煤层气集输管道管材的选用.docx
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煤层气集输管道管材的选用
1概述
作为地面开发投资的重中之重，煤层气集输管道管材的选用成为一大课题，合理地选择管材是确保管道安全，工程设计经济合理的重要因素，现阶段大部分采用钢管，钢管作输气管道中的主要材料毋庸置疑，随着科技的进步，一种适应煤层气地面开发的新型管材逐渐受到青睐—聚乙烯管，俗称PE管。
那么，钢管和PE管材主要有哪些利弊，这里将做以下较详细的分析研究。
2PE管材特点
2.1PE管概念
目前中国的市政管材市场，塑料管道正在稳步发展，PE管、PP-R管、UPVC管都占有一席之地，其中PE管强劲的发展势头最为令人瞩目。
PE管的使用领域广泛。
其中给水管和燃气管是其两个最大的应用市场。
PE树脂，是由单体乙烯聚合而成，由于在聚合时因压力、温度等聚合反应条件不同，可得出不同密度的树脂，因而又有高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯之分。
在加工不同类型PE管材时，根据其应用条件的不同，选用树脂牌号的不同，同时对挤出机和模具的要求也有所不同。
国家在《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统》（GB15558-2003）及《聚乙烯燃气管道工程技术规程》（CJJ63-2008）规定了埋地燃气管道的不同级别PE80和PE100对应不同的压力强度，并且扩大了聚乙烯管道公称直径，提高了管道最大允许工作压力。
2.2PE管基本特点
一种好的管道，不仅应具有良好的经济性，而且应具备接口稳定可靠、材料抗冲击、抗开裂、耐老化、耐腐蚀等一系列优点，同传统钢管相比，PE管道系统具有以下一系列优点：
（1）连接可靠：
聚乙烯管道系统之间采用电热熔方式连接，接头的强度高于管道本体强度。
（2）低温抗冲击性好：
聚乙烯的低温脆化温度极低，可在一定温度范围内安全使用。
冬季施工时，因材料抗冲击性好，不易发生管子脆裂。
（3）抗应力开裂性好：
具有低的缺口敏感性、高的剪切强度和优异的抗刮痕能力，耐环境应力开裂性能也非常突出。
（4）耐化学腐蚀性好：
可耐多种化学介质的腐蚀，土壤中存在的化学物质不会对管道造成任何降解作用。
聚乙烯是电的绝缘体，因此不会发生腐烂、生锈或电化学腐蚀现象；此外它也不会促进藻类、细菌或真菌生长。
（5）可挠性好：
其柔性使得它容易弯曲，工程上可通过改变管道走向的方式绕过障碍物，在许多场合，管道的柔性能够减少管件用量并降低安装费用。
（6）水流阻力小：
具有光滑的内表面，其曼宁系数为0.009。
光滑的表现和非粘附特性保证管道具有较传统管材更高的输送能力，同时也降低了管路的压力损失和输水能耗。
（7）下搬运方便：
比混凝土管道、镀锌管和钢管更轻，它容易搬运和安装，更低的人力和设备需求，意味着工程的安装费用的大大降低。
3PE管与钢管经济性对比
合理地选择管材是使管道工程经济合理的重要关键，煤层气单井产气量小、压力低，可选用的管材有：
无缝钢管、焊接钢管、机械接口铸铁管、球墨铸铁管、聚乙烯管（PE管）和钢骨架聚乙烯塑料复合管等。
钢管在以往的使用中占主导地位，参照近年来城镇燃气PE管和燃气用钢骨架聚乙烯塑料复合管已逐步推广普及的用管经验，对于煤层气集输管型选取，做了以下详细的分析研究。
3.1性能分析
钢管、PE管和燃气用钢骨架聚乙烯塑料复合管的性能对比见表1。
表1管材性能对比表
序号
管材
优点
缺点
1
钢管
1.强度高，承压能力较高，抗外来破坏能力强；
2.管件规格齐全。
1.耐腐蚀性差，维修保养费用高；
2.使用寿命短，约20～30年；
3.运输成本高；
4.施工难度大。
2
PE管
1.不易腐蚀，使用寿命长，可达50年以上；
2.管道内壁平滑，摩擦系数低，可降低摩擦阻力损失，相对钢管可减小管径，降低投资；
3.管道柔韧性好，小管径可盘卷，施工中接头少，可提高施工速度；
4.施工简便，可大大降低劳动强度，提高工作效率，与钢管相比可大大缩短工期；
5.管道重量轻，仅是钢管的1/8，运输、施工方便；
