PE100材料在燃氣施工中的應用

上海喬治費歇爾亞大塑料管件制品有限公司 楊峻峰

上海亞大塑料制品有限公司 常維勇

1 PE100材料的優異性能及國內外應用

國際上將聚乙烯管材料分為 PE32、PE40、PE63、PE80和PE100五個等級。

目前國際上使用量最大的管材樹脂的管受環向張應力強度(MRS)值為 8.0 MPa(PE80級)，而MRS值為10 MPa(PE100級)的管材樹脂的已開發成功，這種樹脂采用雙峰分布、己烯共聚技術，在提高長期靜液壓強度的同時，也提高了耐慢速裂紋增長和耐快速開裂擴展性能，并具有良好的加工性，為提高管網輸送壓力、增大管道口徑、擴大管道應用范圍創造了條件。目前PE100的管材使用量，特別是在大口徑管材上的用量，正在迅速上升。

目前歐洲PE100級聚乙烯燃氣管道實際使用壓力，見表1。

表1 歐洲PE100級聚乙烯燃氣管道實際使用壓力

PE100具有雙峰型分子量分布，共聚單體優先位于較長分子鏈上，這使的PE100聚乙烯管道樹脂具有較高的密度或剛度，使其在剛性和柔性方面得到了有機結合。20°C、50年的蠕變抵抗能力提高，同時又保持了較好的耐環境應力開裂(ESCR)性能。典型的雙峰PE100材料是通過“北星雙峰”技術，采用氣相反應釜超臨界丙烷工藝法制造的，其密度約為 0.950 g/cm3，熔體質量流動速率(MFR)為50.5~0.15 g/10min。

PE100雙峰型分子量分布管材級聚乙烯樹脂的特征是含有重量分數約為 50%的很低分子量的聚乙烯(高熔體流動速率)，分子特征為較短的直鏈大分子，該組分使得樹脂具有好的流動性和高的結晶度(改善了剛度)，并改變了塑料的耐蠕變性；另一組分是高分子量的聚乙烯(很低的熔體流動速率)，通常為乙烯與少量丁烯的共聚物，分子特征為很長的帶有較多短支鏈的支鏈大分子，有利于材料無定形區域的形成，這一組分使材料具有較高韌性，高的應力開裂抵抗能力和低的劃痕敏感度。

總的來說，PE100較單峰型PE80樹脂性能上的進步主要體現在如下幾個方面：優異的慢速裂紋增長抵抗能力，卓越的的快速裂紋擴展抵抗能力和較好改善了刮痕敏感度，以及具有較高的剛度。

PE80和PEl00材料性能比較見表2。

表2 PE80和PEl00材料性能比較

PE80和PE100材料效果比較見表3。

表3 PE80和PEl00材料效果比較

PE100的出現，為聚乙烯管道開辟了更廣泛的應用空間，主要表現在可以達到更高的適用壓力，適用口徑擴大，可以更好的采用各種高效率的施工方法。

歐洲的PE燃氣管道普及率極高，如英國、丹麥等國均超過90%，法國1998年新敷設燃氣管道幾乎100%采用聚乙烯管道。早在1988年，在慕尼黑召開的國際煤聯(IGU)配氣委員會會議，委員們一致認為采用聚乙烯(PE)埋地燃氣管道質量可靠，運行安全，維護簡便，費用經濟。這種共識顯然是50年來聚乙烯管道與其它管道反復比較、競爭后達成的。應該指出，這不僅應歸功于PE管的優良的綜合性能，而且緣于PE管道的原料性能，管材、管件制造工藝，連接方法，連接機具以及運行中的維修手段等在多年的實踐中，不斷取得革命性的進步。

我國是從 80年代初期開始聚乙烯燃氣管的研究工作，最早使用聚乙烯管輸送城鎮燃氣是 1982年在上海。為使聚乙烯燃氣管研究工作受到重視并順利進行，國家科委 1987年把“聚乙烯燃氣管專用料研制和加工應用技術開發”列為國家“七五”科技攻關項目，從專用原料——管材、管件加工——工程應用——標準規范制定進行系統研究，取得豐碩成果。1995年，國家技術監督局、建設部分別頒發了PE燃氣管材、管件的國家標準和工程技術的行業規程。并且隨著發展的要求又分別在 2003年和2005年對PE燃氣管材、管件的國家標準進行了修訂。目前，PE燃氣管正在國內迅速推廣使用。在PE燃氣管使用推動下，國內已基本掌握PE工程管道的生產與使用技術，引進了相當數量的國際一流生產線，形成了相當規模的生產能力。國家質檢總局對生產廠自 2002起實行了“中華人民共和國特種設備制造許可證”(AZ)安全注冊生產認證制度。更加保證了產品質量，這對聚乙烯燃氣管的發展又奠定了堅實有力的基礎。

2 上海浦東世紀大道工程概況

2.1 改造原因

因世紀大道(浦東南路—東方路)段運營中的DN300中壓燃氣管多次發生泄露情況，探測發現此段鋼管老化嚴重，以存在嚴重的安全隱患，將影響到沿線居民和單位的正常用氣。經上海燃氣浦東銷售公司決定立即對此段燃氣管道進行改造。

2.2 擬采用的改造方案

原有燃氣主管道為DN300鋼管，支管為DN200鋼管。考慮到以下原因：

(1)由于世紀大道不能開挖路面的情況；

(2)改造的經濟性；

(3)不能減少原有流量；

(4)改造段和未改造段的可靠、穩定銜接。

所以經過多方論證決定采用非開挖穿管；管材采用PE100管，口徑為D200和D160；焊接采用先進的全自動電熔條形碼焊接和全自動熱熔對接焊。施工單位由實力雄厚、施工經驗豐富的滬東天然氣工程有限公司負責施工，PE材料和焊接設備由上海亞大塑料制品有限公司提供。

