PE管在燃?xì)庵械蛪汗芫W(wǎng)工程中的應(yīng)用

上海煤氣第一管線工程有限公司 李 巍

隨著城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，上海燃?xì)夤芫W(wǎng)發(fā)展迅速，目前管網(wǎng)工程改造已基本完成。在上海燃?xì)夤芫W(wǎng)的施工過程中，可供選擇的管材有鋼管、鑄鐵管和聚乙烯管(即PE管)。以往在城區(qū)內(nèi)中壓管網(wǎng)選用的管材以3PE防腐鋼管為主，PE管為輔；低壓管道以機(jī)械橡膠密封(SMJ接口)的球墨鑄鐵管為主，PE管為輔。為更好保證城市居民的用氣安全，減少燃?xì)鈸屝薮螖?shù)，上海城區(qū)燃?xì)庵袎汗芫W(wǎng)中符合條件的地方已經(jīng)大多使用PE管。2019年下半年起燃?xì)獾蛪汗芫€已經(jīng)全部采用PE管作為敷設(shè)管材，球墨鑄鐵管逐漸退出了歷史舞臺(tái)。在燃?xì)庵械蛪汗芫W(wǎng)工程中應(yīng)用PE管的優(yōu)勢(shì)越來越受到大家的關(guān)注。

1 PE管概述

1.1 PE管分類

1.1.1 按密度分

PE管根據(jù)密度可分為低密度聚乙烯管(LDPE管)，中密度聚乙烯管(MDPE管)和高密度聚乙烯管(HDPE管)三種。密度越高，管材會(huì)更硬、強(qiáng)度越大、耐溫性越好、機(jī)械性能越好。

1.1.2 按長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度(MRS)分

由于材料的不斷進(jìn)步，根據(jù)發(fā)展階段和性能的不同，產(chǎn)生了材料的等級(jí)變化。密度不能反映聚乙烯作為管材的本質(zhì)性能，因此目前國(guó)際上根據(jù)PE管的長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度(MRS)分為PE32、PE40、PE63、PE80和PE100五個(gè)等級(jí)。

長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度是指連續(xù)施加在該聚乙烯樹脂制管管壁上50年時(shí)引起管材破壞時(shí)所計(jì)算的在管壁上的環(huán)向張應(yīng)力。這是一個(gè)以MPa為單位的應(yīng)力值，標(biāo)志著材料的性能。

目前國(guó)內(nèi)燃?xì)夤艿繮E管常使用PE80級(jí)和PE100級(jí)。PE80級(jí)是使用量最大的管材，PE100級(jí)主要用在大口徑管材上。按標(biāo)準(zhǔn)尺寸比SDR(管的公稱外徑與公稱壁厚的比值)主要分為SDR11、SDR17.6兩個(gè)規(guī)格。SDR11最大工作壓力可以用在0.4 MPa，適用于中壓管材；SDR17.6最大工作壓力只能用于0.2 MPa以下，適用于低壓管道。

1.2 PE管特性

PE管具有良好的耐熱性和耐寒性，化學(xué)穩(wěn)定性好，同時(shí)還具有較高的剛性和韌性，機(jī)械強(qiáng)度好，耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能也較好。

1.2.1 耐腐蝕性好，使用壽命長(zhǎng)

PE管化學(xué)穩(wěn)定性好，可以抵抗多種化學(xué)介質(zhì)的侵蝕，不需要做防腐處理。經(jīng)國(guó)外根據(jù)PE管材環(huán)向抗拉強(qiáng)度的長(zhǎng)期靜水壓設(shè)計(jì)基礎(chǔ)值確定，其壽命可達(dá)50年以上。

1.2.2 較好的耐沖擊性和撓性

PE管具有很高的韌性，耐沖擊強(qiáng)度高，斷裂伸長(zhǎng)率一般超過500%，因此對(duì)不均勻沉降和錯(cuò)位的適應(yīng)能力非常強(qiáng)。當(dāng)然PE管在地質(zhì)變化的外力作用下，也很容易受到破損。PE的撓性使PE管可以進(jìn)行盤卷(尤其是管徑小的PE管)，減少了大量的連接管件。PE管的走向容易依照施工方法的要求進(jìn)行改變。施工中如果遇到障礙物，可以按照管子允許的彎曲半徑繞過障礙，這樣就可降低施工難度。

