雷素敏，喬 佳，于燕平，方媛媛

(北京市燃氣集團研究院，北京 100011)

1 概述

隨著PE管材在城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)中的應用越來越廣泛，各種PE管搶險維修新技術、新設備應運而生。其中壓扁阻斷就是基于PE管道良好韌性的專用管道施工及維護技術[1]。該技術采用夾管器將PE燃氣管道壓扁直至管道內(nèi)壁貼合，從而控制燃氣流量，同時結(jié)合帶壓開孔技術加裝臨時旁通管，實施PE燃氣管道不停氣條件下修復、更換、接管等作業(yè)[2]。此技術近年來在國內(nèi)各燃氣公司得到了推廣應用。

2 相關標準情況

在國外，美國、英國針對PE管材壓扁阻斷工藝的產(chǎn)品標準、施工標準較為完善。產(chǎn)品標準中，美國標準ASTM 1563-01《聚乙烯(PE)油氣管道壓扁工具標準》(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要求，包括結(jié)構(gòu)、尺寸等。英國標準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、性能及檢驗等要求。國際標準ISO 4437-2《燃氣用塑料管道(PE)系統(tǒng) 第2部分：管材》(Plastics piping systems for the supply of gaseous fuels-Polyethyene(PE) - Part2：Pipes)中提出了壓扁復原試驗方法，此方法在實驗室檢測，為管材型式檢驗的一項內(nèi)容，用于檢測新管材的壓縮復原性能。

施工標準ASTM F1041-02《聚烯烴油氣管道壓扁操作標準指南》(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原工序的相關要求。ASTM F1734-03《避免聚乙烯燃氣管道長期損壞的擠壓工具、管道、壓扁工序組合評定標準》(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定的相關要求。《美國塑料管道協(xié)會(PPI)聚乙烯管道手冊》中第二章規(guī)定了PE管道壓扁操作的相關要求，包括壓扁速率、壓扁位置以及安全要求。

在國內(nèi)，尚無壓扁阻斷技術的專用標準。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》只是對管材產(chǎn)品的壓縮復原性能試驗的流程進行了簡單描述與規(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)場的壓扁阻氣操作。行業(yè)標準CJJ 51—2016《城鎮(zhèn)燃氣設施運行、維護和搶修安全技術規(guī)程》第5.3.7條只是提出了PE管道使用夾管器壓扁后應復原并標注位置，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的技術指標。

3 PE管壓扁阻斷技術存在的問題

① PE管材對溫度比較敏感，隨著環(huán)境溫度降低變得越來越硬而脆，當?shù)陀谝欢ōh(huán)境溫度時，采用壓扁阻斷工藝，極有可能使管材表面產(chǎn)生裂紋，增加燃氣泄漏風險。GIS/PL2-7提出，壓扁阻斷工具及設備可在-5～30 ℃范圍使用。英國某協(xié)會發(fā)布的PE燃氣管道施工規(guī)范提出，壓扁阻斷操作的環(huán)境溫度應高于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證。

② PE管的管徑越大，壁厚越厚，壓扁時越不容易阻斷PE管內(nèi)燃氣，尤其是在運行壓力較高的條件下，有可能出現(xiàn)壓扁處燃氣泄漏的情況。若燃氣泄漏量過大，在后續(xù)切線作業(yè)時，會對操作人員造成傷害。因此，多大口徑的PE管可以采用壓扁阻斷工藝，是需要明確的問題。

③ 壓扁操作前首先應明確PE管壓扁位置。不是任何位置都能進行壓扁操作，如果選擇在PE管系統(tǒng)的薄弱處，如接頭、表面劃痕等應力集中處進行壓扁，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注的問題。

④ 夾管速率和松開速率對壓扁操作非常重要。PE材料的力學性能與施加載荷的速率密切相關，夾管與松開時，需有足夠的時間讓管材吸收和釋放由壓扁所產(chǎn)生的應力，因此夾管與松開操作都應在低速狀態(tài)下進行，松開速率的控制應該更為小心[3]。夾管速率與松開速率如何控制，也是本文重點分析的內(nèi)容。

綜上所述，上述提到的關鍵技術指標，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，直接關系到施工安全與工程質(zhì)量，在國內(nèi)缺少相應標準指導的情況下如何明確這些指標，是亟待解決的問題。

4 PE管壓扁阻斷技術關鍵指標分析

4.1 壓扁阻斷工藝適用的管徑范圍與環(huán)境溫度

壓扁阻斷是通過操作夾管器平行桿之間的管道來控制PE管內(nèi)流量的一種方法，流量控制并不意味著使管內(nèi)燃氣流量降至0，尤其在較大口徑、較高壓力或較低環(huán)境溫度情況下，壓扁處可能會出現(xiàn)燃氣泄漏，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)品的壓縮復原試驗要求，但是由于此標準是產(chǎn)品標準，標準要求管材制造商應保證壓縮復原后的管材能滿足靜液壓強度的要求，而針對壓扁阻斷效果，即燃氣泄漏量并沒有提出規(guī)定。針對這個問題，開展壓扁阻斷的相關測試，主要包括氣體泄漏量的測試，以及壓扁阻斷后管材的靜液壓強度性能測試。

① 試驗方案

目前，國內(nèi)無壓扁阻斷的氣體泄漏量測試方法與合格指標的相關標準。筆者依據(jù)英國標準GIS/PL2-7中壓扁阻斷氣體泄漏測試的方法，搭建壓扁阻斷性能測試試驗臺，試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置

