城鎮燃氣管道非開挖修復更新工程用聚乙烯管

雷素敏， 白麗萍， 方媛媛， 袁理想

(1.北京市燃氣集團研究院，北京100011；2.北京市燃氣集團有限責任公司，北京100035)

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，城市化進程加快，以及城鎮燃氣管道使用年限的增加，燃氣設施的修復更新工程也逐年增加。由于城市交通及環境保護等方面對市政施工的要求日益嚴格，采用傳統全線開挖方式修復或更換城鎮埋地燃氣管道受到許多限制，非開挖修復更新技術的優勢逐漸被人們認同，相關技術日趨成熟，其應用也在逐年增長[1]。

20世紀80年代，日本和歐美國家開始系統研究開發非開挖技術，并逐步推廣應用到地下管道的敷設和舊管更新，發展速度很快。到20世紀90年代，日本、法國、德國、美國等發達國家的非開挖技術用于地下管道已占全部管道工程的10%，在德國柏林已高達40%。目前非開挖管道修復技術已在西方發達國家成為一項政府支持、社會提倡、企業參與的新的技術產業，成為城市現代化進程中的一項關鍵技術[2]。

聚乙烯管道是城鎮燃氣管道非開挖修復更新技術采用的主要材料。本文就聚乙烯管在這類工程應用時應注意的問題進行分析和探討。

2 相關標準情況

國內外非開挖修復更新用聚乙烯管道標準比較完善，常用的相關標準見表1。

3 非開挖修復更新用聚乙烯管的問題

目前，國內常用的燃氣管道非開挖修復更新技術主要包括折疊管內襯法、插入法、靜壓裂管法與翻轉內襯法。除翻轉內襯法外，其他技術采用的材料均為聚乙烯管。

3.1 折疊管內襯法

3.1.1 聚乙烯管道最大工作壓力

折疊管內襯法修復應采用PE100或PE100-RC混配料，規格可選擇SDR17、SDR17.6、SDR21或SDR26系列管材。聚乙烯混配料是在聚乙烯原料中加入抗氧劑、顏料、抗紫外線穩定劑等添加劑，并且足夠均勻分散，經擠出加工而成的顆粒料，并按照GB/T 18475—2001《熱塑性塑料壓力管材和管件用材料分級和命名總體使用(設計)系數》中規定的最小要求強度(MRS)進行分級和命名。聚乙烯混配料的級別分為PE80與PE100，PE100-RC是具有耐慢速裂紋增長性能的PE100混配料。

表1 非開挖修復更新用聚乙烯管道常用的相關標準

在-20～20 ℃工作溫度條件下，聚乙烯燃氣管道的最大工作壓力按公式(1)與公式(2)計算：

(1)

(2)

式中pmax——最大工作壓力，MPa

σ——最小要求強度，MPa

C——設計系數。CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》要求聚乙烯管道輸送天然氣時C≥2.5，GB/T 15558.1—2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統 第1部分：管材》要求C≥2.0

S——標準尺寸比

pRCP——耐快速裂紋擴展的臨界壓力，MPa，pRCP由混配料供應商或管材生產廠商提供

目前常用PE100或PE100-RC混配料的pRCP均大于1.2 MPa，因此用式(2)校核后的計算結果見表2。

采用折疊管內襯法修復鋼管道時，折疊內襯管與鋼管道的接觸面較小，同時內襯管沿線有鋼管保護，內襯管被劃傷的風險較低。但是考慮到C取值與輸送介質、在役管道的內部清理情況、現場環境等施工條件有關，因此筆者認為當采用SDR26系列聚乙烯管材時，最大工作壓力應根據上述因素慎重考慮后綜合確定。

表2 折疊管內襯法修復用PE100/PE100-RC管材的最大工作壓力

3.1.2 聚乙烯管材壁厚

目前為止，工廠預制成型折疊管的材料與工藝均為國外進口，管材執行國際標準ISO 11299—3—2018《地下燃氣管網修復用塑料管道系統 第3部分：緊貼型內襯管》。折疊管在工廠采用加熱和加壓的方式成型，在施工現場也要采取加熱與加壓的方式復原，聚乙烯管經過二次加熱后同一橫截面上的壁厚會有所變化。ISO 11299—3—2018《地下燃氣管網修復用塑料管道系統 第3部分：緊貼型內襯管》規定了實際工程或模擬安裝測試后管材壁厚的要求，見表3。

