聚乙烯管材標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀分析

施建峰，胡安琪，鄭津洋*

（1. 浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，杭州310027；2. 高壓過程裝備與安全教育部工程研究中心，杭州310027）

0 前言

塑料管道已成功應(yīng)用60 多年，廣泛地應(yīng)用于給水和燃?xì)夤艿老到y(tǒng)中。2019 年，中國塑料制品行業(yè)營業(yè)收入19 077.5 億元，其中塑料板、管、型材占20.58%，利潤總額為244.5 億元，同比增長9.1 %［1］。根據(jù)“十三·五”報(bào)告，預(yù)計(jì)2020 年我國塑料管道產(chǎn)量將達(dá)到16 000 kt，塑料管道在各類管材市場中占比將超過55%［2］。塑料壓力管道所用材料主要為高密度聚乙烯（PE-HD）。與傳統(tǒng)的金屬管相比，PE-HD 管具有耐腐蝕、密度小、管壁光滑、連接方便等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市給水及燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)［3］。

聚乙烯材料的性能取決于其結(jié)構(gòu)。20 世紀(jì)50 年代，第一代聚乙烯管材專用材料被研制出，這種材料耐慢速裂紋擴(kuò)展（SCG）性能較差，高溫下較短的時(shí)間就會(huì)發(fā)生脆性破壞。第二代聚乙烯管材專用材料于70年代產(chǎn)生，與第一代相比材料耐SCG 性能提高，因此聚乙烯管的靜液壓性能有了較大的改善。第三代聚乙烯管材具有更高的耐SCG 性能和靜液壓強(qiáng)度，在80 ℃試驗(yàn)周期內(nèi)不出現(xiàn)脆性破壞［4］。

國際上塑料管道從歐洲起步。1957 年，德國開發(fā)出PE-HD 管材專用料并開始用于給水領(lǐng)域，20世紀(jì)60年代末，英國燃?xì)夤緦⒕垡蚁┕苡糜谌細(xì)忸I(lǐng)域［5］。歐洲通過塑料管道的長期使用經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，形成了較為完整的塑料壓力管道理論體系，并編制了ISO 標(biāo)準(zhǔn)［6］。我國目前塑料管道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)基本上與ISO 標(biāo)準(zhǔn)保持一致，體現(xiàn)了歐洲生產(chǎn)工藝路線和質(zhì)量保證體系的基本精神和要求，我國聚乙烯管的生產(chǎn)、檢測和質(zhì)量控制都沿用歐洲的技術(shù)路線［7］。

美國于1971 年研制出了中密度管材級聚乙烯原料，開始大規(guī)模應(yīng)用于燃?xì)忸I(lǐng)域。美國聚乙烯管道應(yīng)用于給水與燃?xì)忸I(lǐng)域的時(shí)間雖晚于歐洲，但未根據(jù)已有的ISO標(biāo)準(zhǔn)來制訂本國標(biāo)準(zhǔn)，而是不斷探索完善了自己的標(biāo)準(zhǔn)體系［5］。美國ASME 制定的壓力容器與管道規(guī)范被認(rèn)為是世界上技術(shù)內(nèi)容最完整、應(yīng)用最廣泛的規(guī)范［8］。ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了材料和產(chǎn)品的性能、試驗(yàn)方法和程序等要求。PPI對PE-HD管道性能做了深入的研究，其提供的研究數(shù)據(jù)與報(bào)告是美國PE-HD管道標(biāo)準(zhǔn)的主要依據(jù)。目前ASTM 和ASME 分別在聚乙烯管道的材料、產(chǎn)品及具體工程領(lǐng)域的應(yīng)用制定了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，并正在著手建立統(tǒng)一的塑料管道標(biāo)準(zhǔn)體系。

目前PE-HD 管道領(lǐng)域ISO 標(biāo)準(zhǔn)與美國標(biāo)準(zhǔn)并存，某些國家甚至存在混用的現(xiàn)象。中國是PE-HD管道產(chǎn)量和使用量最大的國家，但是燃?xì)馀c給水用的PE-HD管道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)仍借鑒ISO標(biāo)準(zhǔn)。目前PE-HD管道國標(biāo)大部分是直接翻譯ISO 的標(biāo)準(zhǔn)，并對部分內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，沒有完備的獨(dú)立自主的PE-HD管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系。設(shè)計(jì)要基于原材料性能，原材料的分級基于測試方法，例如產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB 15558.1《燃?xì)庥镁垡蚁≒E）管道系統(tǒng)第1部分：管材》參考ISO 4437-2《燃?xì)饩垡蚁┕艿老到y(tǒng)第2部分：管材》，而原材料標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18252《塑料管道系統(tǒng)用外推法確定熱塑性塑料管材以管材形式的長期靜液壓強(qiáng)度》參考ISO 9080《塑料管道系統(tǒng)用外推法確定熱塑性塑料材料以管材形式的長期靜液壓強(qiáng)度》等。標(biāo)準(zhǔn)體系的完善涉及到整個(gè)塑料管道產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值分配，是當(dāng)前PE-HD管道行業(yè)發(fā)展面臨的重大課題。

例如中國從美國西屋引入的世界上第一座AP1000 三代核電廠，完全采用美國的設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)。該核電廠的各種冷卻水、廠用水系統(tǒng)中包含了大量耐腐蝕、抗震的塑料管道。如三門核電廠一期工程的重要廠用水系統(tǒng)采用的30 in DR9 PE-HD 管道，完全采用美國的塑料管道標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計(jì)、制造、安裝。該管道為美國ISCO 公司生產(chǎn)后運(yùn)送到中國進(jìn)行安裝。但因美方也缺少相關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，故業(yè)主委托浙江大學(xué)非金屬管道研究團(tuán)隊(duì)對該管道進(jìn)行無損安全評價(jià)［9］。未來如果要對該P(yáng)E-HD 管道進(jìn)行國產(chǎn)化，不僅需要將現(xiàn)有的公制模具尺寸均更改為英制尺寸，而且原材料需要根據(jù)美國材料分級的要求進(jìn)行驗(yàn)證，并且相關(guān)的測試設(shè)備、檢驗(yàn)設(shè)備也需要重新配置或改造。這種為了適應(yīng)某個(gè)國家重大工程的配套而單獨(dú)引入的新塑料管道標(biāo)準(zhǔn)體系，無疑會(huì)給中國塑料管道行業(yè)及相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)帶來額外成本負(fù)擔(dān)。這不僅削弱了國產(chǎn)塑料管道的產(chǎn)品競爭力，甚至可能會(huì)對核電廠的長期運(yùn)行的安全性帶來隱患。

與金屬管道相比，PE-HD管的耐腐蝕性能、耐溫度性能及長時(shí)蠕變性能不同，但管道總體的設(shè)計(jì)思想和制造要求應(yīng)當(dāng)相似。本文從金屬管道的設(shè)計(jì)方法出發(fā)，介紹了PE-HD 管道與金屬管道在設(shè)計(jì)方法上的區(qū)別與聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)對比了中國、歐洲與美國現(xiàn)行的市政、核電PE-HD 管道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，特別是管材分級方法的區(qū)別，最后提出目前中國PE-HD 管道標(biāo)準(zhǔn)存在的問題與建議發(fā)展的方向。

1 PE-HD管與金屬管設(shè)計(jì)方法對比

1.1 失效模式

金屬管材失效模式主要為腐蝕引起的壁厚減?。?0］，設(shè)計(jì)壽命一般為10～30 年［11］。英國天然氣公司報(bào)道，由腐蝕引起的管道失效占40 %以上［12］；美國運(yùn)輸安全局統(tǒng)計(jì)資料表明，由腐蝕引起的管道失效占43.6%［13］。