6.独特的电热熔、热熔焊接技术使管道密封可靠，维修简便。
1.强度低，抗外力破坏能力差。
3
燃气用钢骨架聚乙烯塑料复合管
1.很好的解决了金属管道耐压不耐腐，非金属管道耐腐不耐压，钢塑管易脱层的缺点；
2.刚度和柔度好，抗蠕变性强，耐磨，内壁光滑且不结垢，节能节材效果好；
3.具有良好的抗拉伸、抗冲击特性；
4.无毒性；
5.使用寿命长达50年；
6.安装维修方便。
1.工程造价偏高；
2.通气后开孔连接困难。
钢管、PE管和钢骨架聚乙烯塑料复合管各有优缺点，结合管线所在地区情况，综合考虑安全可靠性、经济合理性及施工难易程度等因素，钢骨架聚乙烯塑料复合管虽性能较好，但成本较高，不考虑该种管材。
根据《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第1部分：
管材》（GB15558.1-2003），燃气用PE包含以下四个等级：
PE100SDR17.6、PE100SDR11、PE80SDR17.6及PE80SDR11。
根据目前市场价格，有以下结论：
a）承压能力：
PE100SDR11>PE100SDR17.6>PE80SDR11>PE80SDR17.6
（允许工作压力PE100SDR11≤1.0MPa，PE100SDR17.6≤0.6MPa,PE80SDR11≤0.4MPa，PE80SDR17.6≤0.2MPa）
b）价格：
PE100SDR11>PE80SDR11>PE100SDR17.6>PE80SDR17.6
因此，①根据煤层气应用工况的介质、压力及温度等特点，由于PE80SDR17.6承压过低（0.2MPa），因此不推荐PE80SDR17.6在煤层气应用；②PE100SDR11承压较高，满足煤层气应用要求，但价格偏高，从经济角度考虑，PE100SDR11不作为首选。
以上可见，煤层气用PE管宜从PE100SDR17.6及PE80SDR11中选取。
考虑到PE100SDR17.6的承压高于PE80SDR11，而价格前者比后者低，因此，可选用PE100SDR17.6的PE管。
3.2PE管与钢管经济分析
（1）对比原则
①PE管与钢管对比是内径相同或相近的原则；
②选用管材生产商报价中间报价；
③比选主材费用含平均所需管件费用，以km为单位；
④管材的使用寿命均以20年计；
⑤钢管采用用聚乙烯胶带防腐层，PE管不需防腐。
根据目前管材、防腐等价格，对煤层气集气干管选用PE100SDR17.6与钢管的经济比较详见表2。
表2管材经济综合性能对比表
管材规格
内径
（mm）
材料合价
（万元）
安装费（万元/km）
防腐
105元/m2
施工取费
（万元/km）
临赔
（万元）
总价
（万元）
PE100SDR17.6管
90×5.4
79.2
3.844
2.02
7.5
14.78
110×6.6
96.8
5.431
2.32
7.5
16.87
160×9.5
141
11.239
2.92
7.5
23.70
225×12.8
199.4
22.265
3.66
7.5
35.99
315×18.7
277.6
44.05
5.78
7.5
61.38
355×20.2
314.6
56.234
7.03
7.5
75.68
400×22.8
354.4
71.215
9.15
7.5
97.02
450×25.6
398.8
87.066
11.27
7.5
117.11
钢管
D89×3.5
82
5.98
4.83
8.11
22.60
9.00
37.58
D114×4.0
106
7.755
4.9
10.50
25.20
9.00
41.96
D168×5.2
157.6
12.526
5.2
15.85
31.45
9.00
52.98
D219.1×5.2
208.7
16.457
5.93
20.72
38.507
9.00
63.96
D273.1×5.2
262.7
20.612
6.56
26.41
46.088
9.00
75.70
D323.9×5.6
312.7
26.374
7.46
30.39
52.765
9.00
88.14
D355.6×6.4
