城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道壓扁阻斷關(guān)鍵技術(shù)分析

雷素敏，喬 佳，于燕平，方媛媛

(北京市燃氣集團研究院，北京 100011)

1 概述

隨著PE管材在城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛，各種PE管搶險維修新技術(shù)、新設(shè)備應(yīng)運而生。其中壓扁阻斷就是基于PE管道良好韌性的專用管道施工及維護技術(shù)[1]。該技術(shù)采用夾管器將PE燃氣管道壓扁直至管道內(nèi)壁貼合，從而控制燃氣流量，同時結(jié)合帶壓開孔技術(shù)加裝臨時旁通管，實施PE燃氣管道不停氣條件下修復(fù)、更換、接管等作業(yè)[2]。此技術(shù)近年來在國內(nèi)各燃氣公司得到了推廣應(yīng)用。

2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況

在國外，美國、英國針對PE管材壓扁阻斷工藝的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、施工標(biāo)準(zhǔn)較為完善。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM 1563-01《聚乙烯(PE)油氣管道壓扁工具標(biāo)準(zhǔn)》(Standard Specification for Tools to Squeeze-off Polyethylene (PE) Gas Pipe or Tubing)規(guī)定了PE管道壓扁工具的相關(guān)要求，包括結(jié)構(gòu)、尺寸等。英國標(biāo)準(zhǔn)GIS/PL2-7《天然氣和適宜人工煤氣用聚乙烯管材和管件 第7部分：壓扁工具與設(shè)備》(Polyethylene pipes and fittings for natural gas and suitable manufactured gas Part 7: Squeeze-off tools and equipment)中，除了結(jié)構(gòu)、尺寸外，還規(guī)定了工具的材料、性能及檢驗等要求。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4437-2《燃氣用塑料管道(PE)系統(tǒng) 第2部分：管材》(Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels-Polyethyene(PE) - Part2：Pipes)中提出了壓扁復(fù)原試驗方法，此方法在實驗室檢測，為管材型式檢驗的一項內(nèi)容，用于檢測新管材的壓縮復(fù)原性能。

施工標(biāo)準(zhǔn)ASTM F1041-02《聚烯烴油氣管道壓扁操作標(biāo)準(zhǔn)指南》(Standard Guide for Squeeze-off of Polyolefin Gas Pressrue Pipe and Tubing)規(guī)定了聚烯烴壓力管道的壓扁及復(fù)原工序的相關(guān)要求。ASTM F1734-03《避免聚乙烯燃氣管道長期損壞的擠壓工具、管道、壓扁工序組合評定標(biāo)準(zhǔn)》(Standard Practice for Qualification of a Combination of Squeeze Tool, Pipe, and Squeeze-off Procedures to Avoid Long Term Damage in Polyethylene (PE) Gas Pipe)規(guī)定了PE管道壓扁操作工序評定的相關(guān)要求。《美國塑料管道協(xié)會(PPI)聚乙烯管道手冊》中第二章規(guī)定了PE管道壓扁操作的相關(guān)要求，包括壓扁速率、壓扁位置以及安全要求。

在國內(nèi)，尚無壓扁阻斷技術(shù)的專用標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 15558.1—2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》只是對管材產(chǎn)品的壓縮復(fù)原性能試驗的流程進行了簡單描述與規(guī)定，未涉及具體操作與安全方面的要求，不適用于施工現(xiàn)場的壓扁阻氣操作。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 51—2016《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)施運行、維護和搶修安全技術(shù)規(guī)程》第5.3.7條只是提出了PE管道使用夾管器壓扁后應(yīng)復(fù)原并標(biāo)注位置，同一位置不得壓扁2次的要求，未提出其他具體操作要求與相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。

3 PE管壓扁阻斷技術(shù)存在的問題

① PE管材對溫度比較敏感，隨著環(huán)境溫度降低變得越來越硬而脆，當(dāng)?shù)陀谝欢ōh(huán)境溫度時，采用壓扁阻斷工藝，極有可能使管材表面產(chǎn)生裂紋，增加燃氣泄漏風(fēng)險。GIS/PL2-7提出，壓扁阻斷工具及設(shè)備可在-5～30 ℃范圍使用。英國某協(xié)會發(fā)布的PE燃氣管道施工規(guī)范提出，壓扁阻斷操作的環(huán)境溫度應(yīng)高于0 ℃。壓扁阻斷是否能在低于0 ℃且高于-5 ℃的環(huán)境溫度下操作需要研究與驗證。

② PE管的管徑越大，壁厚越厚，壓扁時越不容易阻斷PE管內(nèi)燃氣，尤其是在運行壓力較高的條件下，有可能出現(xiàn)壓扁處燃氣泄漏的情況。若燃氣泄漏量過大，在后續(xù)切線作業(yè)時，會對操作人員造成傷害。因此，多大口徑的PE管可以采用壓扁阻斷工藝，是需要明確的問題。

