聚乙烯(PE)燃气管道的应用与发展

2020-12-09

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,生产工艺的不断改进,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,由于铜与钢材的短缺,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不断总结,人们逐渐认识到在应用塑料管时应考虑以下几个方面的因素:

a.经济性

b.接口稳定、严密性

c.耐环境应力开裂

d.耐腐蚀和耐化学性

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。

因此,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。这一方面是由于聚乙烯材料制作管道具有非常独到的技术经济优势,另一方面是由于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,这不仅应归功于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,不断取得革命性的进步。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。 经过近半个世纪的不断发展,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(如燃气公司和自来水公司)、施工机具的制造商、产品认证机构、有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) 聚乙烯管材级原料不断发展,八十年代末第三代聚乙烯管材树脂(PE100)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进行,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─管材、管件加工─工程应用─标准规范制定进行系统研究,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、管件的国家标准和工程技术的行业规程。目前,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能力。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(LDPE及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/cm3)。由于材料的不断进步,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,因此目前国际上根据聚乙烯管的长期静液压强度(MRS)对管材及其原料进行分类和命名。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,因此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(MRS),国际上将聚乙烯管材料分为PE32、PE40、PE63、PE80和PE100五个等级。目前国际上使用量最大的管材树脂的MRS值为8.0MPa(PE80级),而MRS值为10MPa(PE100级)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,在提高长期静液压强度的同时,也提高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,为提高管网输送压力、增大管道口径、扩大管道应用范围创造了条件。目前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列出了目前欧洲PE100级聚乙烯燃气管道实际使用压力。

表1. 欧洲PE100级聚乙烯燃气管道实际使用压力

国家 英国 比利时 法国 荷兰 西班牙 尺寸比(SDR) 11 17.6 17.6 11 11 使用压力(Mpa) 0.7 0.5 0.4 0.8 0.7

目前,国外正在尝试将SDR11的聚乙烯燃气管的使用压力提高到1.0Mpa。

三、 聚乙烯燃气管材的特点

聚乙烯燃气管道具有许多卓越的特性,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、山地和沼泽地区;作为承插管插入旧管道中修复、更新旧管道。由于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。因此与橡胶圈类接头或其他机械接头相比,不存在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应能力非常强。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可以进行盘卷,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进行改变;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能力。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。管材抵抗刮痕的能力,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的能力和耐刮痕能力。PE100聚乙烯管材料则具有更加出色的抵抗刮痕能力。

6. 良好的快速裂纹传递抵抗能力。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进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能力名列前茅。如UPVC的动态断裂韧性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。因此,聚乙烯管道,特别是PE100管更适宜做大口径管。目前,国外的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)确定的,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可以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,聚乙烯管材树脂的合成技术和性能不断取得进展,管材长期使用性能日益提高,如1989年分子量分布呈双峰型的PE100级管材树脂的出现,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──MRS的测量。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)

[δ] 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(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 SDR11 SDR17.6 天然气 4 8 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) SDR11 SDR17.6 天然气 0.4 0.2 液化石油气(气态) 0.1 / 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20℃,使用寿命50年,管道环向应力为8.0 Mpa(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,最大允许工作压力可以提高,也就是,经过充分论证,设计系数可以调整。

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进行,目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、自动计量进料、自动切割和卷曲,产品质量更加稳定,生产效率明显提高。聚乙烯燃气管材国标目前分为SDR11和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20mm~250mm;目前国内已应用的最大规格到ф400mm。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630 mm。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 SDR17.6 SDR11 基本尺寸 允许偏差 基本尺寸 允许偏差 20 <+0.3

