根據聚乙烯混配料的分級和管材的技術性能，闡述了SDRl7.6薄壁管尤其是PEl00 SDRl7.6薄壁管在中低壓燃氣管道工程應用的適用性、經濟性。
1 概述
城市燃氣管網是城市燃氣工程的重要組成部分，燃氣管網造價占燃氣工程總造價的比例很大(約40%)，因此研究燃氣管網的經濟造價和經濟運行有著十分重要的意義。由于聚乙烯管的當量絕對粗糙度約為鋼管的5%，因此在相同管徑、長度、壓力降下，聚乙烯管的輸氣能力要比鋼管高40%。聚乙烯管具有耐腐蝕、壽命長、易施工等特點[1]，已被各地燃氣公司所認同，并廣泛應用在城鎮中壓燃氣管道上。實踐證明聚乙烯管對降低燃氣工程的造價，提高燃氣管網的輸配能力，確保管網的安全運行具有現實意義。
現在城市燃氣中壓管網材料逐步由鋼管轉向聚乙烯管，常用聚乙烯混配料的級別是PE80和PEl00[2]。管材有兩個系列，為SDR11和SDRl7.6[1]。SDR(Standard Dimension Ratio)，是管材的標準尺寸比，是公稱外徑dn與公稱壁厚en之比，經圓整后為11和17.6。因此稱SDR11為厚壁管，SDRl7.6為薄壁管。
SDR11系列的管材是大家所熟知的。人們對于SDRl7.6系列的管材雖有所了解，可是對它的技術性能、規范的要求和應用范圍還不熟悉。因此本文主要對聚乙烯薄壁管在燃氣管道工程中的應用進行探討。
2 聚乙烯混配料的分級與管材的技術性能
① 聚乙烯混配料的分級
我國對聚乙烯混配料(以下簡稱混配料舊1)的等級分類是參照國際標準，結合國內實際情況而制定的。國際標準《燃氣埋地聚乙烯(PE)管道系統第1部分管材》(ISO 4437：1997)對管材料的等級分類是PE80和PEl00[3]。國家標準《燃氣用埋地聚乙烯管材》(GB15558.1—1995)對管材混配料的等級分類基本定為PE80。國外PE80混配料基本上不生產，現已大量生產PEl00混配料。2003年國家發布了《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統第1部分：管材》，將PEl00管材混配料納入新的標準之中，從而為我國聚乙烯燃氣管材使用范圍開辟了新的領域。
目前燃氣用PE管材混配料采用的是PE80和PEl00混配料。我國PE管材生產廠家使用的混配料大部分來自瑞典、芬蘭、德國、比利時、韓國、日本等國家，以及我國的中國石化上海石化股份公司、中國石化齊魯石化股份公司等廠家。
PE80和PEl00混配料的分級按《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統第1部分：管材》(GB 15558.1—2003)第4.6條的最小要求強度(MRS)和置信下限(σLCL)進行劃分。MRS是按《優先數和優先數系》(GB/T 321—1980)的R10和R20系列向小圓整的置信下限σLCL的值。當σLCL ＜10 MPa時，按R10圓整；當σLCL≥10 MPa時，按R20圓整。聚乙烯混配料的分級，見表1。
表1 聚乙烯混配料的分級
Tab.1 Classification of polyethylene
|
命名 |
σLCL/MPa |
MRS/MPa |
|
PE80 |
8.00～9.99 |
8.0 |
|
PEl00 |
10.00～11.19 |
10.O |
MRS和σLCL越大，說明混配料質量越好，管材耐壓程度就高，適用范圍就越大。
② PE管材的技術性能
材料的發展及管材應用的實踐表明，僅僅通過MRS來選擇聚乙烯燃氣管材是不夠的，還必須滿足其他性能指標。目前比較全面的方法是根據國家標準《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統第1部分：管材》(GB 15558.1—2003)第7條和第8條規定，管材必須滿足靜液壓強度、斷裂伸長率、耐候性、耐快速裂紋擴展、耐慢速裂紋增長5項力學性能指標和熱穩定性、熔體質量流動速率、縱向回縮率3項物理性能指標。