隨著修復技術的發展，目前工廠預制成型折疊管內襯法修復常采用SDR21管材，表3中并未給出相關壁厚要求。但該標準同時規定采用其他的SDR時，聚乙烯管材的最小壁厚δmin和最大平均壁厚δm,max可通過公式(3)和公式(4)分別計算，并且按照向上圓整0.1 mm的原則進位后獲得。

表3 工廠預制成型折疊管安裝后的管材壁厚

(3)

δm,max=1.12δmin+0.5

(4)

式中δmin——最小壁厚，mm

dn——公稱外徑，mm

δm,max——最大平均壁厚，mm

此外，ISO 11299—3—2018《地下燃氣管網修復用塑料管道系統 第3部分：緊貼型內襯管》適用于緊貼型內襯管，而緊貼型內襯管修復用聚乙烯管材的尺寸規格以在役鋼管的內徑為依據，與GB/T 15558.1—2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統 第1部分：管材》中規定的聚乙烯管材規格略有不同。GB/T 15558.1—2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統 第1部分：管材》中有的規格，如dn200(表示公稱外徑為200 mm，后面格式意義與此相同)、dn225、dn250、dn400、dn500管材的最小壁厚可參照GB/T 15558.1—2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統 第1部分：管材》中的最小壁厚，再由公式(4)計算最大平均壁厚。GB/T 15558.1—2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統 第1部分：管材》中沒有的規格，如dn100、dn150、dn300、dn350管材的最小壁厚與最大平均壁厚應分別由公式(3)與公式(4)計算得出。

通過以上計算方法得出SDR21系列管道的壁厚，見表4。采用SDR21系列的聚乙烯管進行折疊管內襯法修復時，可按照表4對安裝后的聚乙烯管壁厚進行控制，以確保工程質量。

表4 SDR21系列的管道壁厚

3.1.3 SDR21與SDR26系列管材的應用范圍

折疊管內襯法修復工程允許采用SDR21、SDR26薄壁的聚乙烯管材。由于此類管材不曾應用于直埋，因此，在使用時應考慮以下2個問題。

① 工作坑處的SDR21、SDR26聚乙烯管，外部沒有鋼管做保護，為實現與其他管段相同的條件，避免成為整個系統中的薄弱點，在回填的時候應考慮采取措施對聚乙烯管進行保護。保護措施可以在聚乙烯管外加鋼制套管后回填，或者在工作坑處磚砌保護溝，將聚乙烯管置于保護溝內，溝內填砂并加溝蓋板。

② 限于現場設備條件，現場成型折疊管內襯法只能采用SDR26系列的聚乙烯管材，同時，因為修復時內襯管要緊貼在役鋼管，折疊前聚乙烯管的連接須為熱熔連接，不能采用電熔連接。GB/T 15558.1—2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統 第1部分：管材》要求，當公稱外徑小于160 mm時，SDR26管材壁厚小于6 mm。CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》要求，壁厚小于6 mm的聚乙烯管道連接不應采用熱熔連接。因此現場成型折疊管內襯法不適用于修復DN 150 mm及以下的在役管道。

工廠預制成型折疊管內襯法可以采用SDR21、SDR26系列的聚乙烯管材。由于dn100、dn125、dn150是工廠預制成型折疊管內襯法用聚乙烯管的常用規格(見表3)，均屬于非標準外徑管，與標準管件連接時需要采用變徑熱熔接頭進行連接。由表3可知，當公稱外徑小于160 mm時，SDR26管材壁厚小于6 mm；由表4可知，當采用dn100、SDR21管材時，壁厚也小于6 mm。以上兩種情況都不能采用熱熔連接。因此，工廠預制成型折疊管內襯法當采用SDR26系列聚乙烯管時，不適用于修復DN 150 mm及以下的在役管道，當采用SDR21系列聚乙烯管時，不適用于修復DN 100 mm及以下的在役管道。

