奥德集团燃气专业知识系列讲座.docx
《奥德集团燃气专业知识系列讲座.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《奥德集团燃气专业知识系列讲座.docx（107页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
奥德集团燃气专业知识系列讲座
奥德集团燃气专业知识系列讲座
聚乙烯燃气管道施工技术
编者按：
为贯彻集团总部号召员工学习燃气业务知识的通知，本刊从第二期起，陆续刊载由克莱斯德（北京）燃气设备有限公司编撰的系列燃气知识培训教材。
根据目前集团分公司在建项目较多的实际，本刊对原教材的顺序作了调换，先介绍《聚乙烯燃气管道施工技术》部分。
望广大员工读者注意保存本刊，以系统、全面地掌握燃气专业知识，更好地为工作服务。
第一部分聚乙烯管道的特征
聚乙烯管道是一种塑料制品,是高分子聚合物,起简称为PE管。
PE管又因为其原料密度不同，分为HDPE（高密度），MDPE（中密度），LDPE（低密度），其中HDPE和MDPE可以用作燃气管道。
聚乙烯管道之所以可以用作输送燃气，就是因为其具有一些金属的力学性能，比如：
强度，硬度、抗冲击性等，还具有一些金属管不具备的性能，比如：
柔韧性，耐腐蚀性强等。
下面就PE管的一些特性给大家做一个分析。
一、聚乙烯管道的特性：
1、PE管具有良好的柔韧性
由于PE管的柔韧性，一般情况下，当管径＞63mm时，可以做成3m，6m，9m的管段供应；当管径＜63mm时，可以做成50m，100m，150m的盘管供应。
因此减少了管接头，施工量小，安装迅速，而且可以蛇形敷设。
对于承受压力P＜0.01Mpa时，在带气作业时，采用球带阻气；当P＞0.01Mpa时，可以采用夹扁机具阻气。
PE管断裂伸长率也较高，弯曲半径可以小到管直径的20~25倍，还有优良的耐刮伤痕能力。
因此铺设时很容易移动，弯曲和穿插。
PE管对于管道基础的适应能力强。
一方面铺设时对于管基的要求较低，可以节约费用；另一方面铺设后管基发生均匀沉降和错位时也不容易损坏。
所以，PE管最适宜于有地震危险的地区。
世界各地的实践证明聚乙烯管道是耐地震性最好的管道。
2、PE管具有交好的耐腐蚀性，其寿命可达50年以上，而且可以直埋，不需做防腐处理。
3、PE管施工中具有独特的焊接技术，使其严密性优于金属管，而且焊接简便，迅速。
4、PE管内阻力小，可以增大输气量，提高输送能力。
5、对温度和紫外线（UV）较敏感，所以只能用作地下—20℃~40℃的环境下使用。
6、施工过程中，质量受人为的影响较大。
二、PE管材的长期性能
1、PE管材输出流体时的受力情况
当压力为P的流体流经外径为de，壁厚为e的PE管时，会在管壁产生环向应力。
如图1—1
∵σ×2e×L=P×L×（De-e）
P（De-e）
∴σ=------------------………………（1—1）
2e
其中σ—环向应力；
P—流体压力；
De—管材外径；
e—壁厚。
2、PE塑料管材破坏的三种模式
对于PE管材来说，它受到损坏的情况不同于金属管。
大量的试验表明，大致分为三种模式：
韧性破坏、脆性破坏及氧化破坏。
如图1—2所示：
影响管材寿命的因素有三方面：
①材料因素：
包括因树脂、添加剂不同及加工过程的差异引起的管材材料性能变化的各种因素。
②环境因素：
所输送流体的影响、管材受到氧化、微生物的影响。
③载荷因素：
管材受温度、动负荷、静负荷、切口、划伤等作用的影响。
以上三种因素中，材料因素可以通过加工过程来控制。
而环境和载荷因素，只能同材料本身的局限性面予以限制，通过正确的设计，施工的规范，提高人员的责任心来减少这些因素的影响，以提高管材寿命。
3、PE材料的分子结构特点及其力学性能
①分子结构：
PE材料是高分子聚合物，其分子链是由很大数目（103—105数量级）的结构单元组成。
那么由小分子聚合而成的大分子，不单纯是分子量成倍的增加，更重要的是由量变引起的质变。
PE这种高分子聚合的主链具有一定的内旋转自由度，使其具有一定的柔性。
从实用性来看，高聚物最大优点之一是内在的韧性，即材料发生断裂前可吸收一定量的机械能。
当然，这种韧性并不是总能表现出来的，由于受到不同的加载方式，应变速率（时间）及式样的大小等情况变化，有时也会来不及产生韧性变化即发生了脆性破坏。
