PE管穿插法修復城市天然氣管道的探討

摘要：論述了PE管穿插技術(shù)及其實(shí)施方案。比較了換新鋼管方案與PE管穿插方案的費用，論證了PE管穿插技術(shù)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，探討了PE管穿插技術(shù)的應用范圍和前景。

關(guān)鍵詞：管網(wǎng)改造；PE管穿插法；修復

城市天然氣在用鋼管中，運行20～30年的管道占有一定的比例，其中相當一部分已老化或帶隱患運行，對其進(jìn)行修復和替換勢在必行。由于大多數城市天然氣鋼管沿城市道路敷設，隨著(zhù)道路的改造拓寬，有些已在車(chē)行道下，采用開(kāi)挖取出舊管道，再埋入新管道的方式，如不是隨道路改造同時(shí)施工，則不僅造價(jià)高，而且對城市交通及環(huán)境都將帶來(lái)不利影響。在一些重要地點(diǎn)，基本上不可能進(jìn)行大型開(kāi)挖。因此，探討非開(kāi)挖管道修復技術(shù)具有相當的緊迫性和重要意義。

較適合城市天然氣在用鋼管修復的方法主要有5種：軟管翻轉內襯法、牽引-固化法、PE管加熱縮徑膨脹內襯法、U形PE管內襯法、PE管穿插法^[1]?？紤]到國內城市天然氣行業(yè)的技術(shù)基礎和施工條件，本文僅對PE管穿插法進(jìn)行探討。

1 PE管穿插技術(shù)

   1.1 施工工藝

該方法是將一根管徑比舊管稍小的新PE管穿插在舊管中，替代舊管供氣，舊管作為管使用的一種舊管修復方法。其施工工藝見(jiàn)圖1。

管彈頭用于拖動(dòng)PE管在舊管內穿過(guò)，一端為PE管，另一端為帶鐵環(huán)的鋼制封頭，用于固定拉繩。該法工藝較簡(jiǎn)單，較易操作，但由于插入的PE管管徑比舊鋼管要小，同等輸氣壓力下，修復后管道的輸氣能力有所降低，該法的應用也因此受到限制。

   1.2 關(guān)鍵技術(shù)

   ① 舊管內壁的處理

為防止穿管時(shí)在舊管內劃傷PE管，穿管前必須對舊管內壁進(jìn)行處理，一般包括清洗、打磨、吹掃和檢查。

考慮到城市天然氣管道內壁腐蝕小，管內積垢遠比油氣田管道和人工煤氣管道的積垢少，且分段清洗的管道較短，采用一般的拉鏜方式即可清出管道的積垢，滿(mǎn)足穿管要求。對管道內壁的焊瘤、焊刺等采用帶有金屬刮刀的拉鏜設備進(jìn)行拉鏜，實(shí)現管道內壁的打磨，以達到穿管要求。

經(jīng)拉鏜處理后的管道，用壓縮空氣吹凈管內雜物，然后進(jìn)行內窺檢查，主要檢查是否有未清理干凈的焊瘤、焊刺及積垢等，檢查合格，方可進(jìn)行試穿。

   ② PE管外表面的保護

由于PE管具有應力開(kāi)裂特性，當管表面被刮傷后，就可能導致開(kāi)裂及開(kāi)裂的慢速增長(cháng)，從而縮短管道使用壽命甚至發(fā)生爆管事故。因此，PE管穿插技術(shù)的關(guān)鍵是保證在穿管過(guò)程中，PE管的外表面不被劃傷。參照國外標準，PE管外表面的劃傷深度不得大于管道壁厚的10%，可采取以下措施來(lái)保證：

   a. 進(jìn)行舊管內壁處理。

   b. 插入施工時(shí)，在舊管插入端加上一個(gè)硬度比插入管小的漏斗形導滑器。

   c. 試穿。在正式插入前應先拖過(guò)一根長(cháng)4～5m與插入管同徑的PE管，檢查舊管對試穿的PE管外表面的損傷情況。若發(fā)現有超過(guò)規定的劃傷現象，則應重新對舊管內壁進(jìn)行處理，直到試穿合格。

