第七節 聚乙烯（PE）燃氣管

聚乙烯是高分子化合物，是一種熱塑性塑料，可多次加工成型。作為一種工程材料，與金屬材料相比，它具有一定的強度、剛度、柔韌性、抗沖擊性、耐腐蝕性、耐磨性等性能。通過控制聚合工藝和在聚合時加入一定量的共聚單體，可以調整或改善聚乙烯材料的性能。

國外聚乙烯應用于燃氣管網的建設已有50多年的歷史，在國內也有20多年的歷史，均取得了良好的效果。20世紀80年代初，聚乙烯材料經過技術和工藝的進步，在PE63的基礎上成功研發了PE80，稱為第二代聚乙烯。開始大量用在燃氣輸配管網建設中。20世紀80年代末又研制出用雙峰共聚工藝生產的PE100材料，稱為第三代聚乙烯。它的出現大大推進了聚乙烯（PE）管材在燃氣輸配領域的應用。

我國燃氣用聚乙烯（PE）管起步于20世紀80年代初。1982年美國菲利普公司在上海曹陽三村試鋪了440m用于低壓人工煤氣管道；1987年香港中華煤氣開始使用聚乙烯（PE）管；1988年英國和1989年法國在北京分別建設了聚乙烯（PE）工程示范小區。1995年行業標準CJJ63—1995發布實施后，推動了我國聚乙烯（PE）燃氣管道的應用。截止2003年底全國共鋪設聚乙烯（PE）燃氣管6426km，占全部燃氣管網的20%。

一、聚乙烯

乙烯（C₂H₄）在特定溫度、壓力、引發劑或催化劑的共同作用下，原子間不飽和的雙鍵被打開，而數萬數十萬個乙烯的碳原子連成一個長長的、新的大分子，這個過程稱為聚合反應；作為原料的乙烯，稱為單體；新的大分子就是聚乙烯（PE），統稱高分子聚合物。

由于生產工藝的不同，根據聚乙烯（PE）密度的不同又將其分為高密度、中密度、低密度三類。密度不同決定其性能間存在著較大差異，因而不同結構性能的聚乙烯（PE），具有不同的應用領域。

1.低密度聚乙烯（LDPE）

低密度聚乙烯（LDPE）一般用高壓聚合工藝生產，密度為0.910～0.925g/cm³。低密度聚乙烯（LDPE）的分子結構是具有較多支鏈的線型大分子，因其主鏈上長短不一的支鏈影響了大分子鏈排列的規整性，堆砌不緊密，阻礙了聚乙烯（PE）的結晶化，結晶度僅為55%～65%。

低密度聚乙烯（LDPE）的熔點低，質地柔軟，長支鏈賦予其在加工過程中高剪切速率下的低黏度和牽伸時的高熔體強度，因此非常適于吹膜工藝，主要用于農膜、重包裝膜等的生產。

2.中密度聚乙烯（MDPE）

中密度聚乙烯（MDPE）是利用高效催化劑，在中低壓下，用α—烯烴共聚來控制其密度（0.926～0.940g/cm³），結晶度為70%～80%，因其支鏈多而長，密度和結晶度下降，因而中密度聚乙烯（MDPE）具有較好的柔性和低溫特性，拉伸強度、硬度、耐熱性等不如高密度聚乙烯（HDPE）。因為共聚烯烴可使中密度聚乙烯（MDPE）晶體的片晶間聯結鏈增多，其耐慢速裂紋開裂性能和機械強度的長期保持性有很大改善。

中密度聚乙烯（MDPE）可用于壓力管、輸送管、各種容器和包裝薄膜的生產。

3.高密度聚乙烯HDPE

高密度聚乙烯（HDPE）是用低壓聚合工藝生產，呈線型，密度為0.940～0.965g/cm³，結晶度為80%～95%。高密度聚乙烯（HDPE）為白色粉末或顆粒，與低密度聚乙烯（LDPE）相比，因其分子上支鏈少，近乎成線型結構，分子排列規整，堆砌緊密。因而結晶度高，密度大，分子量常為十幾萬到幾十萬，熔體流動速率范圍較窄。它具有較高的剛性和韌性，優良的機械強度和耐熱性，還有較好的耐溶劑性、耐蒸汽滲透性。高密度聚乙烯（HDPE）在所有各類聚乙烯（PE）中滲透性最小，耐腐蝕，并具有良好的剛度，主要用于各種壓力管、注塑制品等的生產。

