林文卓， 白麗萍, 高立新， 趙啟輝

(1.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心，北京100835；2.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司， 北京100035；3.道達(dá)爾石化(上海)有限責(zé)任公司，上海200001)

1 概述

聚乙烯管道具有耐腐蝕、比摩阻小、柔韌性好、抗震、質(zhì)量小、運(yùn)輸方便等特點(diǎn)，在中小口徑燃?xì)夤苤信c鋼管相比，具有很大的優(yōu)勢。在國外尤其是歐洲已有逾50 a的使用經(jīng)驗(yàn)。在國內(nèi)，聚乙烯燃?xì)夤艿烙?982年首次在上海使用，到目前為止已有逾30 a的應(yīng)用。在此期間，產(chǎn)品性能在不斷提高，配套管件、施工設(shè)備、施工技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善。另一方面，聚乙烯管道剛度低、表面不耐劃傷、熔接接口不易檢驗(yàn)等問題也影響其進(jìn)一步的推廣，在國內(nèi)的應(yīng)用仍處于兩極分化，哈爾濱等地區(qū)大規(guī)模地應(yīng)用聚乙烯燃?xì)夤艿?，而有些城市則因?yàn)閷垡蚁┕艿赖男阅堋⑻匦圆话盐?，心存疑慮，仍處于小心探索求證階段，選用鋼管為主。

CJJ 63《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)也經(jīng)歷了3次改版，包括1995、2008版本。為了適應(yīng)聚乙烯燃?xì)夤艿郎a(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，將最新先進(jìn)技術(shù)與產(chǎn)品納入標(biāo)準(zhǔn)中，進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，更好地指導(dǎo)聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ淘O(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收工作，確保工程質(zhì)量和安全供氣，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心(現(xiàn)更名為住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心)組織燃?xì)夤疽约肮懿纳a(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工、檢測等逾20家單位共同完成了CJJ 63《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的第3次修訂工作。筆者有幸參與第3次修訂工作，本文就標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中的一些重要問題，也是聚乙烯燃?xì)夤艿缿?yīng)用中設(shè)計(jì)施工人員比較關(guān)注的問題，包括最大允許工作壓力、管材管件儲存條件和時(shí)間、熱熔接頭的質(zhì)量檢驗(yàn)等內(nèi)容進(jìn)行探討。第3次修訂后的標(biāo)準(zhǔn)號為CJJ 63—2018，標(biāo)準(zhǔn)名為《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。

2 最大允許工作壓力和最大工作壓力

2.1 設(shè)計(jì)系數(shù)C與最大允許工作壓力pmax的計(jì)算

在CJJ 63—2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》中，只有最大允許工作壓力這一概念，最大允許工作壓力是指管道系統(tǒng)中允許連續(xù)使用的最大壓力。CJJ 63—2018版本為了與聚乙烯燃?xì)夤艿绹耶a(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和其他國際標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)，引入了最大工作壓力(pMOP)概念，與最大允許工作壓力(pmax)概念相區(qū)別，并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式。其中，最大工作壓力指20 ℃工作溫度條件下，聚乙烯燃?xì)夤艿涝试S連續(xù)使用的最大壓力。最大允許工作壓力指在相應(yīng)工作溫度(包含20 ℃)下，聚乙烯燃?xì)夤艿涝试S連續(xù)使用的最大壓力，考慮了工作溫度對工作壓力的影響，燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)高于最大允許工作壓力(pmax)。

CJJ 63—2008 第4.1.3條規(guī)定了不同輸送介質(zhì)條件下，不同強(qiáng)度等級和不同規(guī)格條件下，聚乙烯管道的最大允許工作壓力(即為CJJ 63—2018中的最大工作壓力)，見表1。

表1 聚乙烯管道的最大允許工作壓力 MPa

CJJ 63—2008第4.1.5條又規(guī)定，當(dāng)聚乙烯管道工作溫度在20 ℃以上時(shí)，最大允許工作壓力應(yīng)按工作溫度對管道工作壓力的折減系數(shù)(即壓力折減系數(shù))進(jìn)行折減。