   1.3 施工步驟與設備

PE管穿插施工步驟如下：

(1) 安裝拉繩。用鼓風(fēng)機將風(fēng)帽由發(fā)射坑吹至接收坑，利用風(fēng)帽把細線(xiàn)穿過(guò)鋼管，再用細線(xiàn)把尼龍拉繩由接收坑拉至發(fā)射坑。

(2) 鏜管。用拉繩牽引鏜管設備進(jìn)行鏜管。

(3) 舊管吹掃。用壓縮空氣吹掃舊管。

(4) 內窺檢查。用攝像探頭在舊管內進(jìn)行內窺，從電視上對管內進(jìn)行檢查。

(5) 試穿PE管。先將一根4～5m長(cháng)的與插入管同管徑的PE管用拉繩拉過(guò)舊管，檢查PE管外壁損傷情況，如劃傷深度超標，應對舊管內壁進(jìn)行清理，直至試穿合格。

(6) 準備待穿的PE管。焊接待穿的PE管，并進(jìn)行強度試驗和氣密性試驗，合格后待穿。

(7) PE管穿插。用拉繩牽引待穿PE管穿過(guò)舊鋼管。

(8) 分段密封。用水泥等填縫材料密封各管段端口與PE管間的環(huán)形空間。

(9) 完成全線(xiàn)穿插。分段穿插施工完成后，在操作坑內將各段PE管相互焊接。

(10) 吹掃試壓。對穿插PE管進(jìn)行全線(xiàn)吹掃和強度試驗、氣密性試驗^[2]。

(11) 回填。用細砂回填操作坑，并敷設警示帶，再用泥土回填至地面。

   PE管穿插施工主要設備如下：

(1) 鼓風(fēng)機：將風(fēng)帽從發(fā)射坑吹至接收坑。

(2) 鏜管設備：安裝有刮刀的鏜管器，能打下舊管內的焊瘤及焊刺。

(3) 內窺裝置：主要包括攝像探頭及探燈，二者用拖架固定，防止在舊管內拖動(dòng)時(shí)翻滾、磨損。

(4) 彩色電視機：接收攝像探頭傳來(lái)的信號，并將其轉變?yōu)閳D像，顯示舊管內的檢查情況。

(5) PE管焊機：分為電熔焊機和對接焊機。

2 PE管穿插法的實(shí)施方案

(1) 前期準備

前期準備工作一般包括管道的資料查閱和現場(chǎng)踏勘等管道調查工作。通過(guò)查閱管道的竣工資料，調查氣源及供氣負荷變化情況以及現場(chǎng)踏勘，明確管道的管位、管徑、支管等情況；了解管道所處地理環(huán)境狀況，如沿線(xiàn)建筑布置、人流車(chē)流、地下障礙、相鄰管道等；了解管道的氣源變化、負荷變化情況；確定該管道是否采用PE管穿插技術(shù)進(jìn)行修復，并做好穿插的前期準備工作。

(2) 穿管方案的制定

由于PE管穿插工藝只能在直管段進(jìn)行，制定穿管方案的重點(diǎn)應放在管道分段、發(fā)射坑、接收坑位置的確定上。

按照《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)規程》(CJJ63—95)第5.3.5條的規定，插入管采用拖管法施工時(shí)，拉力不得大于管材屈服拉伸強度的50%^[3]。PE80聚乙烯材料的屈服拉伸強度一般為19 MPa左右，材料密度≥930 kg/m³，經(jīng)計算可得，穿插時(shí)插入管長(cháng)度不得大于900 m。

分段方案、發(fā)射坑、接收坑位置的確定，在滿(mǎn)足插入管長(cháng)度規定的前提下，應根據管道彎頭、支管、臨時(shí)供氣方案等確定。

穿管方案應會(huì )同生產(chǎn)調度部門(mén)，制定相應的停氣動(dòng)火作業(yè)方案和臨時(shí)供氣方案。穿管方案還應制定必要的應急方案，為施工中可能出現的故障做好準備。