0 2.3 +0.4

0 3.0 +0.4

0   25 +0.3

0 2.3 +0.4

0 3.0 +0.4

0   32 +0.3

0 2.3 +0.4

0 3.0 +0.4

0 * 40 +0.4

0 2.3 +0.4

0 3.7 +0.5

0 * 50 +0.4

0 2.9 <+0.4

0 4.6 <+0.6

0 * 63 +0.4

0 3.6 +0.5

0 5.8 +0.7

0 * 75 +0.5

0 4.3 +0.6

0 6.8 +0.8

0   90 +0.6

0 5.2 +0.7

0 8.2 +1.0

0 * 110 +0.6

0 6.3 +0.8

0 10.0 +1.1

0 * 125 +0.6

0 7.1 +0.9

0 11.4 +1.3

0   140 +0.9

0 8.0 +0.9

0 12.7 +1.4

0   160 <+1.0

0 9.1 +1.1

0 14.6 +1.6

0 * 180 +1.0

0 10.3 +1.2

0 16.4 +1.8

0   200 +1.2

0 11.4 +1.3

0 18.2 +2.0

0 * 225 +1.4

0 12.8 +1.4

0 20.5 +2.2

0   250 +1.5

0 14.2 +1.6

0 22.7 +2.4

0 * 315 +1.8

0 17.9 +1.9

0 28.7 +3.0

0 * 355 +2.0

0 20.2 +2.2

0 32.3 +3.4

0   400 +2.2

0 22.8 +2.4

0 36.4 +3.8

0
 

注:备注栏中带*号的为目前国内常用规格

(二)、聚乙烯管件的品种

聚乙烯管件根据施工方法、用途的不同,可分为电熔管件和热熔管件。根据生产方式的`不同,可分为注塑管件和焊制管件两大类。大部分管件都可以采用注塑模具一次成型,但对于一些壁厚、体积、重量都较大的管件,可采用管材焊制加工的方法制造。采用焊制方法生产的管件一般有三通、四通和弯头,公称尺寸范围随着管材扩大;采用注塑方法生产的热熔管件有法兰、变径、弯头、等径三通、异径三通和端帽;电熔管件也是采用注塑方法生产的,其种类有电熔套筒、电熔变径、电熔弯头、电熔三通、电熔鞍型三通、电熔鞍型分支和端帽等;目前,国内常用的管件规格见下表:

表5.聚乙烯管件规格型号单位:mm

管件名称 规 格 热熔管件 法兰头 32 40 50 63 75 90 110 125 160 200 225 250 315 三通 32 40 50 63 75 90 110 125 160         900弯头 32 40 50 63 75 90 110 125 160         端帽 32 40 50 63 75 90 110 125 160 200 225 250 315 变径 40/32,50/32,50/40,63/32,63/40,63/50,75/50,75/63,90/63,110/50,110/63,110/90,125/110,160/90,160/110,200/160,225/160,225/200,250/200,250/225,315/225,315/250 电熔管件 套筒 32 40 50 63 75 90 110 125 160 200 225 250 315 三通 32 40 50 63 75 90 110             900弯头 32 40 50 63 75 90 110             修补马鞍       63 75 90 110 125 160 200 225 250   变径 40/32,50/32,50/40,63/32,63/40,63/50,90/63, 110/63,110/90 鞍型三通 63/32,63/40,90/32,90/40,90/63,110/32,110/40,110/63,160/32,160/40,160/63,200,40,200/63,225/40,225/63,250/40,250/63 鞍型分支 125/63,160/63,200/63,200/90,250/63,250/90

六、 聚乙烯管材的性能指标及检测

目前我国对聚乙烯燃气管材按PE80级原料按照GB15558.1《燃气用聚乙烯管材》标准来生产,管材的性能指标见下表:


表6.聚乙烯燃气管材的性能指标 序号 项目 性能要求 1 长期静液压试验,MPa(20℃,50年,95%) ≥8.0 2 短期静液压强度,MPa 20℃ 9.0

韧性破坏时间(h)>100 80℃ 4.6

脆性破坏时间(h)>165 4.0

破坏时间(h)>10002) 3 热稳定性,min(200℃) >20 4 耐应力开裂,h

(80℃,4.0MPa) ≥1000 ≥1703) 5 压缩复原,h

(80℃,4.0MPa) >170 6 纵向回缩率,%(110℃) ≤3 7 断裂伸长率,% >350 8 耐候性(管材累计接受≥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,由于燃气的可燃性、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进行:

1. 原料的质量控制

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。因此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进行检验,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

Typical Value 单位

Units 1 密度

Density ≥930 kg/m3 2 断裂伸长率

Elongation at Break >500 % 3 热稳定性(200 ℃)

Oxidation Induction Time (200 ℃) >20 min 4 耐环境应力开裂(F50)

Environmental Stress crack Resistance ≥1000 h 5 炭黑含量1)

Carbon Black Content 2.25±0.25 % 6 水分含量

Water Content <300 mg/kg 7 挥发份含量

Volatile Content <350 mg/kg 8 耐气体组分

Resistance to Gas Constituents ≥30 h 9 长期静液压强度(MRS ) ≥8.0 MPa

2. 生产过程的工艺控制

生产过程的工艺控制非常重要,在生产时要注意对工艺参数的设置及对物料熔体温度、熔体压力的监控。因为如果生产过程出现剪切过度,会导致熔体温度的升高,过度的剪切会使材料性能劣化,而这种劣化采用常规的检测是很难发现的。目前国内一些引进的生产线已带有微机监测控制系统,出现问题会及时发出警报。对于管材的外观尺寸,一些先进的生产线带有在线测量仪,管材的外形尺寸,可在屏幕上直接显示,如与主机相连,可实现自动调整模具,自动控制壁厚和外径。

3. 产品的检验

产品的检验包括外观、尺寸及物理性能,产品的外观主要检查是否有影响管材性能的沟槽、划伤、凹陷和杂质等;尺寸需测量外径、壁厚和长度,测量值应在标准规定的允许偏差范围内。外观尺寸检测合格的管材在按照抽样规则取样,进行物理性能的测试。测试的项目有断裂伸长率、短期静液压强度(20℃,环向应力9.0Mpa,韧性破坏时间>100h;80℃,环向应力4.0Mpa,脆性破坏时间>165h)、热稳定性、耐应力开裂(80℃,环向应力4.0Mpa,破坏时间>170h)、压缩复原(80℃,环向应力4.0MPa,破坏时间>170h)和纵向回缩率(110℃)。以上性能试验与外观、尺寸等一起作为每批产品的出厂检验项目。

七、 聚乙烯燃气管道的配套产品

1. 警示带

为保护管道在日后运行中,不受到人为的意外破坏,应在管道的上方,距管顶不小于300mm处敷设一条警示带,警示带上应有醒目的提示字样。对警示带的基本要求是宽度100mm或150mm,颜色为金黄色,警示带应能抗击回填土的冲击、压迫及土壤中化学物质的腐蚀。该警示带应与管道一样,具有不低于50年的寿命。

2. 示踪线

由于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。为能采用常规方法进行探测,要求在敷设聚乙烯管的同时,敷设一条金属示踪线。对示踪线的基本要求是:示踪线要与聚乙烯管道在同一位置或有固定的相对位置;用常规仪器能探测到;寿命与聚乙烯管道相同,不低于50年。目前一般采用聚乙烯包覆金属丝(即电线),也有在警示带内夹放金属铝箔,将警示带与示踪线合二为一。

3. 聚乙烯(PE)球阀

聚乙烯(PE)球阀的工作压力可与SDR11的聚乙烯管材相匹配,其使用寿命与聚乙烯管材一样按50年进行设计。聚乙烯(PE)球阀与金属球阀相比,其优点见下表:


