PE100材料性能對聚乙烯燃氣管道定向穿越施工的影響

上海亞大塑料制品有限公司 劉旭東

浙江省特種設備檢驗研究院 姚舜剛

上海溢流管道燃氣有限公司 侯 亮

聚乙烯(PE)管道具有優(yōu)異的柔韌性，與金屬管道相比，可以更小的曲率半徑在短距離內進行定向穿越，使燃氣管道非開挖鋪設更靈活方便。但是作為粘彈性材料，PE管道的抗拉伸性能遠低于金屬管道，且更容易受到點載荷破壞，所以燃氣工程應用也僅局限在小口徑短距離燃氣管道的穿越工程中。隨著聚乙烯材料發(fā)展，與PE80相比，PE100材料性能的提升為解決燃氣管道定向穿越施工中若干問題創(chuàng)造了條件。

1 提升管材性能，擴大應用范圍

PE管道在我國燃氣輸配領域已使用了30多年，管道允許使用規(guī)格從1995年最大250 mm擴大到如今最大630 mm，最大允許工作壓力從0.4 MPa提高到0.7 MPa。PE管道應用的發(fā)展主要依托于其原材料技術的發(fā)展，從90年代普通的PE80材料發(fā)展到今天雙峰甚至多峰的PE100，PE材料性能得到大幅提升。PE材料的性能通常是以管材形式進行測定，PE80與PE100在相同標準尺寸比(SDR11)時的部分性能指標對比見表1。

PE材料的長期靜液壓強度(最小要求強度MRS)、耐慢速裂紋增長SCC和耐快速裂紋擴展能力RCP等三項性能是PE燃氣管道最為關鍵的性能指標。最小要求強度決定著管道在應用中的承壓能力，是確保燃氣管道承壓性能的基礎和前提。良好的耐慢速裂紋增長性能則可避免因制造缺陷、施工損傷等產(chǎn)生的裂紋而導致管道系統(tǒng)的過早失效。優(yōu)良的抗裂紋快速擴展性能顯然可以避免運行中的管道由于遭受突然沖擊而發(fā)生快速開裂，從而確保管道的長期安全運行。

表1 PE80與PE100部分性能指標

從表1可知：在同樣的條件下(20 ℃保持50年不破壞)，PE100最小可承受10 MPa的環(huán)應力(最小要求強度MRS值)，是PE80能承受環(huán)應力的1.25倍，同時還具有更優(yōu)越的耐慢速裂紋增長和耐快速裂紋擴展能力。PE100的MRS值更高，RCP性能更好，因此可提高燃氣管道的最大工作壓力。對于給定的口徑，提高壓力會使管道的輸送能力明顯增加。輸送同樣流量燃氣時，采用高壓力小口徑的管道可以降低管材及施工的成本。若在給定壓力條件下(如壓力值為0.4 MPa)，PE80燃氣管道須使用SDR11系列，而PE100管道可以選擇SDR17.6。由于PE100管道的壁厚比較薄，對于外徑相同的管道，若管道截面積增大，管道的輸氣能力也會隨之而增強。一般在等徑情況下，PE100(SDR17.6)管道比PE80(SDR11)管道截面積大17%，相應的輸氣能力提高約24%。

但聚乙烯材料強度低(與鋼管相比)，管道本身不能承受太大的回拖力，因此在定向穿越工程中其管徑和穿越長度等都受到了限制。PE80管道通常只能用于DN400以下且長度不超過300 m的穿越施工。PE原材料性能的提升能使管道承受的回拖力得到大幅提升，相應可以擴大PE管道在定向穿越工程中的應用范圍。

2 提高最大拖拉力

2.1 最大拖拉力計算公式的選取

在水平定向鉆穿越過程中，PE管道所能承受的最大拖拉力是施工安全的關鍵。在管道回拖時，需要承受由管材和鉆孔或泥漿之間的摩擦動力、地面上的摩擦拖動產(chǎn)生的摩擦拖動阻力、沿鉆孔通道彎曲產(chǎn)生的絞盤力以及流體動力學拖力產(chǎn)生的流動阻力等。圖1為水平定向鉆穿越軌跡的示意圖，從中可以看出隨著管道拖入距離的增加，鉆機回拖力也逐漸增大，并在出土點D附近時達到最大值，此時管道承受的拖拉力也達到最大值。只有當該拖拉力低于PE管道所能承受的拉伸破壞臨界值時，才可以保證穿越施工中管道的安全。

圖1 水平定向鉆穿越軌跡

PE管能承受的最大拖拉力主要決定于材料拉伸強度和管道橫截面積，在CJJ 63—2008《聚乙烯燃氣管道施工技術規(guī)程》(以下簡稱技術規(guī)程)中，給出了最大拖拉力的計算公式：