4.超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）工程塑料

分子量大于150萬的聚乙烯（PE），稱為超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）工程塑料，用于紡織工業中的梭子和機械工業中的傳動部件。近年來，也被用于水質流體、固體顆粒、粉體、漿體等的輸送，國內冶金、電力、化工等企業已廣泛采用。

5.交聯聚乙烯

交聯聚乙烯是通過輻射交聯和化學交聯方法，使其分子間的共價鍵形成一個網狀的三維結構，改善了聚乙烯（PE）樹脂的熱形變性、耐磨性、耐化學藥品性、耐慢速裂紋開裂性能等一系列物理化學性能，使其強度和耐溫性能，特別是其蠕變強度隨使用時間的變化不顯著。在發達國家已廣泛用于建筑工程或市政工程中的冷熱水管道、飲用水管道、地面采暖系統用管、常規取暖系統用管；石油、化工行業流體輸送管道及食品工業中流體的輸送等。

二、聚乙烯（PE）燃氣管

燃氣用聚乙烯（PE）管材是由專用混配料經塑化、擠出、冷卻定型而形成的制品；管件的毛坯和閥門的閥體都是由專用混配料經注塑而形成的制品。

管材質量在GB 15558.1—2003《燃氣用埋地聚乙烯（PE）管道系統第1部分：管材》中明確規定燃氣用埋地聚乙烯（PE）PE80和PE100管材外觀、幾何尺寸、力學性能、物理性能、標志、檢驗規則和包裝、運輸、儲存等的要求。

1.外觀

管材應為黑色或黃色。黑色管上應共擠出至少三條黃色條，色條應沿管材圓周方向均勻分布。目測時管材的內外表面應清潔、平滑，不允許有氣泡、明顯的劃傷、凹陷、雜質、顏色不均等缺陷。管材兩端應切割平整，并與管材軸線垂直。管材的外表面應有清晰牢固且符合標準規定的標記。最少的標記內容項目見表2-19。

表2-19 最少的標志內容項目

聚乙烯（PE）標準尺寸比（SDR）為管材的公稱外徑d_n與公稱壁厚e_n的比值，即d_n/e_n。

2.幾何尺寸

管材在擠出后至少應放置24h，并狀態調節至少4h后按照GB/T 8808—1988《軟質復合塑料剝離試驗方法》測量管材尺寸。通常用螺旋測微器測量管材的壁厚；用圓周尺在距管材端口1.0～1.5d范圍內進行平均外徑測量。管材平均外徑偏小會增加用電熔管件連接時的配合間隙，偏大會造成連接困難。考慮到實際應用的可操作性和熱加工后不可避免的收縮，允許管材端口處的平均外徑小于標準的規定，但不應小于距管材端口大于1.5d或300mm（取兩者之中較小者）處測量值的95.5%。不圓度為在生產地點測量的管材同一截面處最大外徑和最小外徑的差值。管材的平均壁厚及其公差、平均外徑及其公差和最大不圓度應符合標準規定。通常用米尺測量管材的長度。管材長度一般為3m、9m、12m，目前國內直徑不大于63mm的管材可盤卷，長度一般由供需雙方商定。

3.常用管材最小壁厚

常用燃氣埋地聚乙烯（PE）管材系列FDR17.6和SDR11的最小壁厚應符合表2-20的規定。

直徑<40mm，SDR17.6和直徑<32mm，SDR11的管材以壁厚表征。

直徑≥40mm，SDR17.6和直徑≥32mm，SDR11的管材以SDR表征。

表2-20 常用管材SDR 17.6和SFR 11的最小壁厚（單位：mm）

4.聚乙烯管件

燃氣用埋地聚乙烯（PE）管件主要分為以下幾類：電熔連接的插口管件、熱熔對接管件和機械式連接管件。

電熔連接承口管件包括：電熔套筒、電熔三通、電熔變徑、電熔彎頭等、電熔鞍形管件；熱熔對接管件包括：注塑變徑、注塑三通（包括等徑三通和異徑三通）、注塑彎頭、注塑端帽等；機械式連接管件包括：螺紋式和鋼管式鋼塑轉換接頭、PE法蘭；其他管件如凝水缸等。