342.8
33.01
7.7
30.97
54.068
9.00
96.08
D406.4×6.4
393.6
37.878
7.9
39.55
63.248
9.00
110.13
（2）综合结论
从表中可以看出，内径不大于D350的管线，单位公里综合造价，PE管低于钢管；内径大于D400的管线，单位公里综合造价，PE管高于钢管。
根据上述技术、经济比较，结合工程项目实际情况：
内径在D300及其以下管线，采用聚乙烯塑料管，推荐选用PE100SDR17.6，执行标准GB15558.1－2003；内径在D300以上管线，推荐选用钢管，采用钢管，可执行标准GB9711.1。
3.3PE管强度计算
1）PE管壁厚计算公式
根据《聚乙烯燃气管道工程技术规程》（CJJ63-2008）计算公式：
式中：
MOP—最大工作压力（MPa）；
MRS—最小要求强度（MPa）；
SDR—标准尺寸比（dn/e，其中dn为公称直径，e为公称壁厚，mm）；
C—总体使用（设计）系数（安全系数）（C是一个不小于2的数值）。
2）C值取值依据
根据欧标《燃气用塑料管道系统》EN1555、国际标准《燃气输送用埋地聚乙烯管材》ISO4437及中国标准《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统》GB15558中对安全系数均规定为C大于或等于2.0。
在不考虑施工因素和温度折减因素，用公式得出PE100、SDR17.6系列管道MOP最大为0.6MPa，能满足本工程低压输送煤层气需要。
用PE100聚乙烯管C取值分别为3、2.4、2的情况下，多种管径的PE100管材对应的壁厚e，如表3：
表3PE100管材计算壁厚
管材规格
PE100
计算参数
MOP=0.4MPa，C=3，SDR=17.6
MOP=0.5MPa，C=2.4，SDR=17.6
MOP=0.5MPa，C=2，SDR=21
公称直径
e（mm）
e（mm）
e（mm）
dn110
6.23
6.23
5.24
dn160
9.06
9.06
7.62
dn200
11.32
11.32
9.52
dn250
14.15
14.15
11.90
dn315
17.83
17.83
15.00
dn355
20.09
20.09
16.90
dn400
22.64
22.64
19.05
根据表3，对其圆整，可得出各管径的PE100管材对应的最小壁厚ey,min，如表4：
表4PE100管材最小壁厚
管材规格
PE100
计算参数
MOP=0.4MPa，C=3，SDR=17.6
MOP=0.5MPa，C=2.4，SDR=17.6
MOP=0.5MPa，C=2，SDR=21
公称直径
ey,min（mm）
ey,min（mm）
ey,min（mm）
dn110
6.3
6.3
6.3
dn160
9.1
9.1
8
dn200
11.4
11.4
10.3
dn250
14.2
14.2
12.8
dn315
17.9
17.9
15.9
dn355
20.2
20.2
17
dn400
22.8
22.8
20.2
注：
表中ey,min取自《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第1部分：
管材》（GB15558.1-2003）中常用SDR17.6和SDR11管材最小壁厚。
在实际工程应用中，由于还应考虑到施工和使用条件，世界各国普遍考虑了一定的安全系数，考虑到我国国情及地质条件、施工方式、介质种类等各种因素，为了提高安全性能，可选用的聚乙烯塑料管材为PE100SDR17.6。
4PE管与钢管施工技术对比
4.1管材进场
1）钢管进场后首先要进行除锈、防腐。
一般采用“三油两布”或3PE防腐方法，但该方法耗时多，污染大，且容易出现局部防腐漆刷不到位等问题，产生很多防腐死角，大大降低了管道的使用寿命。
2）PE管材进场后只需对其进行必要的遮盖，防止雨淋和太阳照晒。
4.2现场布管
1）钢管在布管过程中由于自身重量过大会带来很大的不便。
钢管一般为9m～12m，以D76×5为例，单根重约90kg。