其中，xmin0為基年中25個(gè)城市該指標(biāo)的最小值，xmax0為基年中該指標(biāo)的最大值。如果某項(xiàng)數(shù)值小于基年的最小值，該項(xiàng)指標(biāo)就會(huì)小于0。

PE-HD 管具有良好的抗腐蝕性能，設(shè)計(jì)壽命可達(dá)50 年以上。PE-HD 管在不同應(yīng)力水平下會(huì)出現(xiàn)不同的失效模式，主要有以下3種：

（1）管材環(huán)向應(yīng)力水平較高時(shí)，管壁最薄弱處由于局部屈服而發(fā)生韌性破壞，一般破壞持續(xù)時(shí)間較短［14］。

歐洲普遍使用ISO 標(biāo)準(zhǔn)系列，現(xiàn)行的PE-HD 管道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有ISO 4427-2《給水和排水聚乙烯壓力管道系統(tǒng) 第2 部分：管材》和ISO 4437-2，管材長期強(qiáng)度確定方法的標(biāo)準(zhǔn)為ISO 9080。

（3）管材應(yīng)力水平較低時(shí)，由于腐蝕、老化導(dǎo)致材料力學(xué)性能劣化而發(fā)生脆性破壞，這一過程一般遠(yuǎn)超過50年［16］。

將PE-HD管材在靜液壓載荷下的環(huán)向應(yīng)力和破壞時(shí)間表示在應(yīng)力-時(shí)間對數(shù)圖中，如圖1所示。由3種失效模式組合的應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線將應(yīng)力-時(shí)間對數(shù)坐標(biāo)系的第一象限劃分為兩個(gè)部分，并作為管材可服役區(qū)域（左下部分）的失效邊界。

圖1 PE-HD管材破壞形式與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系Fig.1 Relationship between failure mode and stress of PE-HD pipes

目前PE-HD 管道設(shè)計(jì)規(guī)范均以管材發(fā)生韌性破壞為基本失效模式，并以此作為設(shè)計(jì)依據(jù)，即壁厚設(shè)計(jì)針對于破壞發(fā)生在圖1 中折線的第一段。金屬管道與PE-HD管道的載荷分析和應(yīng)力計(jì)算的區(qū)別在于：

（1）常溫服役狀態(tài)下，金屬材料強(qiáng)度幾乎不發(fā)生改變，而PE-HD 的強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間下降，管材的強(qiáng)度對數(shù)與服役時(shí)間對數(shù)呈近似線性關(guān)系［17-18］。

隨著近些年來機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器學(xué)習(xí)中的分類方法已經(jīng)越來越多的被用于各種識(shí)別問題。常見的機(jī)器學(xué)習(xí)分類技術(shù)由兩部分組成:訓(xùn)練階段和評估階段。訓(xùn)練階段利用訓(xùn)練集產(chǎn)生離線的分類模型,評估階段利用另外獨(dú)立的數(shù)據(jù)集進(jìn)行性能評估。所以在進(jìn)行分類識(shí)別之前,有必要將通過之前步驟制作的單步統(tǒng)計(jì)特征-速度數(shù)據(jù)集隨機(jī)劃分兩個(gè)相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)集,按照機(jī)器學(xué)習(xí)中傳統(tǒng)的測試集-訓(xùn)練集劃分方法,首先將其中80%劃分為訓(xùn)練集,其余20%劃分為測試集。為了進(jìn)一步的驗(yàn)證識(shí)別方法的可靠性,進(jìn)一步擴(kuò)大測試集數(shù)量同時(shí)降低訓(xùn)練集數(shù)量,將單步統(tǒng)計(jì)特征-速度數(shù)據(jù)集的70%劃分為訓(xùn)練集,其余30%劃分為測試集進(jìn)行識(shí)別性能驗(yàn)證。

式中 σHDB——靜水設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

PE-HD管與金屬管強(qiáng)度與壽命對比如圖2所示。金屬管道設(shè)計(jì)時(shí)管材厚度需要留有腐蝕裕量，保證管材在設(shè)計(jì)的服役周期中腐蝕導(dǎo)致的壁厚減薄不會(huì)使管材過薄而發(fā)生強(qiáng)度失效。PE-HD管道不需要考慮腐蝕因素，但許用應(yīng)力的取值需要考慮服役時(shí)間對材料強(qiáng)度的影響。

圖2 PE-HD管與金屬管強(qiáng)度與壽命對比Fig.2 Comparison of strength and service life of PE-HD pipe and metal pipe

1.2 壁厚計(jì)算

1.2.1 金屬管材壁厚設(shè)計(jì)

在金屬管材標(biāo)準(zhǔn)中，壁厚設(shè)計(jì)公式均要考慮腐蝕裕量。如ASME ND 中規(guī)定金屬管材壁厚計(jì)算公式如式（1）所示，第一項(xiàng)為薄壁圓筒理論計(jì)算出所需的管材壁厚，第二項(xiàng)為腐蝕裕量。

式中 A——腐蝕與加工裕量，mm

D0——管材外徑，mm

d——管材內(nèi)徑，mm

PE-HD給水和燃?xì)夤艿莱Ｓ肞E3608和PE4710牌號(hào)的管材。PE3608材料要求23 ℃外推10×104h的平均環(huán)向強(qiáng)度與DF之積（即HDS）不小于800 psi（5.5 MPa）；PE4710 材料要求23 ℃外推10×104h 的平均環(huán)向強(qiáng)度與DF之積（即HDS）不小于1 000 psi（6.9 MPa）。耐SCG 性能方面，PE3608 要求材料在80 ℃、2.4 MPa 拉應(yīng)力下進(jìn)行PENT（Pennsylvania Notched Test）試驗(yàn)，斷裂時(shí)間大于100 h；PE4710要求材料在80 ℃、2.4 MPa拉應(yīng)力下進(jìn)行PENT試驗(yàn)斷裂時(shí)間大于500 h。

E——縱向焊縫接頭有效系數(shù)或鑄件質(zhì)量系數(shù)

P——設(shè)計(jì)內(nèi)壓，MPa

S——設(shè)計(jì)溫度下最大許用應(yīng)力，MPa

軍隊(duì)是個(gè)鍛煉人的地方，大多士兵退役之后，憑借自己的奮斗取得事業(yè)成功，但并不是所有人都能得到很好的發(fā)展。謝清森告訴記者，離開部隊(duì)，很多士兵不能很好地適應(yīng)新的生活、融入新的環(huán)境。

tm——最小壁厚，mm

1.2.2 PE-HD管材壁厚設(shè)計(jì)

PE-HD 作為一種黏彈性材料，其強(qiáng)度是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，管材壁厚的確定主要考慮材料在長期載荷作用下的強(qiáng)度。如ASTM D3035 規(guī)定PE-HD 管材壁厚計(jì)算公式如式（2）所示：

式中 D0——管材平均外徑，mm

P——壓力等級，MPa

S——23 ℃時(shí)的靜水設(shè)計(jì)壓力（HDS，Hydrostatic design stress），MPa

t——管材最小壁厚，mm

PE-HD管材的耐靜液壓性能反映了管材承受長期內(nèi)壓的能力。ISO 標(biāo)準(zhǔn)體系中用最小要求強(qiáng)度（MRS，Minimum required strength）表示管材的長期靜液壓強(qiáng)度，美國標(biāo)準(zhǔn)體系中用靜水設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（HDB，Hydrostatic design basis）表示。如式（2）中的S 是由管材在長期靜液壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的表征管材長期性能的強(qiáng)度，由HDB決定。