表8.聚乙烯(PE)球阀与金属球阀的比较

金属球阀 聚乙烯(PE)球阀 需要钢塑转换接头,法兰,螺栓螺母垫片等 直接热熔或电熔连接 需要防腐处理和定期检查 不需要 需要定期维护和备品备件 不需要 需要阀门井 不需要 阀门的操作对聚乙烯管施加很大的应力,长期作用会减少聚乙烯管的使用寿命 因聚乙烯阀门直埋于地下,对阀门所施加的力均匀传递给了土壤,对聚乙烯管寿命无影响。

聚乙烯阀门的开闭用专用扳手在地面上完成,不同规格的阀门只要用同一规格的专用扳手便可完成阀门的开闭。聚乙烯阀门的使用寿命为50年。阀门的工作压力可与SDR11的聚乙烯管相匹配。聚乙烯(PE)球阀从结构形式上分为两种——通径孔球阀和。通径孔球阀的通孔内径与相应管材的内径大小一致,而缩径孔球阀通孔内径比相应管材的内径要小。因此,从输气量上缩径孔球阀较通径孔球阀要小,但体积也较小,重量轻,价格也相对较低。两种球阀内孔直径的比较见下表:


表9. 缩径孔球阀较通径孔球阀内孔直径的比较 单位:mm

规格(SDR11) Φ63 Φ110 Φ160 Φ225 通径孔 47 92 132 169 缩径孔 34.3 64 92 121

4. 钢塑过渡接头

在聚乙烯管道系统中,当聚乙烯管道与金属管道系统连接时,常需使用钢塑过渡接头连接,这在聚乙烯燃气管道系统的应用中是经常见到的。如聚乙烯管道出地面进户前与流量表、压力表、减压阀等的连接。钢塑过渡接头一端为聚乙烯管材,另一端为钢管,两者靠丝扣锁紧,之间靠密封圈来密封,可保证结合处不泄露。

八、 HDPE管材及管件的运输、堆放、装卸

管材一般以卡车运输,运输时不得受到划伤、抛摔、剧烈的撞击、曝晒、雨淋、油污及化学品的污染。存储时,管材的两端应堵封,堆放在远离热源、油品及化学品污染地、温度不超过40℃、地面平整、通风良好的库房内;室外堆放应有遮盖物,避免雨淋及曝晒。管材应整齐堆放,高度一般不超过1.5米。当管材捆扎成1m×1m的方捆,并且两侧加支撑保护时,堆放高度可适当提高,但不宜超过3m。

管件应放入密封塑料袋中,批量或单一包装,并放入厚纸箱内存放。

管材可以使用吊网、叉车或非金属吊索装卸,但不能使用可能刮伤管面的链、钩、钢丝等工具。装卸时应注意以下事项:

(1) 重的管子放在下层。

(2) 以光滑的材料包在卡车的外缘,保护悬空的管子不受损害。

(3) 由于管材内外壁均很光滑,因而必须仔细固定,以免在运输过程中滑落。

九、 聚乙烯管材的连接技术及施工应注意的问题

(一)聚乙烯管材的连接技术

聚乙烯管道系统连接技术的优劣,直接关系到燃气管网系统的运行效果和使用寿命。按焊接方式的不同,聚乙烯管道的连接一般分为两种——热熔连接和电熔连接。聚乙烯管道焊接通用原理是聚乙烯一般可在190~240℃之间的范围内被熔化(不同原料牌号的熔化温度一般也不相同),此时若将管材(或管件)两熔化的部分充分接触,并保持有适当的压力(电熔焊接的压力来源于焊接过程中聚乙烯自身产生的热膨胀),冷却后便可牢固地融为一体。由于是聚乙烯材料之间的本体熔接,因此接头处的强度与管材的本身的强度相同,此外与金属管道连接需采用钢塑过渡接头或法兰连接。热熔连接和电熔连接方式的优缺点比较见下表:

表10.热熔连接和电熔连接方式的对比

名称 要求 电熔连接 1. 需要有专用的电熔焊机。

2. 适用于所有规格尺寸的管材。

3. 可用于不同牌号、材质的管材与管材、管材与管件连接。

4. 不易受环境、人为因素影响。

5. 设备投资低,维修费用低。

6. 连接操作简单易掌握。 热熔连接 1. 需要有专用的热熔焊机。

2. 一般适用于公称直径大于63mm的管材。

3. 适用于同牌号、材质的管材与管材、管材与管件连接。性能相似,不同牌号、材质的管材与管材、管材与管件连接,需试验验证。

4. 易受环境、人为因素影响。

5. 设备投资高

6. 连接费用低。

7. 操作人员需进行专门培训,具有一定的经验。

聚乙烯管道连接时应注意如下事项:

(1)管道连接前应对管材、管件及附属设备、阀门、仪表按设计要求进行校对,并应在施工现场进行外观检查,符合要求方准使用。

(2)每次连接完成后,应进行外观质量检验,不符合要求的必须切开返工。

(3)操作人员应培训上岗。

(4)每次收工时,管口应临时堵封。

(5)在寒冷气候(-5℃以下)和大风环境下进行连接操作时,应采取保护措施或调整施工工艺。

1.热熔对接

热熔对接是采用热熔对焊机来加热管端,使其熔化,迅速将其贴合,保持有一定的压力,经冷却达到熔接的目的。各尺寸的PE管均可采取热熔对接方式连接(公称直径小于63mm的管材推荐采用电熔连接),该方法经济可靠,其接口在承拉和承压时都比管材本身具有更高强度,胜邦管材热熔连接温度:210±10℃。

使用该方法时,设备仅需热熔对接焊机,具体步骤如下:

(1)待连接管材置于焊机夹具上并夹紧。

(2)清洁管材待连接端并铣削连接面。

(3)校直两对接件,使其错位量不大于壁厚的10%。

(4)放入加热板加热,加热完毕,取出加热板。

(5)迅速接合两加热面,升压至熔接压力并保压冷却。

2.电熔承插连接

电熔承插连接使通过对预埋于电熔管件内表面的电热丝通电而使其加热,从而使管件的内表面及管材(或管件)的外表面分别被熔化,冷却到要求的时间后而达到焊接的目的。电熔承插连接的特点是连接方便、迅速,接头质量好,外界因素干扰小,在口径较小的管道上应用比较经济,步骤如下:

(1)清洁管材连接面上的污物,标出插入深度,刮除其表皮。

(2)管材固定在机架上,将电熔管件套在管材上。

(3)校直待连接件,保证在同一轴线上。

(4)通电,熔接。

(5)冷却。

连接时,通电加热时的电压和加热时间选择应符合电熔连接机具生产厂家及管件生产厂家的规定。电熔连接冷却期间,不得移动连接件或在连接件上施加任何外力。 3.钢塑连接

PE管道在和钢管及阀门连接时采用钢塑过渡接头连接和钢塑法兰连接。对于小口径的聚乙烯管(DN≤63),一般采用一体式钢塑过渡接头;对于大口径的聚乙烯管(DN>63),一般采用钢塑法兰连接。

(1) 钢塑过渡接头

①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。

②钢塑过渡接头钢管端与金属管道连接应符合相应的钢管焊接、法兰连接以及机械连接的规定。

③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

①PE管端与相应的塑料法兰连接,按热熔和电熔连接方法处理。 ②钢管端与金属法兰连接,应符合相应的钢管焊接、法兰连接以及机械连接的规定。

③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高使用寿命。

(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》(CJJ 63—95)的有关规定。

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。由于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;

埋设在非车行道下时,不应小于0.6m;

埋设在水田下时,不应小于0.8 m;

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,因此很容易使其弯曲,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(mm) D≤50

50<D≤160

160<D≤250 30D

50D

75D 注:管段上有承插接头时,允许的弯曲半径R不应小于125D

3.蛇行敷设

由于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。由于聚乙烯管相对钢管而言较易遭受人为破坏,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。

此外,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。


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