3.1.4 聚乙烯管道的連接

采用工廠預制成型折疊管內襯法修復時，生產時制造商根據模擬實驗的結果最終制造出的折疊管外徑不完全符合GB/T 15558.1—2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統 第1部分：管材》中規定的標準外徑，即非標準外徑聚乙烯管。下面就非標準外徑聚乙烯管的連接方法進行分析。

因為壁厚相對較厚，CJJ/T 147—2010《城鎮燃氣管道非開挖修復更新工程技術規程》規定SDR17.6系列非標準外徑聚乙烯管可以擴徑至與標準聚乙烯管外徑與壁厚一致后進行連接，對于SDR26系列則必須采用變徑管件連接，對于SDR21系列無明確規定。實際施工中，SDR21系列管材也經常采用擴徑至標準外徑和壁厚后進行連接的方式。

聚乙烯折疊管出廠時，產品質量證明文件中注明有公稱尺寸與制造尺寸。制造尺寸為折疊管出廠時的實際尺寸。如公稱尺寸為dn500、SDR21的折疊管，制造外徑與壁厚分別為485 mm、25.9 mm。折疊管經過二次加熱后同一橫截面上的壁厚會有所變化，復原后的外徑有可能大于出廠時的制造外徑，但是不會大于公稱外徑。

為了方便采用標準管件進行連接，需要將復原后的聚乙烯管擴徑至統一的外徑。但是考慮到聚乙烯管的材料特性，為避免發生塑性變形，擴徑不能無限制地進行。按照管材生產商提供的操作說明，目前最大只允許擴徑至廠家標稱的公稱外徑。如果擴徑至廠家標稱的公稱外徑后能滿足標準聚乙烯管外徑與壁厚，可直接與標準聚乙烯管連接。如果擴徑至廠家標稱的公稱外徑后仍不能達到標準聚乙烯管外徑與壁厚，則需采用變徑管件連接。

以常用的公稱尺寸dn300、SDR17與dn500、SDR21的管材為例，說明具體的連接方法。

①dn300、SDR17系列管材：dn300聚乙烯折疊管出廠時，制造外徑是289 mm，復原后用擴孔器擴徑到300 mm，但依然達不到聚乙烯管標準外徑315 mm。可以采用dn300/dn315熱熔接頭后，用電熔套筒的方式與dn315標準聚乙烯管進行連接(見圖1)。

圖1 dn300管材與標準管材的連接

②dn500、SDR21系列管材：dn500聚乙烯折疊管出廠時，實際的制造外徑是485 mm，復原后用擴孔器擴徑到500 mm后，可直接與dn500標準管材進行連接(見圖2)。

圖2 dn500管材與標準管材的連接

3.2 插入法

3.2.1 聚乙烯管道最大工作壓力

CJJ/T 147—2010《城鎮燃氣管道非開挖修復更新工程技術規程》中，要求插入法修復應采用SDR11、SDR17/17.6系列管材。按照公式(1)與公式(2)計算，設計系數C取2.5，計算結果見表5。

表5 插入法修復用PE100/PE100-RC管材的最大工作壓力

由表5可知，當采用PE100/PE100-RC、SDR11系列的聚乙烯管材時，按照C取2.5計算，其最大工作壓力可達到0.8 MPa。盡管按照CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》的條文說明，SDR11系列的埋地聚乙烯燃氣管道，最大工作壓力可以是0.8 MPa，但是由于該標準執行時間短，各燃氣公司還都沒有實際的應用案例，實際的應用經驗太少。同時，插入法修復時，聚乙烯管道與在役管道內壁接觸面積較大，在拖拉的過程中被劃傷的風險較高，即使劃痕深度在規范允許范圍內，劃傷也會對聚乙烯管的力學性能造成影響，縮短使用壽命。鑒于以上原因，插入法施工用聚乙烯管道的最大工作壓力仍選擇0.4 MPa，即采用PE100、SDR11系列管材時，修復后聚乙烯管道的最大工作壓力不宜超過0.4 MPa。