1.3 許用應(yīng)力

1.3.1 金屬管材許用應(yīng)力

其中，σb為材料抗拉強(qiáng)度下限值；σs為材料常溫屈服點(diǎn)；σts為材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn)；σtD為材料在設(shè)計(jì)溫度下經(jīng)10×104h 斷裂的持久強(qiáng)度的平均值；σtn為材料在設(shè)計(jì)溫度下經(jīng)10×104h 蠕變率為1 %的蠕變極限。

1.3.2 PE-HD管材許用應(yīng)力

不同標(biāo)準(zhǔn)體系對于產(chǎn)品公差的要求不同，標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計(jì)系數(shù)取值也不同，不能直接比較兩種標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計(jì)出的管道風(fēng)險(xiǎn)程度大小。ISO 標(biāo)準(zhǔn)中C 的取值與材料牌號(hào)無關(guān)；而美國標(biāo)準(zhǔn)中DF的取值與材料牌號(hào)有關(guān)，相同的使用工況下不同材料牌號(hào)對應(yīng)的DF值可能不同。

一種是美國標(biāo)準(zhǔn)體系使用的HDB 表示法。HDS相當(dāng)于金屬管材的許用應(yīng)力，HDB 相當(dāng)于金屬管材的持久強(qiáng)度，DF相當(dāng)于金屬管材持久強(qiáng)度對應(yīng)的設(shè)計(jì)系數(shù)。HDS與HDB的關(guān)系如式（3）所示：

（2）由于腐蝕，金屬管材壁厚會(huì)因腐蝕而隨時(shí)間逐漸減薄；而PE-HD服役過程中壁厚幾乎不變。

DF——服役（設(shè)計(jì)）系數(shù)

σHDS——靜水設(shè)計(jì)壓力

提到馬賽克嵌花藝術(shù)，人們就會(huì)聯(lián)想到斑駁陸離的瀲滟光影和美輪美奐的視覺效果，至臻至精的工藝將斑斕多彩的拼貼元素渲染成極致唯美的迷人圖案。愛馬仕從Florence Manlik于2018年設(shè)計(jì)的2018款“Robedu Soir”絲巾汲取靈感，以2,200塊纖幼細(xì)小的皮革方片在41毫米表徑的Arceau腕表中拼嵌出駿馬的側(cè)面剪影。

另一種是歐洲（ISO標(biāo)準(zhǔn)）和我國（GB標(biāo)準(zhǔn)）在使用的MRS 表示法。σD相當(dāng)于金屬管材的許用應(yīng)力，MRS相當(dāng)于金屬管材的持久強(qiáng)度，C相當(dāng)于金屬管材持久強(qiáng)度對應(yīng)的安全系數(shù)。σD與MRS的關(guān)系如式（4）所示：

式中 σMRS——最小要求強(qiáng)度

C——總體使用（設(shè)計(jì)）系數(shù)

σD——設(shè)計(jì)應(yīng)力

1.4 金屬管與PE-HD管壁厚設(shè)計(jì)方法的聯(lián)系與區(qū)別

D——外徑，mm

綜合而言,通過對婦產(chǎn)科護(hù)理工作中存在的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析,并根據(jù)分析結(jié)果實(shí)施有效地改進(jìn)措施后,不僅減少醫(yī)院感染等不良癥狀的發(fā)生,還提高了婦產(chǎn)科的整體護(hù)理質(zhì)量以及護(hù)理效果,同時(shí)提高了患者對護(hù)理的滿意度,為我院樹立了良好的形象。

PE-HD管道的連接方式主要有電熔連接和熱熔連接兩種。電熔連接的管件對管道起增強(qiáng)作用，從強(qiáng)度上不需要考慮接頭折減系數(shù)。熱熔對接接頭如同金屬管道的環(huán)向焊縫，與軸向焊縫相比，其對管道整體強(qiáng)度的影響較小；并且熱熔對接是同種材料直接熔接，沒有引入異種材料，焊接產(chǎn)生的卷邊也對管道起到壁厚增厚的作用，因而一般也不考慮熱熔接頭的性能折減［20］。金屬管材和PE-HD 管材壁厚設(shè)計(jì)考慮的因素如表1所示。

表1 金屬管材與PE-HD管材壁厚設(shè)計(jì)影響因素對比Tab.1 Comparison of influencing factors of wall thickness design of metal pipes and PE-HD pipes

2 中、美、歐PE-HD管道標(biāo)準(zhǔn)比較

2.1 標(biāo)準(zhǔn)體系介紹

（2）管材環(huán)向應(yīng)力為中等應(yīng)力水平時(shí)，破壞模式為準(zhǔn)脆性破壞，破壞機(jī)理為SCG，破壞時(shí)間較長［15］。

中國GB 標(biāo)準(zhǔn)主要參考ISO 系列標(biāo)準(zhǔn)，如給水用PE-HD 管道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13663.2《給水用聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)第2部分：管材》，燃?xì)庥肞E-HD管道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為GB 15558.1，管材長期強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為GB 18252等。施工標(biāo)準(zhǔn)方面，中國在金屬管標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定了埋地PE-HD管施工規(guī)范CJJ 101《埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》和CJJ 63《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，其中規(guī)定了PE-HD 管道系統(tǒng)在材料、施工、水壓試驗(yàn)、驗(yàn)收等方面的要求。

美國PE-HD 管道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D3035《以受控外徑為基準(zhǔn)的聚乙烯（PE）塑料管（DR-PR）的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》、ASTM F714《依據(jù)外徑的聚乙烯（PE）塑料管（SDR-PR）的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》和ASTM F2619《高密度聚乙烯（PE）管道的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》等。適用于PE-HD管道的設(shè)計(jì)規(guī)范有ASME NM. 1《熱塑性塑料管道系統(tǒng)》和ASME NM.3《非金屬材料》，其中規(guī)定了使用熱塑性塑料管材和管件的要求。此外還針對核安全級PE-HD管道制定了專用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范案例N-755《核3 級聚乙烯（PE）塑料管道》和ASME BPVC.III.A-XXVI《核3 級埋地聚乙烯壓力管道施工規(guī)則》。

水稻在生長期間易感染白葉枯病，使稻谷不飽滿，直接影響大米質(zhì)量。水稻感染白葉枯病會(huì)出現(xiàn)葉片枯萎的情況發(fā)生，由此可以看出，白葉枯病的感染部位主要是在葉部，如果根莖葉出現(xiàn)了破損，病毒會(huì)從破損處對水稻造成破壞。除此之外，白葉枯病有較為頑強(qiáng)的生命力與破壞力，有較強(qiáng)的耐低溫能力，溫度適宜時(shí)會(huì)通過風(fēng)雨實(shí)施傳播，降雨量增大或者長期深水灌溉時(shí)會(huì)提高發(fā)病率。

中國、歐洲、美國主要使用的PE-HD 管道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范如表2所示。

2.2 設(shè)計(jì)方法對比

目前PE-HD 管道標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO 和美國兩套標(biāo)準(zhǔn)體系。中國PE-HD 管道標(biāo)準(zhǔn)的GB 系列主要參考ISO 系列標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)思想相同，可以歸為同一類標(biāo)準(zhǔn)體系。美國的ASME、ASTM、PPI 規(guī)范是一套獨(dú)立完整的標(biāo)準(zhǔn)體系。兩系統(tǒng)都使用薄壁圓筒壓力容器方程來表示管道內(nèi)壓與設(shè)計(jì)應(yīng)力的關(guān)系，如式（5）所示：

