聚乙烯燃氣埋地管道檢測技術

任 峰 續宏毅 劉 健 生建文 劉長征 孟 濤

(中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

聚乙烯管道因為具有良好的耐腐蝕性、成本低、施工簡單，逐步取代鋼質管道，越來越多的應用到城市燃氣輸配行業中，在城市燃氣輸配行業中發揮重要作用。國際上歐、美、日等發達國家和地區已全部采用聚乙烯燃氣管道，國內目前新建的城市燃氣中低壓管道基本采用聚乙烯材質[1]。

隨著聚乙烯燃氣管道的推廣應用，由于設計施工、運行管理過程中各種問題造成的安全事故也越來越多，其中由燃氣泄漏引發爆炸是造成嚴重后果的最直接原因，國內外發生多起燃氣泄漏爆炸造成人員傷亡的重大事故。

為了減少燃氣泄漏事故，對潛在的安全隱患進行風險分析和評估，采用先進的檢測技術發現盡可能多的管道缺陷，成為降低管道運行風險的迫切需要，隨著企業安全意識和風險管理水平提高，提前排查、消除安全隱患將逐步取代事故發生后再進行緊急搶險的辦法，成為企業安全管理的必要手段。

1 城市燃氣埋地聚乙烯管道泄漏安全隱患的影響因素

城市燃氣埋地聚乙烯管道失效引起燃氣泄漏是造成事故最直接的原因，造成管道失效的主要因素可以分為4 類：管道本體質量缺陷、管道焊接缺陷、外力機械損傷和其他因素。

1.1 管道本體質量缺陷

管道本體質量缺陷主要包括管件和管道本體質量不合格造成的缺陷，例如管道在運行過程中管件密封失效以及在制造、儲存過程中存在裂紋、劃傷等缺陷。按照標準CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》要求，管材劃傷不能超過管材壁厚的10%才能合格使用[2]。圖1 中鞍型三通質量不合格，管件內部密封不嚴，導致在運行過程中燃氣泄漏事故的發生。

圖1 鞍型三通密封失效泄漏

1.2 管道焊接缺陷

管道焊接缺陷主要是焊接過程中結構不合理、焊接參數和焊接時間控制不合理，焊接面有雜質以及環境影響等因素造成焊接接頭存在各種缺陷和變形。焊縫缺陷根據焊接方法不同又分為電熔接頭缺陷和熱熔接頭缺陷。電熔接頭缺陷包括熔合面缺陷、孔洞、金屬絲錯位、冷焊等，熱熔接頭缺陷包括熔合面缺陷、冷焊、過焊、焊縫過短、焊縫不對中等。圖2 是熱熔焊縫未對齊焊接導致變形；圖3 是管道結構不合理導致彎曲變形；圖4 是三通管件采用焊接件，未按照規范要求安裝三通標準件。

圖2 焊縫變形

圖3 管道彎曲變形

1.3 外力機械損傷

外力機械損傷是指管道受到外力機械作用造成管體變形或者損傷。圖5 是管道受外力作用（如占壓）造成的管道變形；圖6 是被第三方施工破壞造成管體破損引起泄漏；圖7 是未按照規范要求進行施工，對聚乙烯管道造成機械破壞； 圖8 是未按照CJJ 63—2018 要求在填埋過程中回填細砂[2]，回填土中石塊在管體造成凹坑。

圖6 管道破損

圖7 管體機械劃傷

圖8 回填石塊造成管體損傷

管道敷設時，應隨管道走向埋設金屬示蹤線和警示帶（CJJ 63—2018），但是示蹤線缺失是目前很多燃氣企業普遍存在的現象，導致埋地聚乙烯管道無法準確定位，外力機械損傷事故頻繁發生，也是目前困擾企業安全生產的重大難題。

1.4 其他因素

其他因素包括高溫、低溫、電擊等因素造成的管道失效，聚乙烯管道相對鋼質管道能夠承受的溫度范圍較窄，聚乙烯管道附近存在高溫管道或者其他高溫物體，都有可能造成管道融熔失效，聚乙烯管道長期處于低溫環境有可能造成管道凍裂失效，因此在管道運行過程中要充分考慮聚乙烯管道的周邊環境，做好保溫、隔離熱源、防雷擊等措施。

