聚乙烯燃氣埋地管道檢測技術研究

任 峰，生建文，劉 健

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

聚乙烯管道具有良好的耐腐蝕性，成本低、施工簡單，逐步取代鋼質管道應用到城市燃氣輸配行業中。國內目前新建的城市燃氣中低壓管道基本采用聚乙烯材質[1]。為了減少燃氣泄漏事故，應對潛在的安全隱患進行風險分析和評估，采用先進的檢測技術發現盡可能多的管道缺陷，降低管道運行風險，提前排查、消除安全隱患將逐步取代事故發生后再進行緊急搶險的方法。

1 城市燃氣埋地聚乙烯管道泄漏安全隱患影響因素

1.1 管道本體質量缺陷

管道本體質量缺陷主要包括管件和管道本體質量不合格造成的缺陷，例如管道在運行過程中管件密封失效以及在制造、儲存過程中存在裂紋、劃傷等缺陷。按照CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》要求，管材劃傷不能超過管材壁厚的10%。如圖1所示，鞍型三通密封失效，導致運行的燃氣管道泄漏。

圖1 鞍型三通密封失效

1.2 管道焊接缺陷

管道焊接缺陷主要是焊接過程中結構不合理、焊接參數設置不合理，焊接面有雜質以及環境影響等因素造成焊接接頭存在缺陷和變形。焊縫缺陷根據焊接方法不同分為電熔接頭缺陷和熱熔接頭缺陷。電熔接頭缺陷包括熔合面缺陷、孔洞、金屬絲錯位、冷焊等；熱熔接頭缺陷包括熔合面缺陷、冷焊、過焊、焊縫過短、焊縫不對中等。圖2為熱熔焊縫變形，由焊縫未對齊焊接造成。

圖2 熱熔焊縫變形

1.3 外力機械損傷

外力機械損傷是指管道受到外力機械作用造成管體變形或者損傷。圖3為管道受外力擠壓變形。圖4為管道破損，管道被第三方施工破壞造成泄漏。

圖3 管道受外力擠壓變形

圖4 管道破損

管道敷設時，應隨管道走向埋設金屬示蹤線和警示帶(CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》)，目前聚乙烯燃氣管道存在示蹤線缺失的現象，導致埋地聚乙烯管道不能準確定定位，外力機械損傷，也是管道安全運行的難題。

1.4 其他因素

其他因素包括高溫、低溫、電擊等，聚乙烯管道相對于鋼質管道能夠承受的溫度范圍較窄，聚乙烯管道附近存在高溫管道或者其他高溫物體，都有可能造成管道融熔失效，聚乙烯管道長期處于低溫環境有可能造成管道凍裂失效，因此在管道運行過程中要充分考慮聚乙烯管道的周邊環境，做好保溫、隔離熱源、防雷擊等措施。

2 城市燃氣埋地聚乙烯管道隱患排查檢測技術

2.1 目測法

目測法主要包括目視檢查和泄漏檢查。目視檢查范圍包括檢查管道本體、管件及焊縫外觀、變形及損傷。泄漏檢查是采用日常巡檢與燃氣泄漏檢測結合的方法，能快速、準確發現燃氣泄漏點，是及時排除安全隱患的重要方法[2]。

熱熔接頭的目視檢查項目包括焊縫翻邊對稱性、接頭對正性檢驗和翻邊切除檢驗。翻邊應沿整個外圓周平滑對稱，尺寸均勻、飽滿，不應有切口或缺口狀缺陷；焊縫高度不能低于母材表面；焊接部位的錯變量不能超過管材壁厚的10%。

電熔接頭的目視檢查項目要求管件端口處應有明顯刮皮痕跡；接縫處不應有熔融料溢出；鞍型三通的出口應垂直于管材中心線；電熔管件內電阻絲不應擠出，管件上觀察孔中應能看到少量熔融料溢出，但不能呈流淌狀。

目視法簡單快捷，對發現管道表面宏觀缺陷以及燃氣泄漏點非常有效，缺點是對于埋地管道不能實施目視檢查。

2.2 力學性能試驗

力學性能試驗主要指針對熱熔接頭、電熔接頭進行的破壞性試驗，通過檢測接頭的力學性能指標確定接頭質量。

對熱熔接頭采用拉伸試驗、三點彎曲試驗、拉伸蠕變測試等，通過這些試驗可以得到焊口的焊縫系數，評價焊接質量和變形能力，可評價焊接接頭的壽命。

對電熔接頭采用電熔拉伸剝離、電熔擠壓剝離、鞍形三通焊接抗沖擊強度測定等，用管壁、管件壁或焊接面的破壞特征和剝離百分比表征焊接質量，檢查是否有可見損傷，以此判定電熔接頭性能是否達標。