式中 ST——給定溫度T下的設(shè)計(jì)應(yīng)力，MPa

PT——給定溫度T下的壓力，MPa

金屬管道遵循壓力容器的設(shè)計(jì)思想，需要考慮壁厚腐蝕減?。籔E-HD 管的設(shè)計(jì)主要考慮管材韌性失效，其壁厚計(jì)算公式形式上與圓筒壓力容器中徑公式相似，且不需要考慮腐蝕。金屬管道可能存在軸向或環(huán)向的焊縫，設(shè)計(jì)公式中需要考慮焊縫系數(shù)；而PE-HD 管的生產(chǎn)方式為擠出成型，管材上不會(huì)有軸向焊縫，設(shè)計(jì)公式中不需要考慮焊縫系數(shù)。

根據(jù)徑厚比（外徑/壁厚，DR），可對式（5）進(jìn)行重新排列和簡化，得到更熟悉的式（6），該公式在塑料管行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

第三、明代以來國家賦稅的征銀制度與白銀貨幣化，使得社會(huì)對白銀需求大幅度增加，進(jìn)而促成全社會(huì)狂熱的拜銀風(fēng)潮。白銀即財(cái)富，閩東白銀大量開采，導(dǎo)致白銀文化的形成，進(jìn)而引起人們思想觀念上的大波動(dòng)，推動(dòng)閩東鄉(xiāng)村社會(huì)民俗的變遷，拜銀思想融入人們的生產(chǎn)和生活之中，同時(shí)，又反過來指導(dǎo)人們的生產(chǎn)和生活，如推動(dòng)該地文化的發(fā)展，促進(jìn)海外貿(mào)易的發(fā)展，亦促進(jìn)白銀生產(chǎn)技術(shù)的提高等。

表2 中國、歐洲、美國主要PE-HD產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范Tab.2 Common PE-HD products and design standards in China，Europe and America

式中 PT——給定溫度T下的壓力等級，MPa

DF——服從ASMT F714 給水管服役（設(shè)計(jì)）系數(shù)，小于1

觀察組患者的焦慮評分以及睡眠質(zhì)量改善情況均優(yōu)于對照組患者，組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見表1。

σHDB——HDB，給定溫度T 下的靜水設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，MPa

ISO 標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)體系中壓力設(shè)計(jì)公式的計(jì)算原理與表現(xiàn)形式是相似的，其主要差異來自管材的許用應(yīng)力選取，其本質(zhì)上是HDB 和MRS 的物理意義和測試方法不同。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系對PE-HD 材料長期強(qiáng)度的定義以及設(shè)計(jì)系數(shù)的確定方式不同，導(dǎo)致兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系PE-HD材料的分級方法不同。

中國的GB 系列PE-HD 管道標(biāo)準(zhǔn)是等效參考ISO系列標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法相同，是針對PE-HD管材的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。中國CJJ 63 和CJJ 101 標(biāo)準(zhǔn)是較為獨(dú)立的施工標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)系數(shù)和設(shè)計(jì)壓力的取值等方面參考金屬管道標(biāo)準(zhǔn)GB 50013和GB 50332，壁厚設(shè)計(jì)方法參考GB 系列管道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。CJJ 63 和CJJ 101 作為行業(yè)施工標(biāo)準(zhǔn)，更多考慮了施工過程中環(huán)境的影響，以及實(shí)際服役中瞬態(tài)壓力可能超過設(shè)計(jì)壓力的情況，設(shè)計(jì)系數(shù)的取值大于GB系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 PE-HD材料分級方法

ISO標(biāo)準(zhǔn)體系根據(jù)長期靜液壓強(qiáng)度對PE-HD管材進(jìn)行分級，材料牌號(hào)分級數(shù)為管材的MRS 乘以10 的值。ISO 標(biāo)準(zhǔn)體系中常用的牌號(hào)有PE80 和PE100。PE80材料的耐快速裂紋性能要求為公稱直徑250 mm、SDR11 的管材在0.8 MPa 內(nèi)壓下裂紋終止擴(kuò)展；PE100材料的耐快速裂紋性能要求為公稱直徑250 mm、SDR11 的管材在1.0 MPa 內(nèi)壓下裂紋終止擴(kuò)展。PE80 材料的耐SCG 性能要求為公稱直徑110 mm、SDR11的管材在80 ℃、0.8 MPa水壓下保持500 h無破壞無滲漏；PE100 材料的耐SCG 性能要求為公稱直徑110 mm、SDR11 的管材在80 ℃、0.92 MPa 水壓下保持500 h無破壞無滲漏。

美國對PE-HD管材有原料分級和管材分級兩種牌號(hào)。PE-HD的原料分級比較詳盡，根據(jù)ASTM D3350，PE-HD原料分級命名中包括7個(gè)物理性能，依次為原料的密度、熔體流動(dòng)速率、彈性模量、屈服強(qiáng)度、SCG性能、23 ℃的HDB、顏色和紫外線穩(wěn)定劑，其中前6個(gè)指標(biāo)以數(shù)字表示，最后1個(gè)指標(biāo)以字母表示［22］。管材牌號(hào)分級主要規(guī)定密度、耐SCG 性能和長期靜液壓強(qiáng)度3 個(gè)指標(biāo)，由PE加4位數(shù)組成。前2位數(shù)字為材料分級中的密度和耐SCG 性能，最后的2 位數(shù)字表示23 ℃的HDS。相同管材牌號(hào)的管材可能由不同的PE-HD 原料制成，如PE4710管材的原料可能為445474C或445574C等。

集中備件儲(chǔ)備庫的建成大大縮短了緊急狀態(tài)下備件的供貨周期，動(dòng)葉片鍛坯由90天縮短為25天，可以全面滿足用戶配件保供的需求。長期以來，渤海裝備與國內(nèi)多家大型鋼廠如寶鋼、撫鋼等簽署了采購框架協(xié)議，與國外輪盤制造企業(yè)也保持著良好的合作關(guān)系，強(qiáng)有力的保證了煙氣輪機(jī)制造用特種材料的品質(zhì)和工期。借助近兩年來在煙氣輪機(jī)總成項(xiàng)目上的經(jīng)驗(yàn)積累，渤海裝備還與相關(guān)合作商建立了完備的保供機(jī)制，在用戶急需、急件保供方面提供充足保障。

在ISO 標(biāo)準(zhǔn)體系下被指定為PE80 的管材，在美國標(biāo)準(zhǔn)體系中可能達(dá)到PE3608 的性能要求；在ISO 標(biāo)準(zhǔn)體系下被指定為PE100 的管材料，在美國標(biāo)準(zhǔn)體系中可能達(dá)到PE4710 的性能要求。兩種標(biāo)準(zhǔn)體系對于材料抵抗韌性破壞和脆性破壞的性能如表3所示。

表3 ISO和美國標(biāo)準(zhǔn)體系對不同牌號(hào)材料性能的規(guī)定Tab.3 Material performance requirements in ISO and American standards