②力学性能：
力学性能是指材料在受到外界施加的作用力后材料发生形变能力。
它包括材料产生的可逆或不可逆变以及搞损坏的能力。
管材受力主要有切应力和正应力，在切应力的作用下，材料发生切应变，在正应力的作用下材料发生拉伸或压缩。
PE材料的力学性能强烈地依赖于施加外力的速度、温度等试验条件。
A：
与温度的关系：
如果我们给高分子化合物材料施加一恒定力，观察不同温度下的形变关系，将得到图1-3所示
图中晶态高聚物、结晶高原物均为两种不同高分子化合物，温度较低时，晶态高聚物为刚性固体（玻璃态），在外力作用下只发生很小变形。
随温度升高变形明显增加并在其后一段保持稳定形变（高弹态）。
温度继续升高，形变逐渐增大，式样变为粘性的流体（粘流态）。
而对结晶度高的结晶高分子，其在熔点Tm前不出现转折点，熔点后会有明显的形变。
对于PE这种塑料制品，加工温度应在熔点Tm（或流动温度Tf）以上，而其使用温度至少应在玻璃温度Tg以下。
如果使用温度在玻璃化温度TG（非晶态）式熔点Tm（晶态）以上时，便失去了固体材料的力学性能，丧失了作为材料最基本的价值。
一般说来，PE材料的使用温度在—20℃—﹢40℃范围内。
B：
与应力的关系：
通过实验可以知道：
当温度很低时，应力与应变成正比关系，应变很小（不到10%），在屈服之前就发生断裂，即脆性断裂；随着温度升高，会在较小的外力下发生较大的形变，在屈服点后断裂为韧性断裂。
因此，使用PE材料时，必须要考虑温度条件的限制。
而钢铁其熔点高达数千度，应用时的温度条件无须考虑的。
C：
PE材料的力学松驰性：
PE材料是高分子材料，它的高分子柔性链使其具有高弹性和粘弹性。
高分子材料受力后，形变发生且随时间发展，形变是时间的函数。
因此，高分子材料力学性质随时间变化，统称为力学松驰。
与金属材料相比，高分子材料的力学性能对时间、温度的依赖性要强烈的多。
力学松弛按受力情况又可以分为蠕变、应力松驰和力学损耗等。
管材在使用中由于受力会发生蠕变。
蠕变是指在一定温度和较小的恒定外力（拉力、压力和扭力等）作用下，材料的形变随时间而逐渐增大的现象。
蠕变的发生与温度的高低和外力大小等条件有关：
温度低，外力小，蠕变小，在短时间内不易被察觉；温度高，外力大，形变发展过快，蠕变也不易察觉。
从高分子运动的松弛性质知道，要使高分子链段具有足够大的活动性，从而使高分子材料表现出高弹形变，或者要使整个高分子能够移动而显示粘性流动都需要一定时间。
温度升高松弛时间可以缩短。
因此，同一个力学松弛现象，既可以在较高温度、较短时间观察到，也可以在较低温度下较长时间下观察到。
因此，升高温度与延长时间对分子运动、粘弹性的表现是等效的。
这个等效性可以借助一个等效因子表示，即借助等效因子可以在某一温度下测定的力学数据变成另一温度下的力学数据，这就是时温等效原理。
公式1-2给出了时温等效的换算方法。
4、PE管材长期性能要求：
①管材、管件50年使用寿命
作为燃气用PE管材，首先要考虑其使用寿命。
IS09080标准为PE材料的分级已经确定了该材料在20℃、50年后的最小要求强度，在现行的运行压力下完全可靠。
在工程中，高分子材料本身性能的原因，长时期使用中管材发生韧性破坏是难免的，但必须保证使用寿命；脆性破坏则应防止发生；而决不允许发生快速破裂的氧化破坏。
②PE管材用材料分级
为了将“50年使用寿命”付诸实际，国标标准中对于加工管件的材料进行了分级，只要选用的材料符合设计要求，即可达到长期使用性能。
根据试验测定σLPL值，可获得MRS值，其值的10倍定义为材料的分级值，如表1-1所示，分别为PE100，PE80，PE63，PE40，PE32等。
实际应用中给定设计应力、管内流体压力和所选用管材外径即可确定管材壁厚，在具体的产品标准中都可以方便地查出，而无须一步步计算。
据此可加工出符合50年寿命要求的管材。
PE管材料的等级命名表1-1
σLPL范围
/MPa
MRS（50年、20℃）
/MPa
材料的命名
10．00-11．19
8．00-9．99
6．30-7．99
4．00-4．99
3．15-3．99
10
8
6．3
4
3．2
PE100
PE80
PE63
PE40
PE32
③PE材料的最大工作压力
ISO/TS10839规定：