CJJ 63—2018根據(jù)設(shè)計(jì)習(xí)慣和聚乙烯管道工程實(shí)際，規(guī)定了最大工作壓力(pMOP)的確定需要通過設(shè)計(jì)系數(shù)C計(jì)算，不再直接從表中選用。同時(shí)考慮到聚乙烯燃?xì)夤艿啦荒屯饬ζ茐牡奶匦?，根?jù)聚乙烯燃?xì)夤艿罉?biāo)準(zhǔn)要求，引入了耐快速裂紋擴(kuò)展的臨界壓力值(pRCP)的概念，規(guī)定pMOP的確定，除了應(yīng)按照式(1)計(jì)算外，還應(yīng)用pRCP進(jìn)行校核，校核計(jì)算應(yīng)按式(3)進(jìn)行。

(1)

(2)

(3)

式中pMOP——最大工作壓力，MPa，以20 ℃為參考工作溫度

σmin——最小要求強(qiáng)度，MPa，PE 80取8.0 MPa，PE 100取10.0 MPa

C——設(shè)計(jì)系數(shù)

SSDR——標(biāo)準(zhǔn)尺寸比

pmax——最大允許工作壓力，MPa

DF——工作溫度下的壓力折減系數(shù)

pRCP——耐快速裂紋擴(kuò)展的臨界壓力，MPa，由混配料供應(yīng)商或管材生產(chǎn)廠商提供

CJJ 63—2018同時(shí)規(guī)定了輸送不同燃?xì)夥N類的聚乙烯管道的設(shè)計(jì)系數(shù)取值，見表2。

對于輸送液化石油氣和人工煤氣的聚乙烯管道，考慮燃?xì)庵械姆枷銦N類物質(zhì)(如苯、甲苯、二甲苯等)對聚乙烯材料的溶脹作用，導(dǎo)致管道耐壓能力下降，在CJJ 63—2018中，聚乙烯管道輸送液化石油氣和人工煤氣時(shí)，與輸送天然氣相比，設(shè)計(jì)系數(shù)C更大，以滿足工作壽命的要求。

2.2 最大工作壓力

EN 1555-2:2010《Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels-Polyethylene (PE)-Part2：Pipes》(中文譯名：《燃?xì)廨斔陀镁垡蚁?PE)塑料管道系統(tǒng)第2部分：管材》)、ISO 4437-2:2014《Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels— Polyethylene (PE)—Part 2: Pipes》(中文譯名：《燃?xì)廨斔陀镁垡蚁?PE)塑料管道系統(tǒng) 第2部分：管材》)、EN 12007-2:2012《Gas infrastructure-pipelines for maximum operating pressure up to and including 16 bar-Part2：Specific functional requirements for polyethylene (MOP up to and including 10 bar)》(中文譯名：《燃?xì)夤こ?最大工作壓力到1.6 MPa的管道系統(tǒng) 第2部分：(MOP到1.0 MPa)聚乙烯的性能要求》)標(biāo)準(zhǔn)中，PE100、SDR11系列管材的pMOP為1.0 MPa；法國、西班牙規(guī)定PE100、SDR11系列管材的pMOP為0.8 MPa；德國、匈牙利、摩爾多瓦規(guī)定PE100、SDR11系列管材的pMOP為1.0 MPa。

ISO 4437《Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels》(中文譯名：《燃?xì)廨斔陀镁垡蚁┕艿馈?、 EN 1555《Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels》(中文譯名：《燃?xì)廨斔陀盟芰瞎艿老到y(tǒng)》)以及 GB 15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》這些管材產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定C≥2.0。在不考慮溫度折減時(shí)，以PE100、SDR11系列管材為例，C取2.0，代入式(1)，計(jì)算得到pMOP為1.0 MPa。考慮到我國國情和施工因素(包括地質(zhì)條件、施工方式、燃?xì)夥N類、管理?xiàng)l件等各種因素)，結(jié)合我國近20年來應(yīng)用聚乙烯燃?xì)夤艿赖慕?jīng)驗(yàn)，CJJ 63—2018中規(guī)定C≥2.5，高于ISO 4437、EN 1555以及GB 15558.1—2015產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中C大于等于2.0的規(guī)定。同樣，以PE100、SDR11系列管材為例，C取2.5，代入式(1)，計(jì)算得到的pMOP為0.8 MPa。因此，CJJ 63—2018規(guī)定，對于輸送天然氣的聚乙烯管道，PE100、SDR11系列管材的最大工作壓力為0.8 MPa，與CJJ 63—2008規(guī)定的0.7 MPa相比，有所提高，這個(gè)最大工作壓力值也與歐洲大多數(shù)國家實(shí)際應(yīng)用值相符合，也與GB 50028—2006規(guī)定的次高壓B燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)壓力區(qū)間相一致。