3.2.2 聚乙烯管道的連接

在CJJ/T 147—2010《城鎮燃氣管道非開挖修復更新工程技術規程》中，要求聚乙烯管道與在役其他材質管道連接時應選用鋼塑轉換接頭或鋼塑法蘭連接，公稱外徑≤315 mm聚乙烯管道的連接應采用電熔連接。聚乙烯管道連接時仍需考慮以下問題：

連接時兩段聚乙烯管的連接處需設置固定支撐點，防止插入管因溫度降低而引起長度收縮，應力集中于焊口處導致焊口漏氣。上海燃氣公司采用插入法修復時采取固定支撐措施，即在插入管伸出舊管道端口的管道外壁上安裝柔性限位器，并澆筑混凝土支墩固定柔性限位器。這種利用限位器對聚乙烯管穿管連接接頭處進行強制加固的做法，已成功應用于約10 km的承插式鑄鐵管道的更新改造工程[3]。

3.3 靜壓裂管法

3.3.1 聚乙烯管道最大工作壓力

靜壓裂管法修復時，聚乙烯管材被劃傷的風險較高。按照第3.2.1節的分析，采用PE100/PE100-RC、SDR11系列的聚乙烯管材，最大工作壓力不超過0.4 MPa。

3.3.2 聚乙烯管道標準尺寸比的選用

靜壓裂管法是以待更換的在役管道為導向，用裂管器將在役管道切開或脹裂，使其脹擴，同時將聚乙烯管拉入在役管道的修復更新工藝。在液壓拉桿機用頂或拉的方式將在役管道碎裂的過程中，破碎的在役管道很有可能對聚乙烯管道產生劃傷等破壞。CJJ/T 147—2010《城鎮燃氣管道非開挖修復更新工程技術規程》要求靜壓裂管法適用的聚乙烯管道標準尺寸比為SDR11與SDR17.6。CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》要求聚乙烯管材表面劃傷深度不應超過管材壁厚的10%，且不應超過4 mm。

按照CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》對于管材劃痕深度的規定，SDR11、SDR17.6系列管材允許的劃痕深度見表6。

表6 SDR11、SDR17.6系列管材允許的劃痕深度

由表6可看出，SDR11系列管材允許的劃痕深度比SDR17.6管材大40%～61%，實際工程中更容易保證劃痕深度滿足標準要求，因此建議靜壓裂管法優先選用SDR11系列管材。

4 結語

與傳統開挖工程對比，非開挖修復更新工程用聚乙烯管材有其特殊性，應重點關注以下問題：

① 國內外關于采用聚乙烯管進行非開挖修復更新用標準比較齊全，可以滿足工程建設的需要。

② 按照C取2.5計算，SDR26聚乙烯管的最大工作壓力為0.32 MPa。考慮到折疊管內襯法修復時，C取值與輸送介質、在役管道的內部清理情況、現場環境等施工條件有關，因此當采用SDR26系列聚乙烯管材時，最大工作壓力應根據具體情況綜合確定。

③ 采用SDR21系列的聚乙烯管進行折疊管內襯法修復時，可按照相關標準對安裝后的聚乙烯管壁厚進行控制。

④ 現場成型折疊管內襯法不適用于修復DN 150 mm及以下在役管道；工廠預制成型折疊管內襯法采用SDR21系列聚乙烯管時，不適用于修復DN 100 mm及以下的在役管道，當采用SDR26系列聚乙烯管時，不適用于修復DN 150 mm及以下的在役管道。

⑤ 采用插入法進行修復時，應考慮管道在拖動過程中受力變形和管道長度隨溫度變化而變化的問題，預留足夠的管道長度，并在焊口處采取有效的固定支撐措施。

⑥ 插入法與靜壓裂管法修復時，聚乙烯管材被劃傷的風險較高，鑒于安全性，建議即使采用PE100、SDR11系列管材，最大工作壓力也不宜超過0.4 MPa。

⑦ 靜壓裂管法修復時，由于SDR11系列的管材壁厚較厚，按照CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》的規定，其允許的劃痕深度比SDR17.6管材大40%左右，實際工程中更容易保證劃痕深度滿足標準要求，因此建議優先選用壁厚較厚的SDR11聚乙烯管材。