PE系统的MOP取决于使用的树脂的类型（MRS），管材SDR系列和使用条件，并受总体使用设计系数C和RCP标准的限制。
热塑性材料的总体使用（设计）系数C规定在ISO12162中。
这个系数用于计算管道的MOP。
对于输送天然气的PE管道系统，C应大于或等于2。
MOP应用下式进行计算：
2×MPS
MOP=—————————………………………………………………（1-2）
C×（SDR-1）×DP
式中：
MOP-最大工作压力，单位MPa
MRS-最小要求强度，单位Mpa
SDR-标尺寸比
DF-计算MOP时，考虑了工作温度的影响的一个折减系数。
如表2
温度折减系数表1-2
平均温度
折减系数DF
10℃
0．9
20℃
1．0
30℃
1．1
40℃
1．3
注：
对于中间温度，允许使用内插法
④PE材料的施工工程寿命
PE材料的设计、施工、验收都有严格的国家标准和设计要求，这是一个完整的质量保障体系。
因此，其工程寿命完全可以满足管材、管件的寿命要求。
⑤管材、管件的生产、包装、运输、存放施工的保证。
ISO/IS10839：
2000以及以此制定的GB15558.1-95，GB15558.2-95，CJJ63-95中为PE材料的管材、管件生产、施工等都做了严格的规定，以保证其原件和施工工程的质量，保证PE长期作用性能的要求。
第二部分PE管材、管件的术语、定义
在国际标准、国标及专业方面，常提及以下技术术语。
在此，我们将这些术语及定义列出，以便大家在使用时概念及表述统一。
1、对接焊机压力：
在对接焊机的压力计或压力显示装置上指示的压力，它表示施加到管材或管件端部的界面接触力。
2、间隙：
两个物体外部极限之间的最短距离。
3、拖动阻力：
移动夹具开始启动时固定在移动夹具上的管材和重量所产生的磨擦阻力（最大阻力），或移动过程中出现的磨擦阻力（动态阻力）。
4、电熔焊机：
按电熔管件制造商的规定，实现电压或电流，时间或能量等焊接参数输出，执行焊接周期的装置。
5、接焊机的磨擦损失：
克服对接焊机整个机构的磨擦所必需的力。
6、界面接触力：
如焊接图中所规定的，在焊接周期过程中管材或管件熔接表面之间的力。
7、总体使用（设计）系数C：
考虑了使用条件和管道系统组件的特性而确定的数值大于1的总体系数。
8、土壤覆盖层：
工程完工后，埋地管材顶部与正常地面之间垂距离。
9、符号：
①管材外径用De表示，单位为mm.。
②最大工作压力，用MOP表示。
管道系统中允许连续使用流体的最大的有效压力，单位为Mpa。
③最小要求强度，用MRS表示。
④裂纹快速扩展用RCP表示。
⑤标准尺寸比用SDR表示，它指的是管材外径与管壁厚之比，燃气用SDR值有两个系列，即SDR11和SDR17.6，也可认为此值为壁厚值。
⑥聚乙烯用PE表示。
⑦公称压力用PN表示，相当于管件在20℃时的最大工作压力，单位为Mpa。
第三部分聚乙烯管道管材、管件及连接
一、聚乙烯燃气用管道管件使用环境和条件
1、温度：
-20℃～+40℃
2、敷设方式：
只可作埋地用
3、颜色：
低压采用黑色加黄色条纹，中压采用黄色
4、长度：
较大口径可按每根长6m，9m，12m供货。
较小口径可盘卷。
5、材料：
PE材料必须≥PE80
6、压力等级：
PE管最大允许工作压力（PE80）表3-1
燃气种类
最大工作压力MPa
SDR11
SDR17.6
天然气
0．400
0．200
液化石油气
0．100
人工煤气
0．005
对于不同温度，PE管材允许的工作压力也不同
如表3-2
不同温度F的允许工作压力表3-2
工作温度t（℃）
不同温度下的允许工作压力（Mpa）
SDR11
SDR17.6
-20＜t≤0
0.1
0.0075
0＜t≤20
0.4
0.2
20＜t≤30
0.2
0.1
30＜t≤40
0.1
0.0075
对于不同的使用温度，为保证50年的使用寿命，按表1-2给出的折减系数按下式进行计算：
2×MPS
MOP=——————————------------------------------------------------------------（3-1）
C×（SDR-1）×Df
式中，MOP：
最大允许工作压力（MPa）
MRS：
材料最小要求强度（MPa）见表3-1
C：
设计使用系数≥2.0
