第一部分聚乙烯管道的特征.docx

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第一部分聚乙烯管道的特征

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

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