1.2.3 密封性好

PE管的施工采用熔接焊接(熱熔連接或電熔連接)，保證接口材質(zhì)結(jié)構(gòu)與管體本身的統(tǒng)一性，實(shí)現(xiàn)了接頭與管材的一體化。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，其接口的抗拉強(qiáng)度及爆破程度均高于管材本體，可有效抵抗內(nèi)壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力和軸應(yīng)力。當(dāng)然在實(shí)際焊接中還是要注意規(guī)范化操作，比如管材與管件廠家的一致性，焊接管件時(shí)使用專用固定夾具，融合和冷卻保證足夠的時(shí)間等，避免出現(xiàn)“假焊”情況。

1.2.4 抵抗刮痕能力和抗應(yīng)力開裂性好

在采用非開挖技術(shù)時(shí)，無論是鋪設(shè)新管或舊管更換，刮痕難以避免，刮痕會(huì)造成材料的應(yīng)力集中而引發(fā)管道的破壞。管材抵抗刮痕的能力與管材的慢速裂紋增長(zhǎng)行為關(guān)系密切。近年來的研究證明，PE80管具有較好的抵抗慢速裂紋增長(zhǎng)的能力和耐刮痕能力，PE100管抵抗刮痕能力更為優(yōu)良。此外，PE管的缺口敏感性低，抗剪切強(qiáng)度高，耐環(huán)境應(yīng)力性非常突出，目前在國(guó)內(nèi)外幾十年的實(shí)際施工中尚未發(fā)現(xiàn)PE燃?xì)夤艿赖目焖匍_裂。

1.2.5 搬運(yùn)和維修方便

PE管相對(duì)于其他管材，重量輕很多，搬運(yùn)方便，便于現(xiàn)場(chǎng)的移動(dòng)和安裝。在運(yùn)行維護(hù)時(shí)，維修簡(jiǎn)單，質(zhì)量可靠。

1.2.6 阻力損失小

PE管道具有光滑的內(nèi)表面和不黏著性，因此具有更高的輸送能力，也降低了管路的壓力損失和能耗。阻力損失小，壓力損失就小，輸配能力提高。

1.2.7 衛(wèi)生環(huán)保

PE管的基體材料為可回收反復(fù)利用的熱塑性材料，屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品。

2 PE管、鋼管、球墨鑄鐵管的性能對(duì)比

將PE管與傳統(tǒng)管材鋼管、球墨鑄鐵管在以下性能方面進(jìn)行比較。

2.1 耐腐蝕性

腐蝕是指(包括金屬和非金屬)在周圍介質(zhì)(水、空氣、酸、堿、鹽、溶劑等)作用下產(chǎn)生損耗與破壞的過程。嚴(yán)重的管道腐蝕會(huì)引起管壁變薄穿孔。

PE管具有天然的耐腐蝕性能，具有很好的抗電化學(xué)腐蝕性能，無需采取防腐措施，無需付出防腐處理費(fèi)、后期維護(hù)費(fèi)用等。就使用壽命方面來說，PE管的使用壽命可達(dá)50年；鋼管的耐腐蝕性較差，埋設(shè)地下時(shí)需要采取防腐措施，如3PE防腐、環(huán)氧煤瀝青、犧牲陽極保護(hù)等，鋼管的使用壽命為20年；球墨鑄鐵管無需采取防腐措施，在使用維護(hù)方面則需付出防腐處理費(fèi)、后期維護(hù)費(fèi)用等，球墨鑄鐵管的使用壽命是40年。

從使用時(shí)間長(zhǎng)度來看，PE管無疑是管材使用的最佳選擇。從一次性投資的經(jīng)濟(jì)效果來看，也優(yōu)于鋼管和鑄鐵管。

2.2 柔韌性

在實(shí)際施工過程中，必然存在一定的坡度和角度。PE管道由于自身較好的柔韌性和撓性，造就了其特殊的優(yōu)勢(shì)。良好的柔韌性和撓性使得PE管材具備普通管材不具備的曲率半徑，可以蜿蜒敷設(shè)，在允許的彎曲半徑內(nèi)可以繞開障礙物，對(duì)惡劣的地形環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng)。有關(guān)研究表明，PE管道的彈性形變可達(dá)50%～70%。