ISO標(biāo)準(zhǔn)體系中對管材的短時(shí)強(qiáng)度、長時(shí)強(qiáng)度、耐快速裂紋擴(kuò)展性能和耐SCG性能4個(gè)方面的力學(xué)性能指標(biāo)給出最低值限制，PE100和PE80的力學(xué)性能要求如圖3所示。這四方面力學(xué)性能并非獨(dú)立的，而是存在某些內(nèi)部相關(guān)性。美國標(biāo)準(zhǔn)體系中對管材的短時(shí)強(qiáng)度、長時(shí)強(qiáng)度和耐SCG性能3個(gè)方面的力學(xué)性能指標(biāo)給出最低值限制，PE4710和PE3608的力學(xué)性能要求如圖4所示。2種標(biāo)準(zhǔn)體系對于材料長期強(qiáng)度和抗SCG性能的測試方法不同，無法直接比較那種方法對材料的要求更加嚴(yán)格。

Electric Field Distribution of AC Transmission Lines Considering Vertical Sag GUO Linxia,GONG Youjun(103)

圖3 ISO標(biāo)準(zhǔn)體系常用PE-HD管材牌號(hào)性能要求示意圖Fig.3 Schematic diagram of performance requirements of commonly used PE-HD pipes in ISO standard system

2.4 長期強(qiáng)度確定方法

圖4 美國標(biāo)準(zhǔn)體系常用PE-HD管材牌號(hào)性能要求示意圖Fig.4 Schematic diagram of performance requirements of commonly used PE-HD pipes in American standard system

PE-HD 管材的破壞與溫度、載荷大小和載荷持續(xù)時(shí)間有關(guān)，工作壓力增加或工作溫度增加都會(huì)導(dǎo)致管材破壞時(shí)間減少，即管材的使用壽命縮短。PE-HD 管道一般需要50 年或以上的使用壽命，目前標(biāo)準(zhǔn)通過較短時(shí)間的試驗(yàn)來外推幾十年甚至100 年使用時(shí)間下管材耐受靜液壓的能力。ISO 和美國兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系對于PE-HD 管道長期強(qiáng)度的預(yù)測方法相似，均通過靜液壓試驗(yàn)對管材長期靜水強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，但兩種方法的理論基礎(chǔ)略有不同。ISO 9080 中規(guī)定，管材最長的靜液壓試驗(yàn)至少持續(xù)9 000 h，管材破壞時(shí)的環(huán)向應(yīng)力與破壞時(shí)間數(shù)據(jù)使用多元線性回歸方法，通過對50 年（438 000 h）長期靜液壓強(qiáng)度的97.5 %的置信下限進(jìn)行歸類并依此確定材料的MRS 值。而在ASTM D2837 標(biāo)準(zhǔn)中，管材最長的靜液壓試驗(yàn)至少持續(xù)10 000 h，外推得到100 000 h（約11.4 年）的平均長期靜液壓強(qiáng)度，歸類以確定HDB 值。ASTM D2837中規(guī)定，每種溫度應(yīng)獨(dú)立評估，因而其線性回歸模型中沒有溫度變量。而ISO 9080中可由高溫試驗(yàn)結(jié)果外推低溫 數(shù)據(jù)。上述兩種方法的主要不同之處如表4所示。

1∶250 000 DLG數(shù)據(jù)的更新，以1∶50 000 DLG數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，參考交通資料、地理國情監(jiān)測成果資料，對1∶250 000 DLG數(shù)據(jù)庫中的交通、居民地、境界、地名、水系要素進(jìn)行更新。

表4 ISO體系與ASTM 體系管材長期靜水強(qiáng)度預(yù)測方法對比［22］Tab.4 Comparison of long-term hydrostatic strength prediction methods of pipelines in ISO and ASTM standards

ISO標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)定PE-HD管道在水或空氣的測試環(huán)境中，環(huán)境溫度為20°C的情況下，根據(jù)能夠承受50年的應(yīng)力預(yù)測下限（在97.5 %的概率水平）為預(yù)測破壞極限（σLPL）。根據(jù)σLPL范圍按照ISO 12162 確定MRS分級，最終確定管道的牌號(hào)分類，如表5 所示。從ISO標(biāo)準(zhǔn)體系的PE-HD 管道牌號(hào)看，只能體現(xiàn)管材的長期靜液壓強(qiáng)度。

表5 ISO 12162中20 ℃下MRS和牌號(hào)分級Tab.5 MRS classification at 20℃in ISO 12162

美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2837 在方法上與ISO 9080 和ISO 12162 相似，都是對管材試樣進(jìn)行長期靜液壓試驗(yàn)，特定溫度下100 000 h（11.4 年）的平均破壞應(yīng)力定義為長期靜水強(qiáng)度（LTHS），按照ASTM D2837 確定HDB等級，如表6所示。

表6 ASTM D2837中HDB分級Tab.6 HDB classification in ASTM D2837

ISO 9080 和ASTM 2837 對于長期靜液壓強(qiáng)度預(yù)測的本質(zhì)區(qū)別是，ISO 標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測的是管道50 年置信度為97.5%的靜液壓強(qiáng)度，其預(yù)測值本身已考慮了材料長時(shí)性能的不確定性（包括測試方法的不確定性）；ASTM 預(yù)測的是管道11.4 年的平均靜液壓強(qiáng)度，其預(yù)測結(jié)果僅僅表示長時(shí)性能的期望值，而不包含材料本身不確定性的影響。因而對于同一種材料，采用ISO標(biāo)準(zhǔn)得到的MRS 值會(huì)明顯低于通過ASTM 標(biāo)準(zhǔn)測得的HDB。以此為基礎(chǔ)計(jì)算管材許用應(yīng)力，ASTM 標(biāo)準(zhǔn)需要比ISO 標(biāo)準(zhǔn)多考慮材料不確定性的影響，因而ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中等效的總體使用（設(shè)計(jì)）系數(shù)（1/DF）通常要大于ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的總體使用系數(shù)（C）。

根據(jù)PPI TR-3 DF取0.63，根據(jù)式（3）可由HDB計(jì)算HDS。PE3608、PE3708、PE4608等牌號(hào)材料最后兩位“08”表示HDS 分級為800 psi（5.5 MPa）。PE3710、PE4710 等牌號(hào)材料最后兩位“10”表示HDS 分級為1 000 psi（6.9 MPa）。

2.5 其他區(qū)別

由ISO 標(biāo)準(zhǔn)體系定義的PE100 管材與美國標(biāo)準(zhǔn)定義的PE4710 管材，按照各自設(shè)計(jì)規(guī)范中的壓力公式計(jì)算出額定壓力等級不同。ISO 標(biāo)準(zhǔn)采用公制尺寸，美國標(biāo)準(zhǔn)采用英制尺寸，兩體系PE-HD 管道的標(biāo)準(zhǔn)管材外徑和壁厚均不同。同一種材料同時(shí)滿足PE100 和PE4710要求時(shí)，ISO體系計(jì)算出的管道許用壓力較高。因而當(dāng)按照ISO 標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計(jì)生產(chǎn)的PE-HD 管道按照美國標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行測試時(shí)，可能無法通過，但這并不意味著美國標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計(jì)的PE-HD 管比ISO 體系的更加安全。公英制管道的轉(zhuǎn)換一般需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系的設(shè)計(jì)和測試要求。

作為同種材料生產(chǎn)而成的PE-HD 管，材料本身的力學(xué)行為是相同的，但是使用不同標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行評估得到的長期性能會(huì)有所不同，相差4 %～5 %［24］。PE100 與PE4710 管道性能要求相似，在一定條件下可以實(shí)現(xiàn)互換，目前大部分PE100 或PE4710 管道可以同時(shí)滿足兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系的要求。

