基于S4試驗PE管凍土層內淺埋安全性研究

楊 梅, 陳泂杉

(港華燃氣投資有限公司 工程技術中心, 廣東 深圳 518000)

1 概述

聚乙烯管(簡稱PE管)具有耐腐蝕、柔性好、免維護的優點,近年來在燃氣輸配領域得到了廣泛的應用[1]。我國北方地區開始應用PE管時,主要輸送人工煤氣、LPG等,為防止出現冰堵和LPG凝結, PE管埋設在土壤冰凍線以下。20世紀90年代至今,我國東北、華北各地逐步進行了天然氣轉換,氣質轉換為天然氣(干氣),部分PE管采用了淺埋敷設。北方地區PE管淺埋敷設的研究較少,研究淺埋PE管的安全對于提升燃氣資產安全性有重要意義。

2 國內外PE管淺埋研究

2.1 國內PE管淺埋研究

國內PE管淺埋研究主要在農業灌溉領域及供水領域。解放慶等人對晉北高寒地區淺埋PE管進行了研究,研究認為,線收縮變形、充水凍融變形、空管越冬抗截面變形強度以及融凍剛度等因素不會對PE管正常工作產生影響[2]。孫雪梅等人推導出了PE管所需最小環剛度計算公式,變形滯后系數Dl、管道變形系數Kb、管側土的綜合變形模量Ed對環剛度的影響較大,其中Dl和Ed與環剛度呈負相關關系,而Kb與環剛度呈正相關關系[3]。白靜等人針對黑龍江季節性凍土區PE管淺埋換填和防凍模式進行了研究,管道埋深、PE管溫度對管道膨脹變形影響顯著,當埋深從60 cm增加到80 cm時,PE管溫度上升82%,管道膨脹變形量下降58%,建議采用80 cm埋深;管道換填方式和保溫方式對PE管溫度影響不明顯,其中,爐渣換填相比砂土換填,管道膨脹變形減少27%,因此優先推薦爐渣換填[4]。

2.2 國外PE管淺埋規定

俄羅斯、芬蘭、美國對PE管淺埋進行了研究與實踐。俄羅斯65%的土地常年位于凍土區,俄羅斯標準CHП 42—01《聚乙烯輸氣管道的設計與施工及磨損輸氣管道的改造》規定,PE管應敷設于土壤溫度高于-15 ℃的環境中。1998年,俄羅斯在哈薩共和國雅庫特建設了一個使用PE80 PE管的燃氣管網,包括外徑63、110 mm 共2種管徑,該管網至今仍在運行。芬蘭規定,PE管淺埋的敷設方式應根據年平均氣溫、雪量、凍土深度、土壤類型、周圍環境、土壤荷載等因素確定。美國標準ASTM D2774—2021《熱塑性壓力管道的地下安裝標準實施規程》規定,在寒冷地區敷設PE管時需工程師現場評估土壤支撐力及周邊荷載情況。

3 快速裂紋擴展

PE管的快速裂紋擴展(簡稱RCP)是影響管道壽命與安全的重要因素之一[5]。RCP是指PE管受到外界沖擊發生破壞時,在內壓或氣體積聚的勢能驅動下,PE管以較快的速度開裂并傳播較長的距離。PE管的RCP存在臨界壓力和臨界溫度。在一定溫度下,PE管內壓力高于臨界壓力則會發生RCP,低于臨界壓力則不會發生RCP。PE管內壓力一定情況下,PE管溫度低于臨界溫度則會發生RCP,高于臨界溫度則不會發生RCP[6]。一旦出現RCP,裂紋沿管長方向以數量級100 m/s的速度擴展[5],造成十分嚴重的后果。

3.1 快速裂紋擴展試驗

3.1.1全尺寸試驗

全尺寸試驗用于模擬PE管的實際使用情況,以測量其耐RCP性能。一般根據 ISO 13478:2007《流體傳輸用熱塑管抗快速裂紋擴展性的測定實物實驗》進行全尺寸試驗。PE管內充滿規定壓力的氣體,在一定的溫度下用刀片從外部撞擊PE管,以引發裂紋。以裂紋擴展情況判斷是否出現RCP破壞,裂紋長度超過PE管總長度的90%,則認為發生RCP,可以確定PE管在該溫度下的臨界壓力。鑒于全尺寸試驗成本較高,GB 15558.1—2015《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統 第1部分:管材》第4.5節表3規定,僅當小尺寸穩態試驗結果不符合要求時方可采用全尺寸試驗,因此本文采用小尺寸穩態試驗驗證PE管的耐RCP性能。

3.1.2小尺寸穩態試驗(簡稱S4試驗)

