商或非运营者的个人行为，导致管道及相关的设备、工具等遭到直接或间接损毁的外力破坏行为[5]。PE燃气管道第三方破坏事故频发的原因主要有以下几点：

(1)地面标识缺失导致管道遭到破坏。管道建设期没有按照标准规范来设置地面标识，造成地面标识不明或缺失，或者在管道服役期由于各种原因造成原本的地面标识缺失。

(2)建设施工方盲目施工造成破坏。我省近年来城镇化率不断提高，城镇基础建设远远不能满足当前的使用需求，在各种城镇基础设施改造过程中，施工方在改造前没有对管道进行实地探测，盲目开挖，造成破坏。

(3)企业日常巡检工作不到位。管道的日常巡检工作对避免第三方破坏事故十分重要，而由于企业不重视、管网信息不通畅、监测技术缺乏等因素造成巡检工作流于形式，没有发挥其关键作用。

1.3 焊接质量

为保证PE燃气管道的连接质量，标准明确规定：PE管材与管件、阀门的连接应采用热熔对接或电熔连接(电熔承插连接、电熔鞍形连接)方式[6]。焊接质量引起失效主要是指在焊接接头处发生的失效，即未熔合、夹渣、气孔、咬边、电熔管件质量缺陷等[7]。焊接质量缺陷及原因主要有但不限于以下几个：

(1)对接压力不足或过大、加热温度过低、焊机油压卸压慢造成对接两管的错边量过大、焊环高度过低、连接面出现孔洞。

(2)焊接吸热或冷却时间过短、焊接环境温度过低或转换时间过长造成焊缝缺口、中心不凹、中空翻边。

(3)加热板或熔接断面被污染造成焊缝裂纹缺陷。

(4)管材端部吸潮造成翻边上有“芝麻”点气孔。

(5)装夹管材时未能保证同轴度或管材外径有偏差造成对接两管轴线不在同一条直线上。

1.4 管材质量

PE管在静液压作用下主要有三种失效模式：韧性失效、脆性失效及老化失效。韧性失效是由于蠕变引起的破坏，这种失效模式属于材料力学范畴。具体表现为PE管在恒压力下，随着时间的增加，管壁由弹性状态逐渐演变到塑性变形状态，直到全部屈服鼓胀，最终爆破。发生韧性失效的原因主要是压力过高或载荷过大。

脆性失效是由快速裂纹增长引起的破坏，这种失效属于断裂力学范畴。具体表现为管壁上产生脆性裂纹后，裂纹按每秒几百米的速度扩展，导致管道大规模破坏，造成灾难性后果。随着服役时间的增加，PE管道的失效模式将由韧性失效向脆性失效转变，即韧脆转化[8]。韧脆转化可能导致管道承受内压能力大大降低，从而给PE管的应用和质量控制增加不少难度[9]。发生脆性失效的原因主要是管道在制造、运输、安装和使用过程中可能存在的缺陷或划痕等构成了脆性裂纹源而导致失效。

老化失效是由于材料本身性能或高温、腐蚀等外部环境的影响造成PE管材料发生材质劣化，丧失正常的使用性能。发生老化失效的原因主要有PE管原材料性能、燃气的有机组分对管材内壁的长期腐蚀破坏、周围的热力管道的热量辐射等。

2 基于失效分析的全面检验技术

2.1 针对第三方破坏的全面检验技术

由于第三方破坏在事故调研中占比最大，所以在全面检验过程中应当给予足够的重视。主要的检验技术有：

(1)管道位置与埋深检测。正确定位PE管道位置和埋深可以有效避免第三方破坏。对于示踪线(带)电连续性能完好的，利用信号源井、阀门井或测试桩，可采用金属管线探测仪进行检测，检测结果比较准确。对于金属示踪线(带)已损坏、未敷设或没有预留出露点的管道可以采用地质雷达探测法、管道声学定位探测法、主动声源探测法等方法进行检测，但检测结果受地质状况、埋深等因素影响较大，不是很理想。目前比较主流的检测设备见表1[10]。

表1 PE管道定位检测设备

(2)现场管道地面标识确认。现场巡检过程中，着重注意沿线的管道地面标识是否按照CJJ63-2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》及CJJ/T153-2010《城镇燃气标志标准》设置，确保地面标识齐全且符合要求。

2.2 针对焊接质量的全面检验技术

焊接质量不佳会导致密封不严、燃气泄漏，甚至引起爆炸，给周围人民生命和财产安全带来重大威胁，主要的检验技术有：

(1)燃气泄漏检测最实用的方法是嗅敏仪法和基于声波的泄漏定位技术。主要检测设备有燃气泄漏定位检测仪、激光甲烷遥距检测仪等。主要针对管网的阀门井、调压装置、管道沿线可能扩散到的建筑物进行检测。

(2)开挖直接检验过程中，对焊接接头质量进行宏观检查，当热熔接头外观检查不合格时，需对其进行翻边切除检查。必要时，对焊接接头采用超声相控阵动态聚焦并结合B扫查成像技术和耦合聚焦超声技术进行检测，并对缺陷大小进行定位[11]。

2.3 针对管材质量的全面检验技术

PE管由于质量问题发生断裂或老化都会严重影响管道的正常运行。主要的检验技术有：

(1)资料审查结合现场巡检，检查管道与其他建(构)筑物或者热力管道的净距和骑压状况。尤其是与热力管道等热源相邻敷设时，测量管道地下敷设环境温度。

(2)开挖直接检验过程中，检查管道表面有无鼓胀、气泡、槽痕或凹痕等缺陷，管道有无老化降解(如表面粉化)等迹象。另外，采用超声波测厚方法在管体上进行壁厚测量。

(3)必要时进行管体性能试验。管体性能试验项目主要有静液压强度、断裂伸长率、氧化诱导时间、熔体质量流动速率等。

3 几点建议

3.1 首次全面检验时间

TSG D7004-2010规定PE管道首次全面时间不超过15年，笔者认为这个时间有待考量。首次全面检验的目的主要是对管道本质安全和与时间无关部分的风险源进行排查，越早进行越能有效减缓风险。在实际检验中，综合考虑管道周边设施环境和管道设计条件，一般将首次全面检验时间定为3-6年。

3.2 开挖比例及开挖点选择

TSG D7004-2010对PE管道开挖点位置选择的规定过于笼统，对开挖检验的比例规定“一刀切”(0.3处/km)，在实际检验过程中可操作性不高。笔者认为开挖比例和开挖点的选择需要检验人员结合危害源识别结果和现场实际环境来确定。在扬州某公司PE燃气管道全面检验项目中，开挖比例的确定原则具体见表2。

表2 开挖比例的确定原则

续表2

3.3 管道综合评级

TSG D7004-2010中PE管道的全面检验周期不超过15年，笔者认为这个规定过于笼统且缺乏可操作性。结合多年的检验经验，笔者认为可以根据风险评估等级和管道性能等级综合评定管道级别。具体评级见表3。

表3 PE管道综合评级表

4 结 论

(1)本文立足我省的实际情况，通过省内调研分析了PE燃气管道主要的失效原因及模式，有利于针对性开展管道全面检验。

(2)结合多年的检验经验，基于对我省PE燃气管道的失效分析，探讨全面检验相关技术，进一步提升全面检验质量。

(3)对PE燃气管道全面检验的过程提出几点建议，希望与同行共同探讨，为推动特检事业高质量发展共同努力。

(4)建议江苏省相关机构立足省内实际情况，制定适用性较强、操作性较高的PE管道相关检验规则，规范检验工作，优化检验策略，使PE管道的运行管理更加合理化、科学化。