PE-HD 管材的強(qiáng)度表示方法，目前主要分為2種［17-18］。

2.6 設(shè)計(jì)舉例

2.6.1 算例1

譚剛[1]系統(tǒng)地總結(jié)了當(dāng)前海上風(fēng)電工程領(lǐng)域用來評估風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)疲勞強(qiáng)度的主流方法，提到波浪理論和疲勞損傷理論等因素都影響疲勞損傷的計(jì)算精度，同時(shí)由于材料特性和風(fēng)浪聯(lián)合模型的不確定性，引入了疲勞可靠性概念。

根據(jù)套管結(jié)構(gòu)分類，可分為電容性和純瓷兩種類型，電容性套管重點(diǎn)需要關(guān)注電容層的性能，包括電容量和介損，避免由于運(yùn)行期間其內(nèi)部持續(xù)的局部放電或過熱導(dǎo)致電容失效；對于純瓷型套管而言，在運(yùn)行期間則需要重點(diǎn)關(guān)注其機(jī)械性的損傷，機(jī)械性的損傷同樣會(huì)對其絕緣性能造成影響，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

對于同種管材，不同使用場合下允許使用的最大壓力不同；對于相同的使用場合，由于不同國家不同標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)系數(shù)不同，采用不同的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的最大許用壓力也不同。

由式（7）和（8）可以計(jì)算管材的設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)壓力只與管材的徑厚比（DR）、材料的長期強(qiáng)度（MRS、HDB）以及設(shè)計(jì)系數(shù)（C、DF）有關(guān)。假設(shè)某管材同時(shí)滿足PE100 和PE4710 牌號(hào)要求，徑厚比DR=11。在不同使用場合、不同介質(zhì)條件下，根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的設(shè)計(jì)壓力如表7所示。

表7 不同標(biāo)準(zhǔn)允許的設(shè)計(jì)壓力Tab.7 Allowable design pressure according to different standards

對于同一種材料的管道，不論用哪種設(shè)計(jì)方法，材料本身的力學(xué)行為是相同的。不同標(biāo)準(zhǔn)中對于材料評級時(shí)測試的力學(xué)性能不同，測試方法不同，參數(shù)要求不同，導(dǎo)致PE100 和PE4710 材料本身的不確定度不同，因此設(shè)計(jì)中所取的設(shè)計(jì)系數(shù)也不同，計(jì)算對應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力不同。如市政給水PE-HD 管道，ISO 4437-2 中規(guī)定材料的總體使用（設(shè)計(jì)）系數(shù)C 為1.25，材料環(huán)向強(qiáng)度以MRS 表示，為10 MPa，則管材環(huán)向許用應(yīng)力為8 MPa，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa。而若根據(jù)ASTM D3035，服役（設(shè)計(jì)）系數(shù)DF為0.63，材料環(huán)向強(qiáng)度以HDB 表示，為1 600 psi（11.03 MPa），則環(huán)向許用應(yīng)力為6.95 MPa，設(shè)計(jì)壓力為1.38 MPa。

PE100牌號(hào)管材的MRS為10 MPa，指材料的長期環(huán)向強(qiáng)度為10 MPa，對于不同使用場合和介質(zhì)，泄漏的風(fēng)險(xiǎn)程度和危害程度不同，所取的設(shè)計(jì)系數(shù)不同，導(dǎo)致設(shè)計(jì)壓力有所區(qū)別。PE4710 材料的HDS 為1 000 psi（6.9 MPa），指材料的長期環(huán)向許用應(yīng)力為1 000 psi（6.9 MPa），其中已經(jīng)包含了各種影響因素共同作用下的設(shè)計(jì)系數(shù)，即美國標(biāo)準(zhǔn)體系中的PE-HD 材料分級已經(jīng)考慮管材的使用場合和介質(zhì)。兩種標(biāo)準(zhǔn)體系沒有辦法直接比較哪種更加保守。

2.6.2 算例2

假設(shè)某類管材同時(shí)滿足PE100 和PE4710 牌號(hào)要求，需要外徑110 mm 左右的管道，使用在工作壓力0.7 MPa、設(shè)計(jì)溫度23 ℃的工況下，設(shè)計(jì)壽命為50 年。根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)選取所需的管材規(guī)格如表8所示。

表8 不同標(biāo)準(zhǔn)選取的管道規(guī)格Tab.8 Pipe parameters from different standards

ISO 標(biāo)準(zhǔn)體系使用公制單位，美國標(biāo)準(zhǔn)體系使用英制單位，并且壁厚系列也不完全相同。由于管材的規(guī)格必須按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)選取相應(yīng)尺寸系列的壁厚，選取的壁厚一般會(huì)大于計(jì)算得到的最小壁厚。相同的壓力和溫度要求下，即使計(jì)算壁厚值接近，由于標(biāo)準(zhǔn)中給定的壁厚系列各不相同，選取的壁厚值也可能相差較大。如PE4710 燃?xì)夤艿溃?jì)算得最大徑厚比為20.9，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可選擇DR19 系列管材。而對于PE100 燃?xì)夤艿?，?jì)算得最大徑厚比為15.3，根據(jù)ISO 4437-2可選擇SDR13.6系列的管材，但根據(jù)GB 15558.1只能選用SDR11系列管材，導(dǎo)致安全裕量較大，存在一定程度的材料浪費(fèi)。

3 中國PE-HD管材標(biāo)準(zhǔn)存在的問題

3.1 標(biāo)準(zhǔn)制定更新滯后

我國現(xiàn)行的市政用PE-HD 管道GB 系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要參考ISO 體系標(biāo)準(zhǔn)，有些標(biāo)準(zhǔn)參考的是十年前甚至更早的ISO 標(biāo)準(zhǔn)，而對應(yīng)的ISO 標(biāo)準(zhǔn)有些已經(jīng)被新標(biāo)準(zhǔn)替換，如表9 所示。我國PE-HD 管道GB 系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)相對來說修訂滯后。

表9 PE-HD管道GB和ISO標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀對照Tab.9 Comparison of current status of GB and ISO standards for PE-HD piping

我國應(yīng)當(dāng)加快緊缺、老化標(biāo)準(zhǔn)的研制和更新力度。建議對早于10 年前頒布實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩查，廢止較老舊的標(biāo)準(zhǔn)，以及部分沖突和重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)體系不夠完善

我國現(xiàn)行的PE-HD 管道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和施工標(biāo)準(zhǔn)對PE-HD管道生產(chǎn)加工和產(chǎn)品檢驗(yàn)方面做出了規(guī)定。這些標(biāo)準(zhǔn)主要制定單位來自上游的管材原材料供應(yīng)商和管材生產(chǎn)企業(yè)，缺少對使用單位等下游用戶訴求的體現(xiàn)。相比于美國的ASME NM. 1-2018 和ASME NM.3-2018，我國缺少系統(tǒng)的PE-HD 管設(shè)計(jì)規(guī)范，也沒有完整的標(biāo)準(zhǔn)體系框架，這導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)的研制缺乏計(jì)劃性和科學(xué)性。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)歸口管理機(jī)構(gòu)較多，相互之間協(xié)調(diào)推進(jìn)機(jī)制不完善，造成目前PE-HD 管道標(biāo)準(zhǔn)體系中存在互相沖突、互相交叉等問題［25］。設(shè)計(jì)方可以通過設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合實(shí)際不同工況條件設(shè)計(jì)需要的管材尺寸，再根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)選擇適合的管材規(guī)格。