Df不同温度下压力的折减系数，见表3-2
二、管材、管件种类：
（一）管材、管件规格尺寸：
这里将常用管材、管件的规格尺寸列入表3-3、3-4中以便查找
常用PE管材规格尺寸mm表3-3
公称外径de
壁厚e
备注
基本尺寸
允许偏差
SDR11
SDP17.6
工作压力≤0.4MPa
工作压力≤0.2MPa
基本尺寸
允许偏差
基本尺寸
允许偏差
20
+0.3
3.0
+0.4
2.3
+0.4
25
+0.3
3.0
+0.4
2.3
+0.4
32
+0.3
3.0
+0.4
2.3
+0.4
40
+0.4
3.7
+0.5
2.3
+0.4
50
+0.4
4.6
+0.6
2.9
+0.4
63
+0.4
5.8
+0.7
3.6
+0.5
75
+0.5
6.8
+0.8
4.3
+0.6
90
+0.6
8.2
+1.0
5.2
+0.7
*
110
+0.6
10.0
+1.1
6.3
+0.8
*
125
+0.6
11.4
+1.3
7.1
+0.9
140
+0.9
12.7
+1.4
8.0
+0.9
160
+1.0
14.6
+1.6
9.1
+1.1
*
180
+1.0
16.4
+1.8
10.3
+1.2
200
+1.2
18.2
+2.0
11.4
+1.3
*
225
+1.4
20.5
+2.2
12.8
+1.4
250
+1.5
22.7
+2.4
14.2
+1.6
*
315
+2.5
28.6
+3.0
17.9
+1.9
*
400
+3.6
36.4
+3.8
22.8
+2.4
备注栏中带*号者为目前国内常用尺寸规格
常用的聚乙烯管件规格尺寸表3-4
管件名称
符号
公称直径
d
D
L
Z
H
电热丝
套管
32
32.2±0.2
43
88
5
63
63.3±0.3
84
107
5
110
110.5±0.5
140
172
5
电热丝
90°弯头
32
32.2±0.2
43
64
21
63
63.3±0.2
80
88
37
电热丝
45°弯头
32
32.2±0.2
43
55
14
63
63.3±0.2
80
72
21
电热丝
等径三通
32
32.2±0.2
43
62
21
63
63.3±0.3
82
88
37
电热丝
鞍形管件
63×32
95
100
110×32
100
95
110×63
100
100
160×32
130
95
160×63
130
100
200×32
135
95
200×63
135
100
管帽（对接连接）
32
91
63
107
110
130
160
179
200
199
250
224
异径管（对接连接）
63×32
179
29
110×63
196
46
160×63
268
94
160×110
222
48
200×160
237
39
250×200
246
48
90°弯头（对接连接）
32
92
63
104
110
145
160
183
200
199
250
219
45°弯头（对接连接）
32
92
63
124
110
163
160
200
200
225
250
251
22.5°弯头（对接连接）
110
99
160
132
200
139
250
146
等径三通（对接连接）
32
196
98
63
226
113
110
290
145
160
370
185
200
394
197
250
434
217
异径三通（对接连接）
250×63
283
193
200×32
255
171
200×63
279
171
160×32
251
153
160×63
275
153
110×32
197
130
110×63
221
130
常用的聚乙烯管件规格尺寸见图3-1——3-10
图3-1电热丝套管图3-2电热丝90°弯头
图3-3电热丝45°弯头图3-4电热丝等径三通
图3-590°弯头（对接连接）图3-645°弯头（对接连接）
图3-7电热丝鞍形管件套管图3-8对接连接管帽
图3-9对接连接异径管图3-10异径三通（对接连接）
（二）管件分类：
按照生产PE管件的方式不同，可以将管件分为注塑管件及焊接管件两大类。
按照施工方式的不同又分为：
电热熔管件、热熔对接管件、承插管件、钢塑转换接头。
电熔管件：
