城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿缐罕庾钄嚓P(guān)鍵技術(shù)分析

雷素敏，喬 佳，于燕平，方媛媛

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京 100011)

1 概述

隨著PE管材在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，各種PE管搶險(xiǎn)維修新技術(shù)、新設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。其中壓扁阻斷就是基于PE管道良好韌性的專(zhuān)用管道施工及維護(hù)技術(shù)[1]。該技術(shù)采用夾管器將PE燃?xì)夤艿缐罕庵敝凉艿纼?nèi)壁貼合，從而控制燃?xì)饬髁?，同時(shí)結(jié)合帶壓開(kāi)孔技術(shù)加裝臨時(shí)旁通管，實(shí)施PE燃?xì)夤艿啦煌鈼l件下修復(fù)、更換、接管等作業(yè)[2]。此技術(shù)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)各燃?xì)夤镜玫搅送茝V應(yīng)用。

2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況

在國(guó)外，美國(guó)、英國(guó)針對(duì)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(guó)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(guó)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(yàn)等要求。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4437-2《燃?xì)庥盟芰瞎艿?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(yàn)方法，此方法在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，為管材型式檢驗(yàn)的一項(xiàng)內(nèi)容，用于檢測(cè)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?xì)夤艿篱L(zhǎng)期損壞的擠壓工具、管道、壓扁工序組合評(píng)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(píng)定的相關(guān)要求?！睹绹?guó)塑料管道協(xié)會(huì)(PPI)聚乙烯管道手冊(cè)》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(guó)內(nèi)，尚無(wú)壓扁阻斷技術(shù)的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》只是對(duì)管材產(chǎn)品的壓縮復(fù)原性能試驗(yàn)的流程進(jìn)行了簡(jiǎn)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(chǎng)的壓扁阻氣操作。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 51—2016《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施運(yùn)行、維護(hù)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(wèn)題

① PE管材對(duì)溫度比較敏感，隨著環(huán)境溫度降低變得越來(lái)越硬而脆，當(dāng)?shù)陀谝欢ōh(huán)境溫度時(shí)，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?xì)庑孤╋L(fēng)險(xiǎn)。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(guó)某協(xié)會(huì)發(fā)布的PE燃?xì)夤艿朗┕ひ?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(yàn)證。

② PE管的管徑越大，壁厚越厚，壓扁時(shí)越不容易阻斷PE管內(nèi)燃?xì)?，尤其是在運(yùn)行壓力較高的條件下，有可能出現(xiàn)壓扁處燃?xì)庑孤┑那闆r。若燃?xì)庑孤┝窟^(guò)大，在后續(xù)切線作業(yè)時(shí)，會(huì)對(duì)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(wèn)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(jìn)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(jìn)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(wèn)題。

④ 夾管速率和松開(kāi)速率對(duì)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(kāi)時(shí)，需有足夠的時(shí)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(kāi)操作都應(yīng)在低速狀態(tài)下進(jìn)行，松開(kāi)速率的控制應(yīng)該更為小心[3]。夾管速率與松開(kāi)速率如何控制，也是本文重點(diǎn)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(guó)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(wèn)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(guò)操作夾管器平行桿之間的管道來(lái)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?xì)饬髁拷抵?，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(huì)出現(xiàn)燃?xì)庑孤?，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(yàn)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(qiáng)度的要求，而針對(duì)壓扁阻斷效果，即燃?xì)庑孤┝坎](méi)有提出規(guī)定。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，開(kāi)展壓扁阻斷的相關(guān)測(cè)試，主要包括氣體泄漏量的測(cè)試，以及壓扁阻斷后管材的靜液壓強(qiáng)度性能測(cè)試。

① 試驗(yàn)方案

目前，國(guó)內(nèi)無(wú)壓扁阻斷的氣體泄漏量測(cè)試方法與合格指標(biāo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。筆者依據(jù)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GIS/PL2-7中壓扁阻斷氣體泄漏測(cè)試的方法，搭建壓扁阻斷性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置

出于安全考慮，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)選用氮?dú)?。試?yàn)壓力最小為0.1 MPa，并依次以0.1 MPa的間隔升壓，直至達(dá)到最高試驗(yàn)壓力0.6 MPa。

為了驗(yàn)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(yàn)在-5、0 ℃下進(jìn)行。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，為了模擬此試驗(yàn)環(huán)境，將管材樣品放入冷凍室內(nèi)，分別在-5、0 ℃溫度下?tīng)顟B(tài)調(diào)節(jié)至少12 h后取出，并立即進(jìn)行壓扁阻斷。