S4試驗是評估PE管耐RCP性能的一種常用方法,試驗步驟為:保持PE管溫度恒定,在PE管內不充流體的情況下,截取長度最小為其外徑5倍的試樣PE管。隨后向試樣PE管內充滿流體,用刀片從外部撞擊PE管。刀片的速度保持在[10,20] m/s,撞擊至試樣PE管外表面產生長度大于等于試樣PE管公稱外徑的縱向裂紋。然后,用相同流體對試樣PE管加壓至試驗壓力,測量試樣PE管外表面縱向裂紋長度。當判定條件成立時,認定為裂紋終止;不成立時,認定為裂紋擴展。判定條件為:

l≤4.7dn

(1)

式中l——試樣PE管外表面縱向裂紋長度(從撞擊刀片中心處測量),mm

dn——試樣PE管公稱外徑,mm

3.2 PE管最大工作壓力

GB 15558.1—2015第4.5節表3中對于S4試驗測得的臨界壓力要求為:

(2)

式中pc,S4——S4試驗測得的臨界壓力(表壓),MPa

pMOP——PE管最大工作壓力(表壓),MPa

4 PE管淺埋研究

4.1 S4試驗條件

為了探究不同溫度下常見的PE100、SDR11系列管材的臨界壓力,選擇6種來自不同廠家的PE管作為S4試驗的試驗對象,分別將PE管溫度保持在-10、-15、-20 ℃,依次將0.095～2.570 MPa的壓縮空氣充入PE管,觀察裂紋擴展的情況。其中壓縮空氣壓力范圍的選取基于實際工程經驗。

4.2 試驗結果

PE管(編號為1#管材至6#管材)-10 、-15 、-20 ℃裂紋擴展情況見表1～3。表中√代表裂紋終止,×代表裂紋擴展。

表1 PE管-10 ℃裂紋擴展情況

表2 PE管-15 ℃裂紋擴展情況

表3 PE管-20 ℃裂紋擴展情況

根據表1～3,PE管在不同溫度下的臨界壓力見表4。

表4 PE管在不同溫度下的臨界壓力 MPa

由表4可知,隨著試驗溫度降低,PE管的臨界壓力也相應減小,表明在更低的溫度下,PE管更容易發生RCP。

4.3 PE管最大工作壓力

根據式(2)和表4計算PE管在溫度為-10、-15、-20 ℃下的最大工作壓力,見表5。

表5 PE管最大工作壓力 MPa

根據CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》條文說明第1.0.2條,輸送天然氣的聚乙烯管道,PE100、SDR11系列PE管的最大工作壓力為0.8 MPa。根據表5,當試驗溫度-10 ℃時,6種PE管的最大工作壓力都大于0.8 MPa,當試驗溫度低于-10 ℃時,最大工作壓力均小于0.8 MPa。因此可得,PE100、SDR11系列PE管應敷設在溫度不低于-10 ℃的土壤中。

4.4 土壤溫度文獻調研與試驗研究

4.4.1文獻調研

通過查閱CJJ/T 81—2013《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》附錄A,可以得到全國主要城市地溫月平均值,其中東北主要城市地溫月平均值見表6。

表6 東北主要城市地溫月平均值 ℃

由表6可以看到,哈爾濱、長春、沈陽埋深0.8 m處地溫月平均值分別為-4.8、-2.0、-0.7 ℃,均高于-10 ℃。

4.4.2試驗研究

試驗對象選取長春調壓站A,東北地區PE管一般敷設在地下1.6 ～2.0 m的范圍內,測量地下0.8、2.0 m處的土壤溫度和PE管溫度。測試期時間為2020年10月15日至2021年3月15日,測試間隔10 min,上半月、下半月為一個測量階段,共有10個測量階段,其中每個測量階段中取最低溫度。長春調壓站A實測最低溫度見圖1。

圖1 2020年10月15日至2021年3月15日長春調壓站A實測最低溫度

測試期內,地下0.8 m處土壤最低溫度為-3.4 ℃,相應深度PE管最低溫度為3.9 ℃;地下2.0 m處土壤最低溫度為1.3 ℃,相應深度PE管最低溫度為5.0 ℃。試驗結果表明,當PE管埋深0.8 m時,PE管溫度及土壤溫度均不低于-10 ℃。

5 結論

① S4試驗驗證了PE100、SDR11系列PE管材的耐RCP性能良好。溫度越低,壓力越高,PE管越容易發生RCP。當溫度為-10 ℃、壓力小于等于0.89 MPa時,試驗所用PE管均未出現RCP現象。

② 文獻調研結果表明,東北主要城市地下0.8 m處的月平均地溫最低值,均高于-10 ℃。

③ 試驗驗證了PE管在東北地區淺埋的可行性。測量了長春調壓站A 地下0.8、2.0 m處的土壤溫度和PE管溫度,埋深0.8 m時,PE管溫度以及土壤溫度均高于-10 ℃。