而De75PE100SDR17.6管材一般为9m或12m，它的理论质量是1.5ks／m，很容易搬运，可大大降低对人力和设备的要求及布管费用。
2）管道布管前要先进行扫线。
钢管施工时需在平整场地进行焊接，根据以往经验管沟难免出现沟底不平的现象（如石方段），钢管容易出现悬空现象，影响施工质量。
PE管挠性较好，可采用弹性敷设，在施工遇到沟底不平和角度较大管沟时很容易进行布管，可避免管线悬空发生，可很好地保证施工质量。
3）钢管布管的过程中如遇到坚硬石块容易划伤表面，对“三油两布”和3PE防腐造成破损，必须重新进行防腐；对刺伤破损的管道，若长期埋在土壤中，容易发生降解作用，腐蚀管道，降低寿命。
另外，防腐材质暴露在阳光下时很容易发生氧化，长期下去会导致脱落，降低保护管道的作用。
PE管材布管时要注意不被尖锐物体划伤，在管沟开挖时根据地质情况处理管沟，遇到石方段就必须在沟底铺垫细土后方可布管。
另外，PE管材可耐多种化学介质的腐蚀，土壤中的化学物质不会对其产生任何降解作用，PE管材含有2％～2．5％均匀分布的炭黑聚乙烯管材能够在室外露天存放或使用50年，不会因遭受紫外线辐射而损坏。
但PE管材也有明显的不足，材质不如钢管坚硬，在放线时不能把其位置定在车流量或承载较大的地段，以免后期运行造成对PE管长时间挤压而出现破损、断裂等现象。
4.3现场焊接
1）钢管焊接前要进行除锈、打坡口，且平均20min才能焊接好一道焊口，若在地形相对复杂的情况下其时间会更长。
PE管材采用电热熔方式连接，接头强度高于管道本身，平均5min便可焊接好一道焊口，PE管与其他管道可采用法兰连接，方便快捷。
2）在天气寒冷的情况下，对钢管进行焊接前需做加热处理，程序繁琐，加热不均匀会对焊接质量大打折扣。
PE管的低温脆化温度极低，可在-60℃～60℃温度范围内安全使用，冬季施工时，因材料抗冲击性好，不会发生管子脆裂的现象。
4.4无损检测
按照规范要求，钢管焊接完成后必须按要求对焊口进行无损检测，采用X射线或超声波探伤。
PE管材不需进行无损检测，有效地提高了工作效率，节约施工时间。
4.5吹扫及试压
钢管与PE管材，在吹扫和试压上要求基本一致。
试压分为强度性试压和严密性试压：
1）强度性试压为4h，要求达到设计压力1.25倍，压损不得大于0.02MPa；2）严密性试压为24h，要求压力达到设计压力1.0倍，压损不得大于0.02MPa。
4.6补口及补伤
钢管在吹扫、试压完成后要对焊口进行防腐，同样采用“三油两布”或热吸缩带的方法，焊口进行防腐时经常出现除锈不干净、玻璃丝布或热吸缩带缠绕不紧的现象，降低防腐质量和效果，产生质量瑕疵。
PE管材不需要以上步骤，可大大缩短施工时间、节约费用。
4.7管沟回填
钢管和PE管回填时必须按规范要求回填。
回填前先回填200mm厚细土，且回填土必须高出地面300mm，逐层夯实。
4.8后期运行
1）由于抽采煤层气的同时会有一定的水气随之进入管道内且水气里含有多种矿物质，长时间会使钢管的内壁生锈腐蚀，产生化学反应，大大缩短钢管使用寿命。
PE管材具有光滑内表面，耐腐蚀，光滑表面和非粘附特性保证了管道具有较钢管更高的输送能力，同时降低了管路的压力损失。
2）煤层气集输管道遍布区域非常广泛，包括河道、深山、村庄附近等各种复杂的环境，因此存在诸多隐患：
如遇到钢管破损的情况，修复时要先切断气源，并把管道内残余的气体用氮气置换掉方可焊接。
PE管材出现破损需修复时只需断掉气源，管道内残余的气体泄压后便可进行热熔修复，这样有效地缩短了抢修的时间，在短时间内即可减少气量的损失，并有效降低了发生各种险情的可能性。
5结论
综合上述多个方面，同钢管相比，PE管材从性能、经济性、施工及运行维护等方面都体现出了显著的优势，这些优势贯穿了PE管作为整个煤层气集输管道施工的全过程，能够有效地节约人力物力，节省施工时间，降低施工难度，减少投资，并且可以有效地进行维护及防止安全事故的发生。
总体而言，使用PE管材作为煤层气集输管线，可从各个环节提高工作效率，保障施工安全快捷，降低工程投资。
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