2.3 選材方面關于材料和口徑的考慮

由于PE管道具有以下明顯的特性：

(1)優異的物理性能。PE100既有很好的剛性、強度，也有很好的柔性、耐蠕變性，而且有連接性能優良的特點，有利于管道的安裝。

(2)耐腐蝕，使用壽命長，在我國沿海地區，地下水位偏高，土地濕度大，使用無縫鋼管必須防腐及做安裝陽紋外向錘煉，且壽命只有30年，而PE管可耐多種化學介質的侵蝕，不需防腐處理。使用壽命達50年。

(3)韌性、撓性好。PE管是一種高韌性管材、其斷裂伸長率超過500%，對管基礎不均勻沉降和錯位的適應能力非常強，抗震性好。PE管的走向容易按照施工方法的要求進行改變。在施工時，可在管子允許的彎曲半徑內繞過障礙，降低施工難度。

(4)流通能力大，經濟上合算。PE管內壁光滑，不結垢。PE管內表面當量絕對粗糙比值是鋼管的1/20，相同管徑、相同長度、相同壓力下的 PE管其流通能力要比鋼管大 30%左右，因此經濟優勢明顯。與金屬管道相比，PE管道可減少工程投資三分之一左右(直徑200 mm以上大管成本略高些)。

(5)連接方便，施工簡單，方法多樣。PE管管體輕，搬運方便，焊接容易，焊接口少， PE管溝要求遠比鋼管溝要求低，而且當施工條件受限制時，可采用電熔焊接。

(6)密封性好。PE管本身采用熔接連接(熱熔或電熔)，本質上保證了接口材質，結構與管體本身的同一性，實現了接頭與管材的一體化。其接口的抗拉強度與爆破強度均高于管材本體，可有效抵抗內壓力產生的環向應力軸向應力。因此，與橡膠圈類接應或其他機械接頭相比，不存在接應扭曲造成的泄露危險，密封性能十分良好。

(7)后期維修方便，可以不停氣維修和安裝。

(8)抗應力開裂性好：PE管具有低的缺口敏感性，高抗剪切強度的段異的抗痕能力，耐環境應力性非常突出。

(9)低溫抗沖擊性好：PE管的低溫脆化溫度極低，可在-60攝氏度溫度范圍內安全使用。

(10)耐磨性好。PE管與鋼管的耐磨性對比實驗表明：它的耐磨性是鋼管的4倍。

(11)具有良好的抵抗刮痕能力。研究證明，PE80等級的PE管有較好的抵抗SCG的能力和耐刮痕能力。PE100級管材則具有更加出色的抗刮痕能力。

(12)良好的抵抗快速裂紋傳遞能力。開裂是指管道發生開裂時，裂紋以很快的速度傳遞，瞬間就可能使管道破壞，后果不堪設想。實踐表明，在塑料管道中PE管抵抗裂紋傳遞能力比其他管道要強。

所以根據測算在原管徑 DN300鋼管內襯DN200 PE管是符合設計要求的。工程選用的PE100級聚乙烯管材見表4。

表4 工程選用的PE100級聚乙烯管材

3 工程施工和焊接介紹

(1)施工條件：經地下管線探測，原有 DN300管道位于世紀大道南側機非隔離帶北側。由于本工程是在原DN300管道中拖入一根D200PE管，物探工作主要是要探出原 DN300管道上下左右的各閥門井、集水器、三通、45°彎頭、電力排管、污水管、通信管等設施的具體位置，在開挖各工作坑之前需先人工開挖樣洞摸清地下情況后，再根據各工作坑的大小進行開挖。

(2)地質條件：本工程大部分是在 DN300管道中穿入D200 PE管，各工作坑的開挖需根據土質及深度作好相應的安全措施。

(3)工程進度保證措施：實行項目經理負責制。項目經理對施工進度、物資、勞動力、設備進行總調度和平衡。解決施工中的各類突發的矛盾問題，確保工程順利進行。

(4)施工方法：本工程共計分9段穿越，均是在原有DN300和DN200管道中穿越規格為PE100的聚乙烯管道，口徑分別為D200和D160，本工程所有在鋼管內穿越的聚乙烯管，都必須間隔5 m安裝一只鋼制抱箍，以保護聚乙烯管在穿越時不被損傷，每一施工段穿越完后馬上泵驗，合格后進行鑲接以確保工期。

(5)施工、焊接中的質量注意事項見表5。

表5 施工、焊接中的質量注意事項

4 總結

通過世紀大道工程，我們達到了以下目的：

4.1 社會效益方面

本工程通過使用新技術、新材料，即提高了施工質量，又提高了施工進度，使浦東世紀大道這條上海繁忙路段之一的主道路最大限度的減少了對出行者的影響。同時將對企業生產的影響，居民生活的影響減低到最小。體現了煤氣公司一心為用戶服務的企業思想。對煤氣公司在用戶面前的企業形象又有了一次更充分的體現。

4.2 經濟效益方面

(1)近期經濟效益：本工程如果采用明管開挖和用原來的PE80管道。如此繁忙的道路和比較復雜的地下管線情況，工期按經驗要比目前的 45天兩公里多至少多出一倍以上，工程各項費用也將明顯增長。材料費也將比目前多出至少10%。

(2)遠期經濟效益：為將來更復雜的世博路段工程積累了施工經驗；同時積累了PE100材料在舊管改造中的使用經驗，根據PE100明顯優于PE80的材料性能，為后期的舊管網改造和降低新管網鋪設成本積累了經驗。