3 允許儲存時(shí)間與存放條件

聚乙烯是一種熱塑性高分子材料，在室外受紫外線(尤其波長300 nm左右的紫外線)、熱、氧氣、臭氧、工業(yè)有害氣體及微生物等外界環(huán)境因素的作用會(huì)發(fā)生老化，產(chǎn)生變色、性能下降[1]。為了提高耐老化性能，一般在聚乙烯原料中加入光屏蔽劑、抗光穩(wěn)定劑、抗熱穩(wěn)定劑和抗氧劑等。黑色管通過添加炭黑，非黑色管(如橙色管、黃色管)添加額外的抗UV(指紫外線)穩(wěn)定劑(受阻胺類)和UV吸收劑，目的都是為了防止紫外線對PE材料的影響。黑色管和非黑色管中都添加了抗熱穩(wěn)定劑，以減少陽光照射導(dǎo)致管材溫度升高。國內(nèi)外相關(guān)用戶及制造商對超過4 a甚至更長時(shí)間的管材、管件進(jìn)行了相應(yīng)的測試，結(jié)果顯示其性能均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且與最初的性能相比無明顯降低。

標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中，部分專家提出非黑色管在沒有保護(hù)的戶外儲存時(shí)間不應(yīng)超過2 a(或者可存放更長時(shí)間，但需由管材廠家推薦)。帶色條料的黑色管，在戶外儲存的時(shí)候一般不需要防護(hù)。澳大利亞水和燃?xì)夤I(yè)協(xié)會(huì)要求，聚乙烯管道產(chǎn)品在澳大利亞戶外暴露存放兩年后可以繼續(xù)使用，特別對于黑色管，澳大利亞水和燃?xì)夤I(yè)協(xié)會(huì)允許PE污水管道永久性地暴露于地表之上。但這些不意味著聚乙烯管可以隨時(shí)在露天暴曬。添加炭黑、抗紫外線劑、抗熱穩(wěn)定劑的目的都是為了保護(hù)材料，而不是為了直接暴曬。為保證使用壽命，需要提供良好的儲存環(huán)境，防日曬、雨淋。GB 15558.1—2015和ISO 4437-2:2014規(guī)定了聚乙烯非黑色混配料(以管材形式測定)的耐候性能：在受到累計(jì)太陽曝輻射量≥3.5 GJ/m2后，由其制作的電熔接頭的剝離強(qiáng)度、管材斷裂伸長率和靜液壓試驗(yàn)仍應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。EN 12007-2:2012第5章提出：聚乙烯管材和管件不能陽光直射，累計(jì)太陽曝輻射量不得大于3.5 GJ/m2。3.5 GJ/m2相當(dāng)于西歐地區(qū)(如：法國巴黎、英國倫敦)一年的太陽曝輻射量，相當(dāng)于我國大部分地區(qū)6～8個(gè)月的太陽曝輻射量。

因此CJJ 63—2018參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定聚乙烯管材、管件不應(yīng)長期戶外存放。當(dāng)從生產(chǎn)到使用期間，累計(jì)受到太陽曝輻射量超過3.5 GJ/m2，或具有良好存放條件下的管材存放超過4 a，及密封包裝的管件存放超過6 a時(shí)，應(yīng)對其進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，性能符合要求方可使用。