管件的質量標準，分為一般要求、管件尺寸、力學性能和物理性能。其質量標準和檢驗，應嚴格按照GB 15558.2—2005《燃氣用埋地聚乙烯（PE）管道系統第2部分：管件》標準執行。

5.聚乙烯閥門

燃氣用埋地聚乙烯（PE）閥門的質量標準和檢驗，應按照GB 15558.3—2008《燃氣用埋地聚乙烯（PE）管道系統第3部分：閥門》執行。

三、聚乙烯燃氣管道使用的壓力和溫度

聚乙烯管材、管件的材質和壁厚以及壓力等級選擇，應根據地質條件、使用環境、輸送的燃氣種類、工作壓力、施工方式等，經技術經濟比較后確定。

聚乙烯管道輸送天然氣、液化石油氣和人工煤氣時，其設計壓力不應大于管道最大允許工作壓力，最大允許工作壓力應符合表2-21的規定。

表2-21 聚乙烯管道的最大允許工作壓力（單位：MPa）

聚乙烯管道工作溫度在20℃以上時，最大允許工作壓力應按工作溫度對管道工作壓力的折減系數進行折減，壓力折減系數應符合表2-22的規定。

表2-22 工作溫度對管道工作壓力的折減系數

在聚乙烯管道系統中采用聚乙烯管材焊制成型的焊制管件時，其系統工作壓力不宜超過0.2MPa；焊制管件應在工廠預制，焊制管件選用的管材公稱壓力等級不應小于管道系統中管材壓力等級的1.2倍，并應在施工過程中對聚乙烯焊制管件采用加固等保護措施。

各種壓力級制管道之間應通過調壓裝置相連。當有可能超過最大允許工作壓力時，應設置防止管道超壓的安全保護設備。

四、聚乙烯管道的連接

聚乙烯管材、管件的連接應采用熱熔對接連接或電熔連接（電熔承插連接、電熔鞍形連接）；聚乙烯管道與金屬管道或金屬附件連接，應采用法蘭連接或鋼塑轉換接頭連接，采用法蘭連接時宜設置檢查井。

不同級別和熔體質量流動速率差值不小于0.5g/10min（190℃，5kg）的聚乙烯原料制造的管材、管件和管道附屬設備，以及焊接端部標準尺寸比（SDR）不同的聚乙烯燃氣管道連接時，必須采用電熔連接。

燃氣用埋地聚乙烯管道與管材、管件和閥門連接時，應根據設計文件進行的要求選配，選擇相適配的專用熱熔對接焊機或電熔焊機。目前一般都要求使用全自動熱熔對接焊機或全自動電熔焊機，而不使用半自動熱熔對接焊機或半自動電熔焊機以確保焊接質量。

公稱直徑小于90mm的聚乙烯管道宜采用電熔連接。

管道熱熔或電熔連接的環境溫度宜在-5～45℃范圍內。在環境溫度低于-5℃或風力大于5級的條件下進行熱熔或電熔連接操作時，應采取保溫、防風措施，并應調整連接工藝；在炎熱的夏季進行熱熔或電熔連接操作時，應采取遮陽措施。

當管材、管件存放處與施工現場溫差較大時，連接前應將管材、管件在施工現場放置一定時間，使其溫度接近施工現場溫度。

聚乙烯管材的切割應采用專用割刀或切管工具，切割端面應平整、光滑、無毛刺，端面應垂直于管軸線。

1.熱熔連接

熱熔連接又稱熱熔對接焊，是聚乙烯燃氣管道施工中主要的連接方法之一，使用的設備是熱熔對接焊機，根據聚乙烯管徑選擇不同規格的焊機。這項技術早在20世紀60年代就成功地應用于熱塑性塑料管道的連接，在國內已經成熟地應用于所有行業聚乙烯管道的連接。

熱熔連接的原理是依靠加熱板同時加熱需要焊接管材、管件的兩個端面，使其達到熔化溫度，然后迅速貼合，在一定的壓力下冷卻，達到熔接目的。

按照分子擴散纏繞理論，兩個相容的高分子材料，加熱到一定的溫度，使大分子得到能量和空間，由于分子的熱運動，并在得到外力的作用下，強制的彼此流動進行遷移、擴散、互相纏繞，隨著溫度的下降開始結晶，得到一定的結晶度達到理想連接的目的。