③ 壓扁操作前首先應(yīng)明確PE管壓扁位置。不是任何位置都能進行壓扁操作，如果選擇在PE管系統(tǒng)的薄弱處，如接頭、表面劃痕等應(yīng)力集中處進行壓扁，則有可能損傷PE管材。因此，壓扁操作位置的選擇也是需要關(guān)注的問題。

④ 夾管速率和松開速率對壓扁操作非常重要。PE材料的力學(xué)性能與施加載荷的速率密切相關(guān)，夾管與松開時，需有足夠的時間讓管材吸收和釋放由壓扁所產(chǎn)生的應(yīng)力，因此夾管與松開操作都應(yīng)在低速狀態(tài)下進行，松開速率的控制應(yīng)該更為小心[3]。夾管速率與松開速率如何控制，也是本文重點分析的內(nèi)容。

綜上所述，上述提到的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，如壓扁阻斷工藝適用的管徑范圍、環(huán)境溫度、壓扁位置、壓扁速率等，直接關(guān)系到施工安全與工程質(zhì)量，在國內(nèi)缺少相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)的情況下如何明確這些指標(biāo)，是亟待解決的問題。

4 PE管壓扁阻斷技術(shù)關(guān)鍵指標(biāo)分析

4.1 壓扁阻斷工藝適用的管徑范圍與環(huán)境溫度

壓扁阻斷是通過操作夾管器平行桿之間的管道來控制PE管內(nèi)流量的一種方法，流量控制并不意味著使管內(nèi)燃氣流量降至0，尤其在較大口徑、較高壓力或較低環(huán)境溫度情況下，壓扁處可能會出現(xiàn)燃氣泄漏，壓扁后的管材性能有可能降低。雖然GB/T 15558.1—2015提出了管材產(chǎn)品的壓縮復(fù)原試驗要求，但是由于此標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)要求管材制造商應(yīng)保證壓縮復(fù)原后的管材能滿足靜液壓強度的要求，而針對壓扁阻斷效果，即燃氣泄漏量并沒有提出規(guī)定。針對這個問題，開展壓扁阻斷的相關(guān)測試，主要包括氣體泄漏量的測試，以及壓扁阻斷后管材的靜液壓強度性能測試。

① 試驗方案

目前，國內(nèi)無壓扁阻斷的氣體泄漏量測試方法與合格指標(biāo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。筆者依據(jù)英國標(biāo)準(zhǔn)GIS/PL2-7中壓扁阻斷氣體泄漏測試的方法，搭建壓扁阻斷性能測試試驗臺，試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置

出于安全考慮，實驗介質(zhì)選用氮氣。試驗壓力最小為0.1 MPa，并依次以0.1 MPa的間隔升壓，直至達到最高試驗壓力0.6 MPa。

為了驗證壓扁阻斷是否能在低于0 ℃且高于-5 ℃的環(huán)境溫度下操作，本試驗在-5、0 ℃下進行。由于實驗條件有限，為了模擬此試驗環(huán)境，將管材樣品放入冷凍室內(nèi)，分別在-5、0 ℃溫度下狀態(tài)調(diào)節(jié)至少12 h后取出，并立即進行壓扁阻斷。

試樣盡量做到管材的常用規(guī)格、級別全覆蓋。考慮到公稱外徑dn為315 mm的管材壁厚較厚，實際工程一般不采用壓扁阻斷工藝，因此本實驗用試樣選用公稱外徑dn為63、90、110、160、200、250 mm等常用規(guī)格，每個規(guī)格選用級別為PE80、PE100的材料進行試驗。同時，為了驗證實驗的一致性，每種規(guī)格、每種級別的管材試樣分別取2根，共計24根。試樣的長度參考GB/T 15558.1—2015中管材壓縮復(fù)原性能試驗的要求，即試樣長度不小于管材公稱外徑的6倍，最小不得小于250 mm。試樣參數(shù)見表1。

表1 試樣參數(shù)

首先，將聚乙烯管材分別在-5、0 ℃的溫度下狀態(tài)調(diào)節(jié)至少12 h后取出，立即采用夾管器對管材進行壓扁阻斷。然后，調(diào)整調(diào)節(jié)閥門，使出口壓力達到試驗壓力。最后，將軟管放進倒置的量瓶中，記錄置換出1 L水的時間t，計算出氮氣泄漏體積流量qV。qV應(yīng)小于0.1 m3/h。

隨后，開展PE管材靜液壓強度測試(80 ℃，1 000 h)。PE管材靜液壓強度測試按照GB/T 15558.1—2015進行。靜液壓強度測試(80 ℃，1 000 h)應(yīng)無破壞、無滲漏。