靜液壓強度在不同的試驗溫度和試驗壓力下，對PE80和PEl00管材的破壞時間要求有所不同。例如試驗溫度為80 ℃，PE80和PEl00管材的試驗壓力(環應力)分別為4.0 MPa和5.0 MPa時，管材的破壞時間必須達到1000 h以上。試驗溫度為20 ℃，PE80和PEl00管材的試驗壓力(環應力)分別為9.0 MPa和12.4 MPa時，管材的破壞時問必須達到100 h以上。表2給出了80 ℃時PE80和PEl00管材的環應力與最小破壞時間。
表2 80℃時PE80和PEl00管材的環應力與最小破壞時間的關系
Tab2. Relationship of annular stress with minimum damage time of PE80 and PE100 pipe at 80℃
|
PE80管材 |
PE100管材 |
||
|
環應力/MPa |
最小破壞時間/h |
環應力/MPa |
最小破壞時間/h |
|
4.5 |
165 |
5.4 |
165 |
|
4.4 |
233 |
5.3 |
256 |
|
4.3 |
331 |
5.2 |
399 |
|
4.2 |
474 |
5.1 |
629 |
|
4.1 |
685 |
5.0 |
1000 |
|
4.0 |
1000 |
— |
— |
PE80管材和PEl00管材在等級分類及技術性能上都有很大的區別，而PEl00管材各項技術性能都比PE80管材高。
3 PE薄壁管的適用性
2004年6月以前，我國PE管材和管件的生產、工程設計、施工采用3個標準，即《燃氣用埋地聚乙烯管材》(GB 15558.1一1995)、《燃氣用埋地聚乙烯管件》(GB 15558.2—1995)和《聚乙烯燃氣管道工程技術規程(CJJ 63-95)。這3個標準都明確規定PE管道系統最大工作壓力≤0.4 MPa。因此，在燃氣工程設計上，PE管道系統設計壓力為0.4 MPa時，采用的管材為PE80 SDR11和PEl00 SDR11系列。設計壓力為0.2 MPa時，采用的管材為PE80SDRl7.6和PEl00 SDRl7.6系列。按安全系數C≥4為計算基準，經計算得出不同系列的最大工作壓力，見表3。
隨著國內外聚乙烯管技術水平的提高，國家對《燃氣用埋地聚乙烯管材》(GB 15558.1—1995)進行了修訂，發布了《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統第1部分：管材》(GB 15558.1—2003)。新標準于2003年10月9日發布，于2004年6月1日起實施。新老標準的最大區別在于總體使用(設計)系數C(也稱安全系數)取值不同，見《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統第1部分：管材》(GB 15558.1—2003)第3.2.2條和4.7條。新標準規定C≥2，將C值代入公式得出不同系列的最大工作壓力，見表4。
表3 PE管的最大工作壓力(安全系數C≥4)
Tab.3 Maximum working pressure of PE pipe (safety coefficient C≥4)
MPa
|
PE80管材 |
PEl00管材 |
||
|
SDR11 |
SDRl7.6 |
SDR11 |
SDRl7.6 |
|
0.4 |
0.2 |
0.5 |
0.3 |
表4 PE管的最大工作壓力(安全系數C≥2)
Tab.4 Maximum working pressure of PE pipe (safety coefficient C≥2)
MPa
|
PE80管材 |
PEl00管材 |
||
|
SDR11 |
SDRl7.6 |
SDR11 |
SDRl7.6 |
|
0.8 |
0.5 |
1.0 |
0.6 |
新標準中管道系統最大工作壓力比老標準有很大的提高，按新標準確定的最大工作壓力，厚壁管系列管材不僅可以用在燃氣管網的中壓系統，而且可以用在燃氣管網的次高壓系統，薄壁管系列管材可以用在燃氣管網的中壓系統。