PE管柔韌性好，重量輕，搬運(yùn)方便，工程適應(yīng)性強(qiáng)，便于施工；鋼管為保持坡度和角度，必須使用三通彎頭等標(biāo)準(zhǔn)管件；鑄鐵管雖有一定的可撓性，但基本可以忽略不計(jì)。鋼管的密度約7.9 g/cm3，球墨鑄鐵管約7.2 g/cm3，PE管的密度約0.95 g/cm3，在實(shí)際施工中，一般鋼管為12 m/根，球墨鑄鐵管為6 m/根，PE管為10 m/根。從重量上來說，PE管只需要2～3個(gè)工人即可完成二次搬運(yùn)，而鋼管和鑄鐵管則需要機(jī)械設(shè)備的幫助，才能進(jìn)行管材的二次搬運(yùn)。

在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的改造中，PE管的高韌性、撓性和低密度，使其相對(duì)于鋼管和球墨鑄鐵管有更好的環(huán)境適應(yīng)性，可以降低一定的施工強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)效果也更優(yōu)。

2.3 連接工藝

鋼管一般采用焊接和法蘭連接；球墨鑄鐵管一般用橡膠圈連接；PE管采用熱熔焊接或電熔焊接連接，連接工藝相對(duì)更好。鋼管的焊接由專業(yè)的電焊工進(jìn)行焊接，人為因素更大，且接口需要拍片探傷，操作較復(fù)雜，工作強(qiáng)度高；球墨鑄鐵管的接口以橡膠圈為填料，采用螺栓、壓蓋、壓輪片等零件，擠壓橡膠圈使其緊密充填在承插口縫隙，達(dá)到氣密目的，但受人為因素影響也較大，管道接口容易拔開，可靠性較差；PE管采用全自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行電熱熔焊接，利用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)進(jìn)行焊接，一次性成功，人為因素相對(duì)較少，密封性能良好，連接可靠性高。由此可以看出，PE管在連接、密封性能上要好于鋼管和球墨鑄鐵管。

4 PE管、鋼管、球墨鑄鐵管的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4.1 管材材料費(fèi)

不同管徑、管材的材料費(fèi)用見表1。

表1 PE管、鋼管、球墨鑄鐵管不同管徑材料費(fèi) 元/m

由表1可以看出，當(dāng)管徑小于DN300時(shí)，PE管的材料單價(jià)是小于球墨鑄鐵管和鋼管的材料單價(jià)的，此時(shí)PE管具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)；只有在管徑等于DN300時(shí)PE管的價(jià)格才是最高。

4.2 施工費(fèi)

根據(jù)2016燃?xì)舛~計(jì)算出在人行道中3種管材的施工費(fèi)用(僅人工費(fèi)、材料費(fèi)和機(jī)械費(fèi)三者之和，不含修路費(fèi)與余土外運(yùn)費(fèi))，見表2。

表2 人行道中兩種管材的施工費(fèi)用 元/m

由表2可以看出，在管徑小于DN300，PE管的施工費(fèi)用均低于球墨鑄鐵管和鋼管(鋼管費(fèi)用最大主要是需要增加接口的防腐和探傷費(fèi)用)。只有在管徑等于DN300時(shí)，PE管的價(jià)格才比球墨鑄鐵管略高，但也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼管?？偟膩碚f，PE管的施工費(fèi)用是優(yōu)于鋼管和球墨鑄鐵管的。

從以上管材材料費(fèi)和施工費(fèi)兩方面進(jìn)行比較，可以得出：在管徑小于DN300時(shí)，在管道材料單價(jià)和施工成本費(fèi)用兩個(gè)方面PE管均優(yōu)于鋼管和球墨鑄鐵管；在管徑等于DN300時(shí)，PE管綜合考慮下來也是性能更好的管材。

5 結(jié)語

由于城市建設(shè)的不斷發(fā)展和變化，所以燃?xì)馐┕さ碾y度越來越大，施工環(huán)境也越來越復(fù)雜。為避免一次性大面積開挖，將對(duì)市政、交通及人民生活的影響降低到最小，并考慮一定經(jīng)濟(jì)性的因素，PE管在城市燃?xì)庵械蛪汗芫W(wǎng)中的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性顯得尤為突出。雖然目前上海燃?xì)夤芫W(wǎng)中只有低壓管道采用PE管，中壓管道中使用較少(在浦東地區(qū)使用的較多，在浦西地區(qū)使用得較少)，但相信在不遠(yuǎn)的將來，隨著施工技術(shù)和人員素質(zhì)的全面提高，PE管會(huì)在上海城市燃?xì)獾闹械蛪汗芫W(wǎng)中發(fā)揮越來越重要的作用。