式中：F——最大拖拉力，N；

DN——管道公稱直徑，mm；

SDR——標準尺寸比。

式(1)是目前燃氣施工中常用的算法，主要借鑒ISO/TS 10839—2000《燃氣輸送用聚乙烯管材和管件設計搬運和安裝規(guī)范》推薦的計算公式，F(xiàn) = (14π DN2)/(3SDR)，并進行簡化。其中14為管道拉伸強度，單位為 MPa，3為設計系數(shù)。簡化后的公式以PE80材料的一般性能為基礎，對PE100材料的拉伸強度的改善沒有進行區(qū)分。

對此，在行業(yè)標準CJJ/T 147—2010《城鎮(zhèn)燃氣管道非開挖修復更新工程技術規(guī)程》(以下簡稱非開挖技術規(guī)程)中考慮到PE100材料的性能變化，對最大拖拉力的計算公式進行了進一步細化，即：

式中： DN——管道公稱直徑，mm；

D0——聚乙烯管道內徑，mm；

σ——管材的拉伸強度，MPa；

C——PE80管材基礎上的設計系數(shù)，取3。

式(2)考慮了不同等級聚乙烯材料在拉伸性能上的差異，更符合當前管道材料情況。按式(2)計算，PE100管道能承受更大的拖拉力，為更長距離的穿越施工創(chuàng)造了前提條件。

2.2 拉伸強度

目前國內市場上用量較大的5種PE100混配料的拉伸強度見表2，可見目前國內市場上主要的PE100混配料拉伸強度均已達到23 MPa以上，較14 MPa提高了50%以上。

表2 國內市場部分PE100混配料拉伸強度

參照表2，式(2)中PE80拉伸強度σ的取值為17 MPa，PE100拉伸強度σ的取值則為21 MPa。

2.3 安全系數(shù)

表1中，PE80管道最小要求強度MRS為8.0 MPa，PE100管道最小要求強度MRS為10.0 MPa。在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》(以下簡稱PE燃氣管道標準)中管道設計應力 σs=MRS/C，其中C=2。計算可得PE80的管道設計應力為4 MPa，PE100的管道設計應力為5 MPa。

在技術規(guī)程中將最大允許工作壓力(SDR11系列管道輸送天然氣)由PE80的0.5 MPa提高到PE100的0.7 MPa。PE燃氣管道標準中也規(guī)定了管道最大工作壓力的計算公式：

式中： MOP——最大工作壓力，MPa；

C——設計系數(shù)；

SDR——標準尺寸比。

由式(3)可以看出：

(1)若兩種燃氣管道的規(guī)格和最大工作壓力都一樣，MRS值越大，設計系數(shù)也越大。PE100管道比PE80管道的設計系數(shù)大，意味著相比PE80管道，PE100管道具有更高的安全性。

(2)若兩種燃氣管道規(guī)格相同且安全水平保持一致，則PE100管道可以采用較小的設計系數(shù)。PE80的設計系數(shù)取3，結合式(3)可推導出相同規(guī)格PE100管道的同水平安全設計系數(shù)，即：

說明PE100管道在設計系數(shù)取2.4時進行水定向鉆拖拉力的計算即可滿足PE80管道的同安全水平設計系數(shù)，這對管道最大拖拉力和拖拉距離的增加具有實際意義。

綜合上述，將拉伸強度21 MPa和安全系數(shù)2.4代入式(2)進行計算，可獲得PE80和PE100(SDR11)管道所能承受的最大拖拉力，如表3所示。

表3 PE100管道與PE80管道最大拖拉力

從表3可看出，隨著PE100材料性能的提升，在相同設計運行壓力和安全要求條件下，PE100管道比PE80管道所能承受的最大拖拉力提高約60%。

3 增加穿越距離

水平定向鉆穿越距離(即拖拉長度)的確定受到現(xiàn)場條件影響，沒有統(tǒng)一的公式計算。技術規(guī)程和非開挖技術規(guī)程中建議：拖拉長度不宜超過300 m。在孫遜2002年編著的《聚烯烴管道》一書中，對最大拖拉施工長度進行了推薦，如表4所示。

表4 PE燃氣管道定向鉆施工長度

理想狀態(tài)下，水平定向鉆穿越的距離往往取決于管道的最大拖拉力。當管道承受的回拖力達到管道最大拖拉力時，拖拉距離最長。在GB 50424—2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》中，鉆機選擇時的回拖力計算公式為：