《聚乙烯燃氣管道工程技術規程》(CJJ 63—95)[4]。雖已修訂，但新標準沒有頒布實施，而且《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028—2006)[5]對中壓管網壓力范圍還限定在0.4 MPa以下。因此，燃氣PE管道系統的設計和施工，必須以《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028—2006)和《聚乙烯燃氣管道工程技術規程》(CJJ 63-95)規定的壓力為準，這就是燃氣管道系統采用PE管時最大工作壓力不能大于0.4 MPa的原因。
《聚乙烯燃氣管道工程技術規程》修訂報批稿中規定，“PE80 SDRl7.6適用于不大于0.3 MPa.PEl00 SDRl7.6適用于不大于0.4 MPa的燃氣管道”。這更加說明了薄壁管完全能在燃氣中壓管網上應用。
4 PE薄壁管的經濟性
PE管材同一規格、不同系列的壁厚相差很大，見表5。
SDRl7.6的壁厚是SDR11的壁厚的60%～63%，單位長度重量輕、用料少、價格低。
目前我國的PE管材生產廠家的產品都是定型產品，各廠家管材的價格差異不是很大。為說明厚壁管和薄壁管比價的區別，就以中財集團生產的“中財”牌PE管材2005年市場價格為例，對PE80 SDR11和PEl00 SDRl7.6管材價格進行比較，見表6。
表5 SDR11和SDRl7.6管材的最小壁厚
Tab.5 Minimum wall thickness of SDR11 and SDRl7.6 pipes
|
公稱外徑dn/mm |
最小壁厚/mm |
|
|
SDR11 |
SDRl7.6 |
|
|
63 |
5.8 |
3.6 |
|
90 |
8.2 |
5.2 |
|
110 |
10.0 |
6.3 |
|
140 |
12.7 |
8.0 |
|
160 |
14.6 |
9.1 |
|
180 |
16.4 |
10.3 |
|
200 |
18.2 |
11.4 |
表6 PE80 SDR11和PEl00 SDRl7.6管材價格比較
Tab.6 Price comparison between PE80 SDR11 and PEl00 SDRl7.6 pipes
|
公稱外徑dn/mm |
PE80 SDR11的價格/(元·m-1) |
PEl00 SDRl7.6的價格/(元·m-1) |
價差/(元·m-1) |
相對價差/% |
|
32 |
5.69 |
6.31 |
-0.62 |
-9.8 |
|
63 |
19.90 |
18.90 |
1.00 |
5.3 |
|
90 |
39.50 |
32.50 |
7.00 |
21.5 |
|
110 |
56.90 |
45.99 |
10.91 |
23.7 |
|
160 |
119.80 |
96.90 |
22.90 |
23.6 |
|
180 |
164.08 |
108.08 |
56.00 |
51.8 |
|
200 |
187.50 |
153.50 |
34.00 |
22.1 |
PEl00 SDRl7.6比PE80 SDR11價格要低得多，除dn32 mm以下的管材價格略增加外，其他規格的管材價格低1.0～56.0 元/m。可見，采用薄壁管對降低工程造價、提高企業經濟效益具有十分重要的現實意義。
5 建議與注意事項
如果采用PE80 SDRl7.6薄壁管，它的價格優勢和經濟性比PEl00 SDRl7.6薄壁管更加明顯，但考慮一定的安全系數，建議在中壓A級管道采用PEl00 SDRl7.6，中壓B級以下管道采用PE80 SDR17.6。
由于采用薄壁管，對焊接質量和施工要求比較高。為保證薄壁管的焊接質量，對于dn90 mm(含dn90 mm)以下管道必須采用電熔連接(雖然電熔管件費用高，但薄壁管節省的費用足以抵消電熔管件增加的費用)，對于dn110 mm(含dn110 mm)以上管道可采用熱熔連接。
需要注意以下幾點：嚴格控制管材表面劃傷，劃傷深度超過2 mm者嚴禁使用；地面焊接管道不宜超過2根，避免應力集中；嚴格控制管道對接的偏差，特別是兩種壁厚管子對接的偏差；焊縫的切面抽查不少于10%，至少抽查1處；熱熔機具一定要選用全自動焊機，以確保焊接質量。
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