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要面向?qū)ο鬄镻E-HD 管道的制造商，其適用于管材產(chǎn)品的加工和制造，用于規(guī)范產(chǎn)品的尺寸和質(zhì)量。PE-HD管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與金屬管道有很大不同，起初設(shè)計(jì)者曾嘗試使用金屬管道標(biāo)準(zhǔn)解決PE-HD管道材料的使用問題，但行業(yè)經(jīng)驗(yàn)表明，金屬管道標(biāo)準(zhǔn)無法解決PE-HD 管道的適用范圍、設(shè)計(jì)、材料、制造、安裝、焊接等問題［26］。

目前PE-HD 管主要應(yīng)用于燃?xì)夂徒o水領(lǐng)域，已有對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。近年來核電廠也開始采用PE-HD 管道，而我國目前沒有適用于核安全級的PE-HD 管道標(biāo)準(zhǔn)。對于設(shè)計(jì)規(guī)范而言，不論用于燃?xì)?、給水還是核電冷卻水，設(shè)計(jì)方法應(yīng)當(dāng)是相同的。對于不同使用場合下載荷情況的區(qū)別、不同安全級別對于失效概率要求的區(qū)別、不同介質(zhì)泄漏危害的區(qū)別等，應(yīng)當(dāng)考慮不同的設(shè)計(jì)系數(shù)［27］。

我國PE-HD 管道標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)應(yīng)按照目標(biāo)明確、全面成套、層次分明、劃分清晰的原則進(jìn)行，形成一個(gè)科學(xué)系統(tǒng)的整體［25］。設(shè)計(jì)規(guī)范面向服役工況，計(jì)算和設(shè)計(jì)不同工況下所需的管道壁厚和管件結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)面向制造商，應(yīng)規(guī)定PE-HD 管道的尺寸規(guī)格和公差、加工方法和測試要求等。施工標(biāo)準(zhǔn)面向現(xiàn)場施工人員，應(yīng)規(guī)定實(shí)際安裝過程中的操作方法。

3.3 對塑料管道行業(yè)的影響

ISO 標(biāo)準(zhǔn)體系使用公制單位，美國標(biāo)準(zhǔn)體系采用英制單位。管材生產(chǎn)的尺寸規(guī)格按照優(yōu)先數(shù)取值，兩種標(biāo)準(zhǔn)體系中的管材尺寸系列完全不同。這意味著生產(chǎn)不同標(biāo)準(zhǔn)體系管材使用的擠出機(jī)模具不能通用，需要針對不同直徑規(guī)格的管材配備對應(yīng)尺寸的模具。連接管材所用的管件需要與管材尺寸匹配，按照不同標(biāo)準(zhǔn)體系生產(chǎn)管件的模具規(guī)格也不同。

PE-HD管道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和施工標(biāo)準(zhǔn)中對設(shè)計(jì)系數(shù)的規(guī)定不統(tǒng)一，不同用途的管道有不同的設(shè)計(jì)系數(shù)，施工中為了安全一般選擇較為保守的設(shè)計(jì)系數(shù)，使得最終管道用戶的使用壓力一般處于較低水平。以PE100，SDR11燃?xì)釶E-HD管為例，按照屈服強(qiáng)度25 MPa計(jì)算，短時(shí)爆破壓力5 MPa；50 年預(yù)測MRS 為10 MPa，對應(yīng)內(nèi)壓為2 MPa。按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB 15558.1取C=2，最大使用壓力1.0 MPa；按照施工標(biāo)準(zhǔn)CJJ 63 取C=2.5，最大使用壓力0.8 MPa。而實(shí)際工程中天然氣管道工作壓力約0.3～0.4 MPa。燃?xì)夤艿酪粚右粚拥膹?qiáng)度余量保留，造成了聚乙烯管材的性能過剩和材料浪費(fèi)，如圖5所示。

圖5 PE100 SDR11管材強(qiáng)度與壓力對比Fig.5 Comparison of PE100 SDR11 pipe strength and pressure

ISO標(biāo)準(zhǔn)體系和美國體系中對于PE-HD管材外徑和壁厚的尺寸公差要求不同，從數(shù)值上看ISO 標(biāo)準(zhǔn)體系中對于壁厚公差限制更嚴(yán)格一些。對于管材生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)ISO標(biāo)準(zhǔn)體系管材對設(shè)備精度要求更高。

ISO和美國標(biāo)準(zhǔn)體系對PE-HD管材的分級依據(jù)不同，同一種原材料生產(chǎn)的管材會(huì)被定義為不同的牌號(hào)，根據(jù)各自標(biāo)準(zhǔn)體系的壓力計(jì)算公式得到不同的設(shè)計(jì)壓力。實(shí)際應(yīng)用到市政領(lǐng)域中會(huì)出現(xiàn)相同材料的管道依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)安裝時(shí)，具有不同的工作壓力的情況。

3.4 不同標(biāo)準(zhǔn)體系共存

我國目前PE-HD 管道產(chǎn)品生產(chǎn)、檢驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)遵循ISO 標(biāo)準(zhǔn)體系的方法和思想，但是對于ISO 標(biāo)準(zhǔn)沒有涉及到的領(lǐng)域，如核電廠安全相關(guān)PE-HD 管道，只能按照美國標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型。同時(shí)兼顧兩套標(biāo)準(zhǔn)體系的要求必然會(huì)造成成本的增加，但是兩套標(biāo)準(zhǔn)對管材的生產(chǎn)加工到設(shè)計(jì)計(jì)算都有完全不同的要求。因此我國需要發(fā)展獨(dú)立自主的標(biāo)準(zhǔn)體系，為核電廠PEHD管道國產(chǎn)化提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

核安全級設(shè)備的要求較高，對聚乙烯管道的技術(shù)和質(zhì)量要求較為嚴(yán)格。目前ASME的核電聚乙烯管標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)較為完整，N-755和ASME BPVC.III.A-XXVI規(guī)定只許使用PE4710 牌號(hào)的管道，但并不是所有PE100的管材都符合PE4710 的性能要求，這會(huì)給如中國這樣采用ISO標(biāo)準(zhǔn)體系的國家?guī)眍~外的障礙或負(fù)擔(dān)［28］。

本文對比不同的核電管道設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)現(xiàn)，各標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)原理與思路相似，管材壁厚設(shè)計(jì)公式相似。我國若編制獨(dú)立自主的PE-HD 管道設(shè)計(jì)規(guī)范，不應(yīng)當(dāng)完全采用ISO 或美國的標(biāo)準(zhǔn)條款，應(yīng)根據(jù)我國現(xiàn)有的材料標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、制造水平等配套地編寫適用于我國國情的標(biāo)準(zhǔn)［29］。制定合理的設(shè)計(jì)方法關(guān)鍵在于結(jié)合PE-HD 材料的長期強(qiáng)度制定合理的設(shè)計(jì)系數(shù)的取值方法，需要在研究ISO 和美國標(biāo)準(zhǔn)體系中設(shè)計(jì)系數(shù)的取值方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)材料和系統(tǒng)的失效概率、失效后果、載荷情況研究確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)系數(shù)。

3.5 中國標(biāo)準(zhǔn)體系發(fā)展建議

完整的PE-HD 管道標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)包括材料標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范、施工標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)等，各標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)相互協(xié)調(diào)配合，完整覆蓋PE-HD 管道從生產(chǎn)加工到服役使用的全過程。同時(shí)應(yīng)明確各類標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍，明確目標(biāo)，劃分清晰，避免出現(xiàn)交叉重疊。