（1）熱熔連接設備

熱熔連接必須使用熱熔對接連接設備，熱熔對接連接設備應機架堅固穩定，并應保證加熱板和銑削工具切換方便及管材或管件方便地移動和校正對中；夾具應能固定管材或管件，并應使管材或管件快速定位或移開；銑刀應為雙面銑削刀具，應將待連接的管材或管件端面銑削成垂直于管材中軸線的清潔、平整、平行的匹配面；加熱板表面結構應完整，并保持潔凈，溫度分布應均勻，允許偏差應為設定溫度的±5℃；壓力系統的壓力顯示分度值不應大于0.1MPa；焊接設備使用的電源電壓波動范圍不應大于額定電壓的±15%。

熱熔對接連接設備應定期校準和檢定，周期不宜超過1年。

（2）連接

熱熔對接連接的焊接工藝應符合圖2-39的規定，焊接參數應符合CJJ 63—2008《聚乙烯燃氣管道工程技術規程》的有關規定。

圖2-39 熱熔對接焊接工藝

圖中

P₁——總的焊接壓力（表壓，MPa），P₁=P₂+P_拖；

P₂——焊接規定的壓力（表壓，MPa）；

P_拖——拖動壓力（表壓，MPa）；

t₁——卷邊達到規定高度的時間；

t₂——焊接所需要的吸熱時間，t₂=管材壁厚×10；

t₃——切換所規定的時間（s）；

t₄——調整壓力到P1所規定的時間（s）；

t₅——冷卻時間（min）。

（3）檢驗

熱熔對接接頭連接完成后，應對接頭進行100%的翻邊對稱性、接頭對正性檢驗和不少于10%的翻邊切除檢驗。

翻邊對稱性檢驗是指接頭應具有沿管材整個圓周平滑對稱的翻邊，翻邊最低處的深度（A）不應低于管材表面（見圖2-40）。

接頭對正性檢驗是指焊縫兩側緊鄰翻邊的外圓周的任何一處錯邊量（V）不應超過管材壁厚的10%（見圖2-41）。

圖2-40 翻邊對稱性示意

圖2-41 接頭對正性示意

翻邊切除檢驗應使用專用工具，在不損傷管材和接頭的情況下，切除外部的焊接翻邊（圖2-42a）。翻邊切除檢驗應符合下列要求：

1）翻邊應是實心圓滑的，根部較寬（圖2-42b）；

2）翻邊下側不應有雜質、小孔、扭曲和損壞；

3）每隔50mm進行180°的背彎試驗（圖2-42c），不應有開裂、裂縫，接縫處不得露出熔合線。

圖2-42 翻邊示意圖

2.電熔連接

電熔連接又稱電熔焊，也是聚乙烯燃氣管道施工中主要的連接方法之一。20世紀70年代后快速發展，目前電熔管件規格范圍為dn20～500mm，它使用的設備是電熔焊機。電熔連接主要包括電熔承插連接與電熔鞍型連接兩種。電熔承插連接適用于各種規格管道的連接，電熔鞍型連接主要用于干線上接支線和管道修補。

電熔焊接的原理是預埋在電熔管件內表面的電阻絲通電后發熱，使電熔管件內表面和承插管材的外表面達到熔化溫度，升溫膨脹產生焊接壓力，冷卻后融為一體，達到熔接目的。見電熔焊接示意圖2-43。

（1）電熔連接機具

電熔連接機具的類型應符合電熔管件的要求；應在國家電網供電或發電機供電情況下，均可正常工作；外殼防護等級不應低于IP54，所有線路板應進行防水、防塵、防震處理，開關、按鈕應具有防水性；輸入和輸出電纜，當超過-10～40℃工作范圍時，應能保持柔韌性；溫度傳感器精度不應低于±1℃，并應有防機械損傷保護；輸出電壓的允許偏差應控制在設定電壓的±1.5%以內；輸出電流的允許偏差應控制在額定電流的±1.5%以內；熔接時間的允許偏差應控制在理論時間的±1%以內。