力學性能試驗能為接頭質量提供準確的判定數據，但是由于操作復雜、成本較高，應用受到限制。

2.3 無損檢測方法

無損檢測方法主要包括超聲波無損檢測方法和射線無損檢測方法。焊縫超聲檢測已經發布了標準，例如檢測按照JB/T 10662—2013《無損檢測 聚乙烯管道焊縫超聲檢測》、GB/T 29461—2012《聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測》進行，檢測結果評價參照GB/T 29460—2012《含缺陷聚乙烯管道電熔接頭安全評定》。射線檢測方法對接頭孔洞、金屬絲錯位、未熔合、未焊透等缺陷能進行直觀反映。

由于聚乙烯材質對聲波的損耗，超聲無損檢測的精度受到一定影響，中國特種設備檢測研究院采用超聲相控陣動態聚焦結合B掃查成像技術對焊縫進行檢測，結果表明能夠對缺陷定位，對焊縫質量進行判定[3]。無損檢測方法還有待于進一步研究，提高檢測能力和精度。

2.4 管道定位探測技術

造成外力機械損傷的主要原因是施工單位在對埋地聚乙烯管道位置、埋深定位不準確的情況下施工造成管道本體損傷，而缺乏有效的埋地聚乙烯管道探測技術是事故的主要原因之一。

目前埋地聚乙烯管道探測定位可采用的設備主要包括：通過探測沿管道內部傳播的聲波振動信號進行管道定位的燃氣PE管線探測儀GPPL，探測短聲波脈沖反射信號的APL地下(PE)管線探測儀[4]，探測高頻電磁波反射信號的探地雷達，探測示蹤線電磁信號的埋地管線探測儀[5]，對設備從操作簡易程度、是否與管道連接、定位準確性、埋深探測準確性、單次探測長度等方面進行對比分析，結果見表1。

表1 聚乙烯管道探測設備對比分析結果

通過以上研究發現示蹤線法是目前操作方便、準確性高的聚乙烯管道探測技術，但是目前很多聚乙烯管道未安裝示蹤線，導致該技術不能使用；對于其他3項技術，燃氣PE管線探測儀GPPL在管道定位方面較準確，探地雷達在管道埋深探測方面較準確，集合這2種技術的優勢，可以提高聚乙烯管道定位、埋深檢測的準確性。

應用燃氣PE管線探測儀GPPL+探地雷達的技術組合進行聚乙烯管道現場探測，分3步進行：

(1)利用燃氣PE管線探測儀GPPL對聚乙烯管道進行定位。管道定位探測現場如圖5所示。

圖5 管道定位探測現場圖片

(2)利用探地雷達選擇2處管道進行埋深測量。探地雷達埋深探測1#坑檢測結果如圖6所示。埋深探測2#坑檢測結果如圖7所示。

圖6 埋深探測1#坑圖片

圖7 埋深探測2#坑圖片

(3)現場開挖，對管道的定位、埋深誤差進行驗證。

通過結果分析得出結論：利用燃氣PE管線探測儀GPPL進行管道定位，單側能夠探測的管線距離在500～1 000 m之間?，F場實際開挖驗證2處，平面誤差：1#坑10 cm，2#坑0 cm。埋深探測誤差：1#坑探測埋深2.2 m，實際1.9 m；2#坑探測埋深1.4 m，實際埋深1.3 m。

探測結果表明：燃氣PE管線探測儀GPPL+探地雷達的技術組合是目前比較實用的聚乙烯燃氣管道探測方法。

3 基于管道內示蹤線的埋地聚乙烯管道檢測新技術

為了能準確、高效進行埋地聚乙烯管道的探測，提出了基于管道內示蹤線探測的新型聚乙烯管道探測技術，如圖8所示。用牽引裝置將示蹤線從聚乙烯管道內部的一端牽引至另一端，然后將示蹤線接地，并與檢測信號發射機連接，啟動檢測信號發射機，使檢測信號通過示蹤線并形成回路，再利用檢測信號接收機沿管道走向，在地面對檢測信號進行讀取分析，確定管道位置及埋深，避免聚乙烯管道受到第三方破壞。示蹤線可以安裝于管道內部長期使用。此技術操作簡單，檢測準確，不易受到環境影響，對于已經施工完畢而未安裝示蹤線的管道尤其適用。關鍵問題在于牽拉裝置能通過聚乙烯管道的90°直角彎頭，目前該裝置已經研制成功，已申請專利。

圖8 管道內示蹤線探測示意圖

4 結論

(1)造成聚乙烯燃氣埋地管道失效的主要因素可以分為：管道本體質量缺陷、管道焊接缺陷、外力機械損傷、其他因素，針對這些失效因素提出了目測法、力學性能試驗、無損檢測方法、管道定位檢測技術等措施。

(2)通過分析發現燃氣PE管線探測儀GPPL在定位方面有優勢，而探地雷達在管道埋深探測方面比較準確，采用這2種方法結合進行管道探測并進行現場驗證，管道平面誤差最大10 cm、埋深誤差最大0.3 m，這種技術組合是目前比較實用的探測方法。

(3)示蹤線法探測聚乙烯管道方便快捷，對于未安裝示蹤線的管道研發了一種能通過聚乙烯管道90°直角彎頭的牽拉裝置，能夠用于聚乙烯管道的示蹤線在管道內部的敷設，為聚乙烯管道的探測提供了檢測方案。