4 焊制管件問題

從聚乙烯管材上切割管段，采用角焊機(jī)熱熔對接制作的管件叫作PE焊制管件，屬于非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。該類管件焊口多，彎頭角度多，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品質(zhì)量控制難度較大。同時(shí)，焊制管件由于存在多個(gè)與軸向不垂直的焊縫，在內(nèi)壓和外荷載作用下，焊縫會(huì)受力不均，造成局部應(yīng)力集中，不利于長期運(yùn)行。CJJ 63—2008考慮到當(dāng)時(shí)的注塑管件生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀，允許使用焊制管件，但對應(yīng)用焊制管件的系統(tǒng)提出壓力不超過0.2 MPa、工廠預(yù)制、焊制管件管材壓力等級大于系統(tǒng)管材壓力等級、施工中加固等要求。

盡管有上述要求，在管道系統(tǒng)中應(yīng)用焊制管件依然有安全隱患。目前國內(nèi)已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量廠家具備生產(chǎn)DN 630 mm以下一次性注塑管件的條件，質(zhì)量更加可靠，規(guī)格品種也完全可以滿足市場要求。因此，CJJ 63—2018刪除了焊制管件的相關(guān)規(guī)定，規(guī)定系統(tǒng)中采用的管件應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15558.2—2005《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第2部分:管件》的要求。

5 熱熔連接和質(zhì)量檢驗(yàn)

5.1 熱熔設(shè)備和連接要求

目前國際上聚乙烯燃?xì)夤艿倪B接普遍采用不可拆卸的焊接接頭，即熱熔連接或電熔連接。一般來說，這兩種連接方式形成的接頭的強(qiáng)度都高于管材自身強(qiáng)度。CJJ 63—2018規(guī)定熱熔連接工藝應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32434—2015《塑料管材和管件 燃?xì)夂徒o水輸配系統(tǒng)用聚乙烯(PE)管材及管件的熱熔對接程序》的規(guī)定，還規(guī)定熱熔對接連接設(shè)備宜使用全自動(dòng)焊接設(shè)備，即加熱、卷邊、吸熱、切換、加壓熔接、保壓冷卻等操作自動(dòng)完成，不推薦使用手動(dòng)焊接設(shè)備。焊機(jī)各項(xiàng)參數(shù)和性能是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，因此，CJJ 63—2018規(guī)定，焊機(jī)應(yīng)定期進(jìn)行校準(zhǔn)和檢定，周期不應(yīng)超過1 a。

除了合格的材料和焊機(jī)之外，聚乙烯燃?xì)夤艿赖慕宇^質(zhì)量還跟施工環(huán)境密切相關(guān)，因此，CJJ 63—2018規(guī)定了施工環(huán)境要求，在溫度較低、大風(fēng)環(huán)境，需要保溫防風(fēng)，同時(shí)避免陽光直射、遮陽防雨。

5.2 熱熔連接質(zhì)量檢驗(yàn)

聚乙烯管道熱熔連接完成后，應(yīng)采用卷邊對稱性、接頭對正性、卷邊切除試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。其中卷邊對稱性、接頭對正性檢驗(yàn)是接頭質(zhì)量檢查的最基本方法，也是比較簡便和比較容易實(shí)現(xiàn)的方法，因此，要求100%進(jìn)行此項(xiàng)檢查。卷邊切除試驗(yàn)檢驗(yàn)為焊接質(zhì)量的概率保證，檢驗(yàn)比較復(fù)雜，但該項(xiàng)檢驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)虛焊等打壓試驗(yàn)無法發(fā)現(xiàn)的焊接質(zhì)量缺陷，因此CJJ 63—2018提高了檢驗(yàn)的比例，從原來的10%提高到了15%。實(shí)際工程中，如果條件許可或工程可靠性要求較高，如水平定向鉆非開挖施工時(shí)，CJJ/T 250—2016《城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿来┛缭焦こ碳夹g(shù)規(guī)程》第5.1.8條規(guī)定，要求100%卷邊切除檢驗(yàn)，以確保熱熔焊接質(zhì)量。