电熔管件是应用某种方法将电热丝布置于管件的内表面，施工时将管子与管件配合后用专用的加热控制电源将管件中的电热丝通电加热，使管件与管材的接表面熔化结合，冷却后使管件与管材牢固，密封地结合在一起。
2、热熔对接管件：
热熔对接管件是指适用于热板对接焊的管件。
3、热熔承插管件：
这种管件是用于承插连接的管件。
在燃气管道中基本不用。
4、钢塑转换接头：
钢塑转换是实现钢管向塑管，塑管向钢管转换的专用管件，在工厂加工成型，可用于燃气和给水系统。
按照工程上的习惯叫法，又分为：
套筒，弯头，三通，鞍型三通，变径，端堵，法兰，钢塑转换接头等。
（三）阀门
PE球阀：
此阀耐腐蚀，不需维护和维修，寿命50年，为整体式阀门，免除了泄漏的可能，与PE管连接时，无需设置阀门井，直埋施工。
三、管道及管件的连接
任何材料的管道，只有通过一种可靠的连接方法将各部件连接起来，才能成为一个完整的系统
PE材料的连接技术是独特的，这种连接完全可以保证熔焊接头部分的拉伸和承压性能均等于或强于管材本身。
PE管材或管件通过加热熔融彼此连接。
还可以通过压紧式管件，法兰或其他合适类型的加工过渡管件与其他材料进行连接。
PE的连接方式分为电热熔连接和热熔连接两种。
热熔连接又分为：
a、热熔对接焊接
b、热熔承插焊接（一般燃气上不用）
c、热熔鞍型焊接。
（一）热熔连接：
其原理是将两个管道（管件）表面加热到设定的温度，然后施加足够的外力将它们熔合到一起，外力促使熔融材料流动和混合，最终熔合在一起。
热熔连接需要采用专门的设备和辅助设备。
1、对接焊接：
一般用于连接较大口径的管材，如图3-11指的是将两接合面紧贴在加热板上，直到熔融，移走加热板，将两变软的端面靠在一起，在压力作用下保持一段时间，然后让其冷却。
①完成对接热熔焊的六个步骤：
a）固定住要连接的管件
b）切削管材端面
c）校准管材的轮廓端面
d）熔化管材接触面
e）将两个管材端面熔合在一起
f）在外力下保持一段时间。
●固定：
将需要连接的管材或管件固定在焊机的夹具上，使之只能同夹具一起运动。
●切削管材端面：
管材末端应被加工成洁净、平行的对接平面。
用铣刀对端面进行切削，直到形成一个边连续的切削物。
●校准对中：
要焊接在一起的管件或管材接触面必须是圆形，并且要将两面校准对中，尽量使管壁完全重合，CJJ63-95中规定，错边量不可超过壁厚的10%。
●熔融：
不同的PE生产厂家生产的PE管，其焊接温度，熔融温度等略有不同。
热熔焊机中的热板加热后将热量传至管材接触面，形成一道“翻边”。
但是，由于环境温度及风速等的影响，加热板的内外面温度会有一定的损失，所以有关国标中规定：
在大风天气和寒冷环境施工，要采取保护措施。
比如对管材进行隔离，端帽或延长加热时间等。
●焊接：
当管材两端达到适当的温度和时间后，移走加热板，并施加一定的压力将熔融的端面对接一起，使端面熔化的材料相互混合形成一个均一的接头。
●冷却：
焊接接头应在压力下保持固定，直到充分冷却，图3-12中为一对接焊图示例。
图3-12对接焊图示例
力时间
周期
说明
接触面压力
备注
t1
形成翻边，高度为1～4mm，取决于管件
P1
见下面第“B”条说明
t2
加热材料（吸热）
P2
见下面说明
t3
移走加热板
t4
对接
P4
见下面说明
t5
冷却
说明：
这里指的P1、、、P2、P4为所要求产生的压力值，不包括焊机的磨擦，压力损失和管道系统的托动阻力。
实际焊接时要测量出焊机的磨擦损失，拖动阻力等所有的额外阻力，并加到相应的要求压力上。
②热熔对接焊口的质量检查
为保证对接接口的质量，熔接完毕后，应对接口的质量进行检查。
到目前为止，尚没有一种方便、可靠的非破坏性检测手段用于实际工程的接口检验。
在大多数情况下，要凭借对接时形成的焊环判断接口质量，因此，凭借焊环判断接口质量几乎成为检查接口质量最主要的方法，是操作与质检人员必须具备的技能之一。
焊环检验接口质量主要从以下几方面考虑：
●焊环的几何形状
热熔熔接接口应具有沿管材整个外圆周平滑对称的焊环（也称翻边），焊环应具有一定的对称性和对正性。
在标准条件下评价接头试验的结果时，应确定不对称性和不对正性的可接受水平。
工艺条件和材料的不同会引起熔接环的形状发生变化。
实践证明，燃气聚乙稀管道按照下列几何尺寸控制成环的大小，一般可以保证接口的质量。
环
升级会员 