式中：FP——回拖力，kN；

L——穿越管段曲線長度，m；

f——摩擦系數(shù)，取0.3；

DN——管道直徑，m；

γm——泥漿重度，kN/m3，取11.5；

δ1——管道壁厚，m；

γs——管道重度，kN/m3；

Kv——粘滯系數(shù)，kN s/m2，取0.01～0.03。

當管道到達圖1的D點附近時，假設此時鉆機回拖力完全作用在管道上，據(jù)此可計算出管道最大拖拉距離。由于該公式未考慮“管道和地表之間的摩擦阻力、絞盤效應力、彎曲時管道剛度產(chǎn)生的阻力”，根據(jù)現(xiàn)有實際工程計算對比資料，最大拖拉力值F可取鉆機回拖力的1.5倍，即F=1.5FP。由式(5)可以推導獲得PE管拖拉距離公式：

將表3中管道最大拖拉力帶入式(6)中，PE80重度取9 400 kN/m3、PE100重度取9 600 kN/m3，粘滯系數(shù)取0.01，計算出PE100管道與PE80管道的拖拉距離，如表5所示。

表5 PE管道拖拉距離

由表5可以看出，PE80管道拖拉距離與技術規(guī)程推薦的不宜超過300 m要求基本相符，PE100管道在此基礎上有較大幅度提高，并且隨著管道外徑的增加而不斷增加。

對于PE管道300 m以上的長距離非開挖穿越施工，在自來水行業(yè)已經(jīng)成功應用。2009年，在我國舟山小干島海底輸水管道工程中，使用DN 560 SDR13.6規(guī)格的PE100管道成功穿越780 m海底。我國燃氣管道施工領域尚未見到相關報道，但國外應用案例已經(jīng)屢見不鮮。由此可見，性能提升后的PE100管道在非開挖施工領域具有很強的適用性。

4 抵抗應力破壞能力的提升

在水平定向鉆穿越施工中，PE管道要經(jīng)過數(shù)百米的拖拉，管道不可避免會與鉆孔內壁發(fā)生刮擦而造成損傷。這種損傷使管道壁厚減小，從而導致管道承壓能力的降低。為了避免這種破壞，穿越施工設計時要求使用SDR11的厚壁PE管，穿越前需進行劃傷情況的確認，劃痕深度必須控制在壁厚5%以內(開挖鋪設要求劃痕深度必須控制在壁厚10%以內)。由式(3)可以計算出相同規(guī)格不同管材的管道在相同最大工作壓力下的劃痕深度與設計(安全)系數(shù)C的關系，如表6所示。

由表6可以看出，劃痕深度增加，管道壁厚減小，實際的SDR值增大，會導致設計系數(shù)C減小，安全性降低。在相同的最大工作壓力和相同的劃痕深度時，PE100的設計系數(shù)C為PE80的1.25倍。當最大工作壓力為0.5 MPa，管道劃痕深度在10%時，PE80已經(jīng)無法滿足非開挖施工的設計要求(C=3)，而PE100管道可以在20%劃傷情況下仍可滿足其設計要求；當最大工作壓力降低到0.3 MPa時，即使劃痕深度達到36%，PE80和PE100安全設計系數(shù)仍能達到3以上，而此時管道實際SDR值約為17，也就是說SDR17管道也可用于非開挖穿越施工。

表6 管道劃痕深度與設計系數(shù)C

管道的劃傷不僅僅意味著管道壁厚的減小和承壓能力降低，劃痕處會產(chǎn)生應力集中效應。另外，非開挖施工中鉆孔內的石塊也會對管道造成點載荷，加上管道內壓，就會形成管道裂紋擴展的驅動力，使管道產(chǎn)生慢速裂紋增長，引起泄漏，縮短管道使用壽命。表1中提供的慢速裂紋增長(SCC)數(shù)值是按照GB/T 18476《流體輸送用聚烯烴管材耐裂紋擴展的測定切口管材裂紋慢速增長的試驗方法(切口試驗)》對管材進行試驗，PE100管道在80 ℃高溫、0.92 MPa、缺口深度20%條件下滿足500小時靜液壓要求。實際上PE100—RC材料的切口試驗時間可以達到8 760 h，即保證管道在點載荷作用下設計使用壽命至少可達100 a。

5 結語

燃氣管道定向穿越工程施工具有環(huán)保效果好、工程造價低、施工質量好等優(yōu)勢，PE作為黏彈性材料，易收到外力破壞的這一點影響了PE管道在穿越工程中的應用范圍。隨著原材料性能的提升，PE100管道的剛度、承壓能力和耐環(huán)境應力性能均有大幅提升，使之對非開挖施工的適應能力越來越強。與PE80相比，PE100管道所能承受的最大拖拉力和拖拉距離均有大幅增加，若能在定向穿越施工設計中合理考慮這點，可以更好地發(fā)揮PE管道在非開挖領域的優(yōu)勢，為繁忙的現(xiàn)代化城市地下燃氣管道施工，帶來便利，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟和社會價值。