上述為施工過程中非破壞性檢驗(yàn)方法，在需要焊接工藝評價(jià)、對焊接質(zhì)量存在異議或焊機(jī)長期停用后再次使用時(shí)，進(jìn)行如下破壞性試驗(yàn)：按照 GB/T 19810—2005《 聚乙烯(PE)管材和管件熱熔對接接頭拉伸強(qiáng)度和破壞形式的測定》進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，按照GB/T 6111—2018《流體輸送用熱塑性塑料管道系統(tǒng) 耐內(nèi)壓性能的測定》進(jìn)行80 ℃、1 000 h的靜液壓試驗(yàn)。這種破壞性試驗(yàn)耗時(shí)較長，短時(shí)間內(nèi)無法得出結(jié)論。實(shí)際工作中，為了快速檢測焊口質(zhì)量，部分燃?xì)夤緯?huì)采用樣條彎曲試驗(yàn)這一相對簡單的破壞性試驗(yàn)方法檢測熱熔連接接口質(zhì)量，具體做法是：從熱熔連接的管道中分割出特定的長條形試樣，熔接縫應(yīng)位于樣條中間，先將外卷邊切除，用手握住樣條的兩端，用力將其向內(nèi)彎曲至兩端接觸，檢查樣條熔接縫，不應(yīng)出現(xiàn)開裂。該種檢驗(yàn)方法通常在全自動(dòng)焊機(jī)首次使用時(shí)，或每月一次，以檢測全自動(dòng)焊機(jī)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行是否良好，以控制熱熔焊接質(zhì)量水平。

其他非破壞性檢驗(yàn)方法，可考慮通過超聲波和X射線探測等常規(guī)非破壞性檢測方法來進(jìn)行接頭質(zhì)量的評估。雖然超聲波和X射線探測等常規(guī)非破壞性檢測方法有可能檢測不到所有熱熔對接接頭上存在的缺陷，但可以檢測出受污染和存在氣泡的區(qū)域。因此，可考慮使用此類技術(shù)，以進(jìn)一步確認(rèn)熱熔對接接頭的質(zhì)量。

6 示蹤、警示裝置及保護(hù)板設(shè)置

為了運(yùn)行管理時(shí)方便探測聚乙烯管道位置，并提示第三方施工人員施工時(shí)避開管道位置，CJJ 63—2008 第4.1.8條規(guī)定：隨管道走向應(yīng)設(shè)計(jì)示蹤線(帶)和警示帶；第6.2.6條規(guī)定：管道敷設(shè)時(shí)，應(yīng)隨管道走向埋設(shè)金屬示蹤線(帶)、警示帶或其他標(biāo)志。本次修訂，將示蹤線(帶)和警示帶修改為有效的示蹤、警示裝置。示蹤裝置可以是有效導(dǎo)通的示蹤線、示蹤帶，也可以是可寫入管線位置等信息的電子標(biāo)志器，或者地下管線測繪等方式。警示裝置可以是警示帶、地面標(biāo)志、警示保護(hù)板等。

為了避免聚乙烯燃?xì)夤艿涝馐艿谌狡茐?，CJJ 63—2018規(guī)定：設(shè)計(jì)壓力大于0.4 MPa的聚乙烯燃?xì)夤艿郎戏綉?yīng)設(shè)置保護(hù)板。目前各燃?xì)夤静捎玫谋Ｗo(hù)板形式較多，有聚乙烯保護(hù)板、玻璃纖維保護(hù)板、鋼筋混凝土保護(hù)板。北京燃?xì)獾裙静捎昧诵滦蚉E保護(hù)板或玻璃纖維板，在這些保護(hù)板中內(nèi)置了可用金屬探測器探測到的鋼帶，保護(hù)板表面有“下有燃?xì)猓⒁獗Ｗo(hù)”的警示語，且具有一定的強(qiáng)度(剪切強(qiáng)度≥14.2 MPa，拉伸強(qiáng)度≥10.0 MPa)，與鋼筋混凝土保護(hù)板相比較，埋設(shè)方便。埋設(shè)位置在管道上方不小于200 mm，且距地面300～500 mm的位置，可以抵御人工鎬錘挖掘?qū)垡蚁┤細(xì)夤艿赖钠茐模乙蚱溆休^好的強(qiáng)度和韌性，即使在機(jī)械挖掘時(shí)，也可以起到一定的保護(hù)作用。