試樣盡量做到管材的常用規(guī)格、級(jí)別全覆蓋。考慮到公稱(chēng)外徑dn為315 mm的管材壁厚較厚，實(shí)際工程一般不采用壓扁阻斷工藝，因此本實(shí)驗(yàn)用試樣選用公稱(chēng)外徑dn為63、90、110、160、200、250 mm等常用規(guī)格，每個(gè)規(guī)格選用級(jí)別為PE80、PE100的材料進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的一致性，每種規(guī)格、每種級(jí)別的管材試樣分別取2根，共計(jì)24根。試樣的長(zhǎng)度參考GB/T 15558.1—2015中管材壓縮復(fù)原性能試驗(yàn)的要求，即試樣長(zhǎng)度不小于管材公稱(chēng)外徑的6倍，最小不得小于250 mm。試樣參數(shù)見(jiàn)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?tīng)顟B(tài)調(diào)節(jié)至少12 h后取出，立即采用夾管器對(duì)管材進(jìn)行壓扁阻斷。然后，調(diào)整調(diào)節(jié)閥門(mén)，使出口壓力達(dá)到試驗(yàn)壓力。最后，將軟管放進(jìn)倒置的量瓶中，記錄置換出1 L水的時(shí)間t，計(jì)算出氮?dú)庑孤w積流量qV。qV應(yīng)小于0.1 m3/h。

隨后，開(kāi)展PE管材靜液壓強(qiáng)度測(cè)試(80 ℃，1 000 h)。PE管材靜液壓強(qiáng)度測(cè)試按照GB/T 15558.1—2015進(jìn)行。靜液壓強(qiáng)度測(cè)試(80 ℃，1 000 h)應(yīng)無(wú)破壞、無(wú)滲漏。

② 試驗(yàn)結(jié)果與分析

dn小于等于160 mm的PE管道，在試驗(yàn)溫度近似為-5、0 ℃條件下，qV小于0.1 m3/h，并通過(guò)靜液壓強(qiáng)度(80 ℃，1 000 h)測(cè)試。

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

由此可見(jiàn)，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(kāi)展壓扁阻斷操作，dn大于等于200 mm的PE管道不建議進(jìn)行壓扁阻斷。

上述試驗(yàn)方法與試驗(yàn)結(jié)果還存在2個(gè)問(wèn)題：

a.雖然管材從冷凍室取出至壓扁操作的時(shí)間較短，但管材的表面溫度仍會(huì)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(duì)象一般是已運(yùn)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(yàn)采用的PE管材為新管，這與實(shí)際工程的壓扁阻斷操作稍有差異。從理論上來(lái)說(shuō)，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(diǎn)，如接頭、表面劃痕等方面來(lái)考慮。

接頭本身就是系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)，如熱熔對(duì)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(jìn)行壓扁。ASTM F1041-02提出，壓扁工具距離熔接接頭或機(jī)械管件至少3倍管材公稱(chēng)外徑或至少305 mm，二者取較大值。當(dāng)為熱熔對(duì)接時(shí)，壓扁工具距離熱熔對(duì)接接口至少3倍管材外直徑。已經(jīng)壓扁過(guò)的部位也是系統(tǒng)薄弱點(diǎn)，管道進(jìn)行過(guò)一次壓扁、復(fù)原后，在壓扁位置有可能會(huì)出現(xiàn)目測(cè)難以察覺(jué)到的微小裂紋、凹陷，再次壓扁就會(huì)二次損傷管材，因此壓扁時(shí)需避開(kāi)已經(jīng)壓扁過(guò)的部位，選擇另一適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)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(jìn)行壓扁時(shí)，管材極有可能在該處產(chǎn)生開(kāi)裂。英國(guó)某協(xié)會(huì)發(fā)布的PE燃?xì)夤艿朗┕ひ?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(méi)有明顯的損傷方可進(jìn)行壓扁。如果損傷明顯，但是被認(rèn)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(shí)，如果壓扁部位粘有砂?；蚴瘔K，壓扁時(shí)容易損壞PE管道。因此，在現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(yàn)表明夾管速率不大于50 mm/min、松開(kāi)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(shí)尤其有益。美國(guó)塑料管道協(xié)會(huì)針對(duì)壓扁操作過(guò)程中的暫停時(shí)間提出了要求：公稱(chēng)外徑dn為75 mm及以上的管道，當(dāng)管道壓扁至一半時(shí)，需要暫停1 min；當(dāng)管道壓扁至3/4時(shí)，需要暫停1 min；當(dāng)管道壓扁至管內(nèi)壁相碰時(shí)，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(shí)，夾管速率應(yīng)減半，暫停時(shí)間應(yīng)增加1倍[3]。松開(kāi)速率也按照上述暫停時(shí)間操作。

5 結(jié)論及建議

① 在環(huán)境溫度-5～0 ℃條件下，公稱(chēng)外徑dn小于等于160 mm的PE管道可以開(kāi)展壓扁阻斷操作，dn大于等于200 mm的PE管道不建議進(jìn)行壓扁阻斷。由于此試驗(yàn)采用的管材是新管，下一步可開(kāi)展對(duì)舊管進(jìn)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(jìn)行壓扁，并應(yīng)避開(kāi)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(shí)，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(jìn)行。夾管速率和松開(kāi)速率可參照ASTM F1041-02，暫停時(shí)間可參照美國(guó)塑料管道協(xié)會(huì)提出的暫停時(shí)間。