2 城市燃氣埋地聚乙烯管道隱患排查檢測技術

針對以上聚乙烯埋地管道安全隱患，進行隱患排查的檢測技術主要包括目測法、力學性能試驗、無損檢測方法、管道定位探測技術等。

2.1 目測法

目測法主要包括目視檢查和泄漏檢查。目視檢查范圍包括檢查管道本體、管件及焊縫外觀、變形及損傷。泄漏檢查是采用日常巡檢與燃氣泄漏檢測結合的方法，能快速、準確地發現燃氣泄漏點，是及時排除安全隱患的重要手段之一[3]。

熱熔接頭的目視檢查項目包括焊縫翻邊對稱性、接頭對正性檢驗和翻邊切除檢驗。翻邊應沿整個外圓周平滑對稱，尺寸均勻、飽滿，不應有切口或缺口狀缺陷；焊縫高度不能低于母材表面；焊接部位的錯變量不能超過管材壁厚的10%。

電熔接頭的目視檢查要求管件端口處應有明顯的刮皮痕跡；接縫處不應有熔融料溢出；鞍型三通的出口應垂直于管材中心線；電熔管件內電阻絲不應擠出，管件上觀察孔中應能看到少量熔融料溢出，但不能呈流淌狀。

目視法簡單快捷，對發現管道表面宏觀缺陷以及燃氣泄漏點非常有效，缺點是對于埋地管道無法實施目視檢查。

2.2 力學性能試驗

力學性能試驗主要針對熱熔接頭、電熔接頭進行的破壞性試驗，通過檢測接頭的力學性能指標確定接頭質量的一種手段。

對熱熔接頭采用拉伸試驗、三點彎曲試驗、拉伸蠕變測試等，通過這些試驗可以得到焊口的焊縫系數，評價焊接質量和變形能力，對評價焊接接頭的壽命很有價值。

對電熔接頭采用電熔拉伸剝離、電熔擠壓剝離、鞍形三通焊接抗沖擊強度測定等，用管壁、管件壁或焊接面的破壞特征和剝離百分比表征焊接質量、檢查是否有可見損傷或喪失氣密性，以此判定電熔接頭性能是否達標。

力學性能試驗能為接頭質量提供準確的判定數據，但是由于操作復雜，成本較高，因此應用受到限制。

2.3 無損檢測方法

主要包括超聲波無損檢測方法和射線無損檢測方法。

焊縫超聲檢測已經發布了幾項標準，例如檢測按照標準JB/T 10662—2013《無損檢測 聚乙烯管道焊縫超聲檢測》、GB/T 29461—2012《聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測》進行，檢測結果評價參照標準GB/T 29460—2012《含缺陷聚乙烯管道電熔接頭安全評定》。射線檢測方法對接頭孔洞、金屬絲錯位、未熔合、未焊透等缺陷能進行比較直觀的反映。

由于聚乙烯材質對聲波的損耗，超聲無損檢測的精度受到一定影響，筆者單位采用超聲相控陣動態聚焦結合B 掃查成像技術對焊縫進行檢測，結果表明能夠對缺陷定位，對焊縫質量進行判定[4]，有很好的應用前景。無損檢測方法還有待進一步研究，提高檢測能力和精度，是未來很有潛力的檢測手段。

2.4 管道定位探測技術

造成外力機械損傷的主要原因是施工單位在對埋地聚乙烯管道位置、埋深定位不準確的情況下野蠻施工造成管道本體損傷，而缺乏有效的埋地聚乙烯管道探測技術是目前事故頻發的主要原因之一。

目前埋地聚乙烯管道探測定位可采用的設備主要包括：通過探測沿管道內部傳播的聲波振動信號進行管道定位的燃氣PE 管線探測儀GPPL，探測短聲波脈沖反射信號的APL 地下（PE）管線探測儀[5]，探測高頻電磁波反射信號的探地雷達，探測示蹤線電磁信號的埋地管線探測儀[6]。對這幾種設備從操作簡易程度、是否與管道連接、定位準確性、埋深探測準確性、單次探測長度等方面進行對比分析，結果見表1。