出于安全考慮，實驗介質(zhì)選用氮氣。試驗壓力最小為0.1 MPa，并依次以0.1 MPa的間隔升壓，直至達到最高試驗壓力0.6 MPa。

為了驗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，本試驗在-5、0 ℃下進行。由于實驗條件有限，為了模擬此試驗環(huán)境，將管材樣品放入冷凍室內(nèi)，分別在-5、0 ℃溫度下狀態(tài)調(diào)節(jié)至少12 h后取出，并立即進行壓扁阻斷。

試樣盡量做到管材的常用規(guī)格、級別全覆蓋。考慮到公稱外徑dn為315 mm的管材壁厚較厚，實際工程一般不采用壓扁阻斷工藝，因此本實驗用試樣選用公稱外徑dn為63、90、110、160、200、250 mm等常用規(guī)格，每個規(guī)格選用級別為PE80、PE100的材料進行試驗。同時，為了驗證實驗的一致性，每種規(guī)格、每種級別的管材試樣分別取2根，共計24根。試樣的長度參考GB/T 15558.1—2015中管材壓縮復原性能試驗的要求，即試樣長度不小于管材公稱外徑的6倍，最小不得小于250 mm。試樣參數(shù)見表1。

表1 試樣參數(shù)

首先，將聚乙烯管材分別在-5、0 ℃的溫度下狀態(tài)調(diào)節(jié)至少12 h后取出，立即采用夾管器對管材進行壓扁阻斷。然后，調(diào)整調(diào)節(jié)閥門，使出口壓力達到試驗壓力。最后，將軟管放進倒置的量瓶中，記錄置換出1 L水的時間t，計算出氮氣泄漏體積流量qV。qV應小于0.1 m3/h。

隨后，開展PE管材靜液壓強度測試(80 ℃，1 000 h)。PE管材靜液壓強度測試按照GB/T 15558.1—2015進行。靜液壓強度測試(80 ℃，1 000 h)應無破壞、無滲漏。

② 試驗結(jié)果與分析

dn小于等于160 mm的PE管道，在試驗溫度近似為-5、0 ℃條件下，qV小于0.1 m3/h，并通過靜液壓強度(80 ℃，1 000 h)測試。

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

由此可見，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管道可以開展壓扁阻斷操作，dn大于等于200 mm的PE管道不建議進行壓扁阻斷。

上述試驗方法與試驗結(jié)果還存在2個問題：

a.雖然管材從冷凍室取出至壓扁操作的時間較短，但管材的表面溫度仍會略有升高，因此，管材溫度只是近似于-5 、0 ℃。

b.壓扁阻斷操作的對象一般是已運行一定年限的舊管道。由于舊管材樣品的獲取較為困難，因此該試驗采用的PE管材為新管，這與實際工程的壓扁阻斷操作稍有差異。從理論上來說，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，如接頭、表面劃痕等方面來考慮。

接頭本身就是系統(tǒng)的薄弱點，如熱熔對接接頭、電熔承插接頭、鞍形承插接頭等，因此不能在接頭處進行壓扁。ASTM F1041-02提出，壓扁工具距離熔接接頭或機械管件至少3倍管材公稱外徑或至少305 mm，二者取較大值。當為熱熔對接時，壓扁工具距離熱熔對接接口至少3倍管材外直徑。已經(jīng)壓扁過的部位也是系統(tǒng)薄弱點，管道進行過一次壓扁、復原后，在壓扁位置有可能會出現(xiàn)目測難以察覺到的微小裂紋、凹陷，再次壓扁就會二次損傷管材，因此壓扁時需避開已經(jīng)壓扁過的部位，選擇另一適當?shù)奈恢眠M行壓扁。

劃痕是PE材料應力集中位置，如果壓扁部位有劃痕，當進行壓扁時，管材極有可能在該處產(chǎn)生開裂。英國某協(xié)會發(fā)布的PE燃氣管道施工規(guī)范提出，壓扁之前，應檢查管道壓扁范圍內(nèi)表面是否有刻痕、刮痕等損傷，如果沒有明顯的損傷方可進行壓扁。如果損傷明顯，但是被認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，如果壓扁部位粘有砂?；蚴瘔K，壓扁時容易損壞PE管道。因此，在現(xiàn)場作業(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)驗表明夾管速率不大于50 mm/min、松開速率不大于13 mm/min較為合適，這在寒冷天氣管材硬度增大時尤其有益。美國塑料管道協(xié)會針對壓扁操作過程中的暫停時間提出了要求：公稱外徑dn為75 mm及以上的管道，當管道壓扁至一半時，需要暫停1 min；當管道壓扁至3/4時，需要暫停1 min；當管道壓扁至管內(nèi)壁相碰時，也需要暫停1 min；繼續(xù)夾管，直至管道緊密閉合上。當氣溫低時，夾管速率應減半，暫停時間應增加1倍[3]。松開速率也按照上述暫停時間操作。

5 結(jié)論及建議

① 在環(huán)境溫度-5～0 ℃條件下，公稱外徑dn小于等于160 mm的PE管道可以開展壓扁阻斷操作，dn大于等于200 mm的PE管道不建議進行壓扁阻斷。由于此試驗采用的管材是新管，下一步可開展對舊管進行壓扁阻斷操作的研究。

② 在管道的同一位置上不應重復進行壓扁，并應避開接頭。壓扁位置與接頭的距離可參照ASTM F1041-02。壓扁部位不應有劃痕，不能有石塊或砂粒。如果不可避免需在劃痕處壓扁時，劃痕深度應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 壓扁操作應在低速狀態(tài)下進行。夾管速率和松開速率可參照ASTM F1041-02，暫停時間可參照美國塑料管道協(xié)會提出的暫停時間。