② 試驗結(jié)果與分析

dn小于等于160 mm的PE管道，在試驗溫度近似為-5、0 ℃條件下，qV小于0.1 m3/h，并通過靜液壓強度(80 ℃，1 000 h)測試。

dn大于等于200 mm的PE管道，在試驗溫度近似為-5、0 ℃條件下，壓扁阻斷后，即使在0.1 MPa的試驗壓力下，qV大于0.1 m3/h。

由此可見，在環(huán)境溫度低于0 ℃且高于-5 ℃條件下，dn小于等于160 mm的PE管道可以開展壓扁阻斷操作，dn大于等于200 mm的PE管道不建議進行壓扁阻斷。

上述試驗方法與試驗結(jié)果還存在2個問題：

a.雖然管材從冷凍室取出至壓扁操作的時間較短，但管材的表面溫度仍會略有升高，因此，管材溫度只是近似于-5 、0 ℃。

b.壓扁阻斷操作的對象一般是已運行一定年限的舊管道。由于舊管材樣品的獲取較為困難，因此該試驗采用的PE管材為新管，這與實際工程的壓扁阻斷操作稍有差異。從理論上來說，新管材的壓扁性能要好于舊管材。

4.2 壓扁阻斷位置

壓扁阻斷位置的確定主要從PE管道系統(tǒng)薄弱點，如接頭、表面劃痕等方面來考慮。

接頭本身就是系統(tǒng)的薄弱點，如熱熔對接接頭、電熔承插接頭、鞍形承插接頭等，因此不能在接頭處進行壓扁。ASTM F1041-02提出，壓扁工具距離熔接接頭或機械管件至少3倍管材公稱外徑或至少305 mm，二者取較大值。當(dāng)為熱熔對接時，壓扁工具距離熱熔對接接口至少3倍管材外直徑。已經(jīng)壓扁過的部位也是系統(tǒng)薄弱點，管道進行過一次壓扁、復(fù)原后，在壓扁位置有可能會出現(xiàn)目測難以察覺到的微小裂紋、凹陷，再次壓扁就會二次損傷管材，因此壓扁時需避開已經(jīng)壓扁過的部位，選擇另一適當(dāng)?shù)奈恢眠M行壓扁。

劃痕是PE材料應(yīng)力集中位置，如果壓扁部位有劃痕，當(dāng)進行壓扁時，管材極有可能在該處產(chǎn)生開裂。英國某協(xié)會發(fā)布的PE燃氣管道施工規(guī)范提出，壓扁之前，應(yīng)檢查管道壓扁范圍內(nèi)表面是否有刻痕、刮痕等損傷，如果沒有明顯的損傷方可進行壓扁。如果損傷明顯，但是被認為損傷深度小于管壁厚的10%，就可以采用刮削器去除損傷，直到管道壓扁范圍內(nèi)的損傷清除完畢。同時，如果壓扁部位粘有砂粒或石塊，壓扁時容易損壞PE管道。因此，在現(xiàn)場作業(yè)前必須清潔PE管材壓扁部位表面和夾管器壓桿，這對于小口徑管材尤為重要。

4.3 壓扁速率

ASTM F1041-02提出，為防止管材受損，經(jīng)驗表明夾管速率不大于50 mm/min、松開速率不大于13 mm/min較為合適，這在寒冷天氣管材硬度增大時尤其有益。美國塑料管道協(xié)會針對壓扁操作過程中的暫停時間提出了要求：公稱外徑dn為75 mm及以上的管道，當(dāng)管道壓扁至一半時，需要暫停1 min；當(dāng)管道壓扁至3/4時，需要暫停1 min；當(dāng)管道壓扁至管內(nèi)壁相碰時，也需要暫停1 min；繼續(xù)夾管，直至管道緊密閉合上。當(dāng)氣溫低時，夾管速率應(yīng)減半，暫停時間應(yīng)增加1倍[3]。松開速率也按照上述暫停時間操作。

5 結(jié)論及建議

① 在環(huán)境溫度-5～0 ℃條件下，公稱外徑dn小于等于160 mm的PE管道可以開展壓扁阻斷操作，dn大于等于200 mm的PE管道不建議進行壓扁阻斷。由于此試驗采用的管材是新管，下一步可開展對舊管進行壓扁阻斷操作的研究。

② 在管道的同一位置上不應(yīng)重復(fù)進行壓扁，并應(yīng)避開接頭。壓扁位置與接頭的距離可參照ASTM F1041-02。壓扁部位不應(yīng)有劃痕，不能有石塊或砂粒。如果不可避免需在劃痕處壓扁時，劃痕深度應(yīng)滿足小于管材壁厚的10%的要求，并需采用刮削器去除損傷。

③ 壓扁操作應(yīng)在低速狀態(tài)下進行。夾管速率和松開速率可參照ASTM F1041-02，暫停時間可參照美國塑料管道協(xié)會提出的暫停時間。