表1 聚乙烯管道探測設備對比分析結果

通過以上研究發現，示蹤線法是最理想的聚乙烯管道探測技術，但是目前很多聚乙烯管道未安裝示蹤線，導致該技術無法使用；對比其他3 項技術，燃氣PE 管線探測儀GPPL 在管道定位方面優于其他2 項技術，而探地雷達在管道埋深探測方面優于其他2 項技術，集合這2 種技術的優勢，可以提高聚乙烯管道定位、埋深檢測的準確性。

應用燃氣PE 管線探測儀GPPL＋探地雷達的技術組合進行聚乙烯管道現場探測，分3 步進行：

1）首先利用燃氣PE 管線探測儀GPPL 對聚乙烯管道進行定位。見圖9。

圖9 管道定位探測現場圖片

2）然后利用探地雷達選擇2 處管道進行埋深測量。見圖10、圖11。

圖10 埋深探測1#坑圖片

圖11 埋深探測2#坑圖片

3）最后現場開挖對管道的定位、埋深誤差進行驗證。見圖12。

圖12 現場開挖驗證圖片

通過結果分析得出：利用燃氣PE 管線探測儀GPPL 進行管道定位，單側能夠探測的管線距離在500 m 至1 000 m 之間。現場實際開挖驗證2 處，平面誤差1#坑差10 cm，2#坑0 cm。埋深探測誤差1#探測埋深2.2 m，實際1.9 m；2#探測埋深1.4 m，實際埋深1.3 m。

探測結果表明：燃氣PE 管線探測儀GPPL＋探地雷達的技術組合是目前比較實用的聚乙烯燃氣管道探測方法。

3 基于管道內示蹤線的埋地聚乙烯管道檢測新技術

為了能準確、高效地進行埋地聚乙烯管道的探測，提出了基于管道內示蹤線探測的一種新型的聚乙烯管道探測技術，如圖13 所示，用牽引裝置將示蹤線從聚乙烯管道內部的一端牽引至管道另一端，然后將示蹤線接地，并與檢測信號發射機連接，啟動檢測信號發射機，使檢測信號通過示蹤線并形成回路，再利用檢測信號接收機沿管道走向，在地面對檢測信號進行讀取分析，確定管道位置及埋深，避免聚乙烯管道受到第三方破壞。示蹤線可以安裝于管道內部長期使用。此技術操作簡單，檢測準確，不易受到環境影響，對于已經施工完畢而未安裝示蹤線的管道尤其適用。關鍵問題在于牽拉裝置能通過聚乙烯管道的90°直角彎頭，目前該裝置已經研制成功，且已申請專利。

圖13 示蹤線牽拉示意圖

4 結論

1）造成聚乙烯燃氣埋地管道失效的主要因素可以分為4 類：管道本體質量缺陷、管道焊接缺陷、外力機械損傷和其他因素。針對這些失效因素提出了目測法、力學性能試驗、無損檢測方法和管道定位探測技術等措施，管道的安全運行需要采用先進的安全理念和檢測技術。

2）通過分析探地雷達、管線探測儀（示蹤線）、APL 地下（PE）管線探測儀和燃氣PE 管線探測儀，發現燃氣PE 管線探測儀GPPL 在定位方面有優勢，而探地雷達在管道埋深探測方面比較準確，采用這2 種方法結合進行管道探測并進行現場驗證，管道平面誤差、埋深誤差都在允許范圍內，這種技術組合是目前比較實用的探測方法。

3）示蹤線法進行管道探測是最具優勢的聚乙烯管道探測技術，目前企業由于未按照規范要求敷設示蹤線導致無法利用該技術進行管道探測，為此研發了一種能通過聚乙烯管道90°直角彎頭的牽拉裝置，能夠用于聚乙烯管道的示蹤線在管道內部的敷設，為聚乙烯管道的探測提供了全新的檢測方案。