圖2-43 電熔焊接示意圖

1—電源插頭 2—連接管件 3—電阻絲 4—被連接管

電熔連接設備應定期校準和檢定，周期不宜超過1年。

（2）電熔承插連接操作應符合下列規定：

1）應將管材、管件連接部位擦拭干凈；

2）測量管件承口長度，并在管材插入端或插口管件插入端標出插入長度和刮除插入長度加10mm的插入段表皮，刮削氧化皮厚度宜為0.1～0.2mm；

3）將管材或管件插入端插入電熔承插管件承口內，至插入長度標記位置，并應檢查配合尺寸；

4）通電前，應校直兩對應的連接件，使其在同一軸線上，并應采用專用夾具固定管材、管件；

5）電熔連接冷卻期間，不得移動連接件或在連接件上施加任何外力。

（3）電熔承插連接質量檢驗應符合下列規定：

1）電熔管件端口處的管材或插口管件周邊應有明顯刮皮痕跡和明顯的插入長度標記，圖2-44留有劃線標記和刮皮痕；

2）聚乙烯管道接縫處不應有熔融料溢出；

3）電熔管件內電阻絲不應擠出（特殊結構設計的電熔管件除外）；

4）電熔管件上觀察孔中應能看到有少量熔融料溢出，但溢料不得呈流淌狀；

5）凡出現與上述條款不符合的情況，應判為不合格。

圖2-44 留有劃線標記和刮皮痕跡

3.法蘭連接

法蘭連接是鋼塑轉換的連接方法之一，是金屬法蘭和聚乙烯法蘭用螺栓將其緊密連接在一起，以達到鋼塑轉換的目的。

金屬管端法蘭盤與金屬管道連接應符合金屬管道法蘭連接的規定和設計要求。

聚乙烯管管端的法蘭盤連接應按規程規定的熱熔連接或電熔連接的要求，將法蘭連接件平口端與聚乙烯管道進行連接。

兩法蘭盤上螺孔應對中，法蘭面相互平行，螺栓孔與螺栓直徑應配套，螺栓規格應一致，螺母應在同一側；緊固法蘭盤上的螺栓應按對稱順序分次均勻緊固，不應強力組裝；螺栓擰緊后宜伸出螺母1～3絲扣。

法蘭密封面、密封件不得有影響密封性能的劃痕、凹坑等缺陷，材質應符合輸送城鎮燃氣的要求。法蘭盤、緊固件應經防腐處理，并應符合要求。

圖2-45是活套聚乙烯法蘭。所示的A端是聚乙烯法蘭；另一端即B端系金屬法蘭盤，它與金屬管連接。活套金屬法蘭盤符合GB/T 9119-2010標準的要求，并需防腐處理；密封墊必須是丁腈橡膠（NBR），因為丁腈橡膠具有優越的耐油、耐溶劑性能；法蘭連接的螺栓應當是熱浸鋅的防腐螺栓，螺栓應當采用扭力扳手，按規定對角緊固，待10h以后，再重新緊固一次，可以取得較好的效果。

4.鋼塑轉換接頭連接

鋼塑轉換接有鋼管式轉換接頭和螺紋式轉換接頭兩種形式。

（1）鋼管式鋼塑轉換接頭（見圖2-46）是用0型密封圈和金屬管箍對聚乙烯管端壓緊所產生的內應力密封，鋼管連接時嚴禁焊接高溫傳到聚乙烯管端，使預應力釋放產生泄漏，所以需要用濕毛巾裹住鋼端，在不斷加水冷卻的情況下進行電焊或氣焊，焊接完成后清理焊渣并作防腐處理。

圖2-45 法蘭連接

圖2-46 鋼管式鋼塑轉換接頭

（2）螺紋式鋼塑轉換接頭

螺紋式鋼塑轉換接頭（見圖2-47），鋼端為螺紋式連接也稱絲扣式連接，管件的螺紋均為圓錐形外管螺紋（螺紋代號R），而需要連接的金屬管件，通常為圓錐形內螺紋（Rp）或圓柱形內螺紋（Rc）。這種形式主要用于樓前入戶管，其管徑一般在25～75m（1～2.5in），連接時注意連接件螺紋的質量，必要時用6H或2級精度的螺紋塞規和螺紋環規對螺紋進行檢驗，不合格的螺紋在連接時產生大的間隙或連接困難造成泄漏。

圖2-47 螺紋式鋼塑轉換接頭