材料標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括原材料性能的測試方法，解決原材料認(rèn)證和供應(yīng)問題，支撐國產(chǎn)材料的發(fā)展，我國已有標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18252 等。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)能夠確保聚乙烯管道從原材料經(jīng)過制造，仍保留了原材料性能要求，并能根據(jù)不同的設(shè)計(jì)壓力確定產(chǎn)品規(guī)格，我國已有標(biāo)準(zhǔn)GB 15558.1 和GB/T 13663.2 等。設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)針對載荷（溫度/壓力等載荷）、環(huán)境（介質(zhì)）等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足服役條件。應(yīng)使設(shè)計(jì)者能夠根據(jù)設(shè)計(jì)工況條件和具體使用時(shí)的安全性、可靠性要求，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可以確定合適的管材規(guī)格。目前我國沒有單獨(dú)的設(shè)計(jì)規(guī)范，可以研究參考美國標(biāo)準(zhǔn)ASME NM.3.1，對不同載荷引起的管道最大應(yīng)力進(jìn)行限制，考慮溫度循環(huán)引起的疲勞等。施工標(biāo)準(zhǔn)是施工過程中應(yīng)遵守的規(guī)范，在管道連接和敷設(shè)過程中考慮環(huán)境和操作條件的限制和影響，確保工程質(zhì)量和安全供給，我國已有標(biāo)準(zhǔn)CJJ 63 和CJJ 101 等。檢驗(yàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包含無損檢測的方法、要求以及相關(guān)的安全評定方法等，我國已制定標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29461和GB/T 29460等。

目前，我國PE-HD 管道各類標(biāo)準(zhǔn)中存在交叉、重疊甚至矛盾的問題。如PE-HD燃?xì)夤艿繥B 15558.1、2 系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)參考ISO 4437-1、-2、-3 系列標(biāo)準(zhǔn)，其中對PE-HD 管道壁厚設(shè)計(jì)公式中已經(jīng)定義了C 的最小值可取2.0，而施工標(biāo)準(zhǔn)CJJ 63中將C 的最小值提高到2.5。GB 15558中只給出了C的最小值，沒有明確說明C 取值所考慮的影響因素，例如載荷不確定度、材料不確定度、環(huán)境因素以及失效后果等的影響。CJJ 63 根據(jù)不同的燃?xì)夥N類，給出了天然氣、液化石油氣和人工煤氣的C 值范圍，但是對于載荷和材料的不確定度等因素對C 取值的影響，沒有明確的說明。建議標(biāo)準(zhǔn)中明確列出C 的取值方法和依據(jù)，使設(shè)計(jì)者能夠根據(jù)載荷情況和安全等級判斷所需的安全裕量，在設(shè)計(jì)或施工中選擇合理的設(shè)計(jì)系數(shù)，減少生產(chǎn)成本。

標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)考慮PE-HD 材料的力學(xué)特性。如CJJ 101-2016中設(shè)計(jì)壓力采用l.5倍工作壓力是考慮運(yùn)行中水錘殘余壓力增大確定的，是為了保證使用期間出現(xiàn)短時(shí)的超過工作壓力的內(nèi)壓載荷時(shí)管材仍可以承受。對于長期強(qiáng)度和短期強(qiáng)度接近的金屬材料，由于短期出現(xiàn)的超過工作壓力的載荷形成的應(yīng)力更大，將1.5倍工作壓力作為設(shè)計(jì)壓力的規(guī)定對于金屬管道是科學(xué)的。而聚乙烯是黏彈性材料，長期強(qiáng)度和短期強(qiáng)度相差很大，對于長期載荷和短期載荷應(yīng)該分開校核，如ASME BPVC.III.A-XXVI-2019 中列出了不同作用時(shí)間情況下，材料強(qiáng)度和模量的取值，以及對應(yīng)的校核公式。

PE-HD 管道標(biāo)準(zhǔn)體系中，不同標(biāo)準(zhǔn)之間可以相互配合與協(xié)調(diào)。如CJJ 33《城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔こ淌┕ぜ膀?yàn)收規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)無損檢測比例為100 %時(shí)，管道設(shè)計(jì)的焊縫系數(shù)為1。無損檢測通過獲取管道更多信息，減小管道系統(tǒng)運(yùn)行服役的不確定性，降低設(shè)計(jì)安全系數(shù)，從而提高管道的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

完善PE-HD 管道標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)充分發(fā)揮現(xiàn)有優(yōu)勢。我國PE-HD 管道電熔接頭無損檢測與安全評定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)處于國際領(lǐng)先水平。如GB/T 29461《聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測》，相比ASTM 標(biāo)準(zhǔn)，除了給出常規(guī)的檢測工藝與程序要求，還包含了冷焊缺陷的檢測方法，并且給出各類典型缺陷的超聲圖譜對照圖，更加便于檢測人員實(shí)施。

在追蹤國外標(biāo)準(zhǔn)更新動(dòng)態(tài)的同時(shí)，加大科研投入，結(jié)合我國標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施情況以及產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，發(fā)揮現(xiàn)有優(yōu)勢，在現(xiàn)行PE-HD 管道相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出適合我國的完整完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，解決目前我國標(biāo)準(zhǔn)中存在的部分技術(shù)要求規(guī)定不明確和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)間沖突等問題。

4 結(jié)語

PE-HD材料與金屬材料相比具有耐腐蝕、密度小、壽命長等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于給水和燃?xì)獾阮I(lǐng)域。PEHD 管道的壁厚設(shè)計(jì)主要考慮材料強(qiáng)度隨時(shí)間的下降，而金屬管道的壁厚設(shè)計(jì)主要考慮材料的腐蝕。PE-HD管道與金屬管道失效模式的不同導(dǎo)致了二者的壁厚設(shè)計(jì)公式的不同。PE-HD管道的設(shè)計(jì)需要結(jié)合材料本身的力學(xué)性質(zhì)，不能完全按照金屬管道的設(shè)計(jì)方法。

ISO標(biāo)準(zhǔn)體系與美國標(biāo)準(zhǔn)體系對于PE-HD管道的材料的分級方法和長期強(qiáng)度確定方法的規(guī)定不同，相同的PE-HD材料制成的管材使用不同的標(biāo)準(zhǔn)體系會(huì)被認(rèn)證為不同牌號(hào)的管材，按照各自體系中的設(shè)計(jì)公式得到不同的設(shè)計(jì)壓力。目前我國PE-HD管道標(biāo)準(zhǔn)主要是由ISO標(biāo)準(zhǔn)翻譯后修改而來，并且與ISO標(biāo)準(zhǔn)相比存在著較為嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象。我國在某些場合（如核電廠）的PE-HD 管道系統(tǒng)會(huì)使用美國的相關(guān)規(guī)范，兩套體系的并存可能會(huì)引起生產(chǎn)成本的增加。相比美國PE-HD管道標(biāo)準(zhǔn)體系，ISO 標(biāo)準(zhǔn)體系中設(shè)計(jì)方法部分并不完善，但是我國現(xiàn)有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)沿用了ISO 標(biāo)準(zhǔn)的分級思想和尺寸系列。因?yàn)橐贫ㄍ晟频腜E-HD 管道標(biāo)準(zhǔn)體系，不應(yīng)單一的參考ISO 標(biāo)準(zhǔn)或美國標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)在我國現(xiàn)有GB標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，以ISO管材分級方法為基礎(chǔ)，借鑒美國標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思想，發(fā)展獨(dú)立自主的管道規(guī)范。應(yīng)當(dāng)逐漸積累自己的測試方法和數(shù)據(jù)，考慮國內(nèi)目前的標(biāo)準(zhǔn)體系情況與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，制定與我國生產(chǎn)、測試、檢測條件相匹配的獨(dú)立的PE-HD管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，支撐我國PEHD管道行業(yè)的健康快速發(fā)展。