3 社會(huì )效益與經(jīng)濟效益

   PE管穿插技術(shù)與傳統的開(kāi)挖更換舊管方式相比，大大減少了開(kāi)挖土方量，且開(kāi)挖點(diǎn)可盡量避開(kāi)人流密集處、電話(huà)亭等，縮短了舊管修復工期，極大地減少了管道修復工程對城市交通及環(huán)境的影響，有利于安全平穩地供氣，具有良好的社會(huì )效益。

由于減少了開(kāi)挖量，PE管穿插技術(shù)修復管道的工程造價(jià)也明顯降低。燃氣管道工程造價(jià)主要包括人工費、材料費、機械費、道路賠償費、土方開(kāi)挖費等。目前，大面積開(kāi)挖造成的市政賠償費用在不斷升高。采用PE管穿插技術(shù)可降低工程造價(jià)，提高經(jīng)濟效益，效果顯著(zhù)。費用降低的主要方面是減少了土方開(kāi)挖費、市政賠償費。成都市實(shí)施的采用PE管穿插技術(shù)改造舊鋼管的實(shí)例的費用比較見(jiàn)表1。

表1 成都市塔九路換新鋼管與PE管穿插的費用比較

Tab.1 Comparison of cost between steel pipe renewal

and PE Pipe insertion in Tajiu Road of Chengdu City

可以看出，采用PE管穿插技術(shù)改造舊鋼管比更換新鋼管節省費用約38%，該技術(shù)具有良好的經(jīng)濟效益。

4 PE管穿插技術(shù)的應用范圍

插入管管徑應比舊管小，一般情況下，插入管外徑最大不得超過(guò)舊管內徑的90%。根據鋼管和PE管的規格，PE穿插管最大規格見(jiàn)表2。因內窺裝置只能進(jìn)入DN 150 mm以上的管道，故舊管的最小規格為DN 150 mm。

表2 PE穿插管最大規格

Tab.2 Maximum specification of inserted PE pipe

中壓鋼管和PE管的水力計算公式見(jiàn)《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028—2006)，其中管壁內表面的當量絕對粗糙度，對于鋼管取0.2 mm，對于PE管取0.01 mm^[4]。為比較穿插前后管道流通能力的變化，在城市天然氣中壓管道運行壓力范圍內結合常用的鋼管和PE管規格，設定兩種工況進(jìn)行水力計算，結果見(jiàn)表3。其中天然氣工況一：起點(diǎn)絕對壓力為0.450MPa，終點(diǎn)絕對壓力為0.448MPa，管道長(cháng)度為1km。天然氣工況二：起點(diǎn)絕對壓力為0.450MPa，終點(diǎn)絕對壓力為0.449MPa，管道長(cháng)度為1km。

在表3中，采用常用規格PE管穿插后，其流通能力為原管道的40%～50%。實(shí)際工程中，如需要提高穿插后管道的流通能力，也可按表2采用合適規格PE管進(jìn)行穿插，穿插后管道的流通能力可提高到原管道的55%～65%。

鑒于PE管穿插后管道的流通能力有較大的下降，該工藝一般用在隨著(zhù)城市管網(wǎng)的發(fā)展和氣源的變化，原有大口徑管道所帶負荷下降，經(jīng)PE管穿插修復，管道管徑縮小后，仍能滿(mǎn)足正常供氣的管道。PE管穿插技術(shù)在城市天然氣鋼管修復中雖然不可能廣泛應用，但仍有一定的應用空間。

表3 被穿鋼管與穿插PE管流通能力比較

Tab.3 Comparison of flow capacity in steel pipe and inserted PE pipe

5 結語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)際應用，PE管穿插城市天然氣在用鋼管技術(shù)日趨成熟。國內許多天然氣公司成立較早，舊管網(wǎng)改造量多、施工難度大，采用新型的舊管改造技術(shù)既能提高公司整體形象，又能帶來(lái)較好的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。

隨著(zhù)氣源的變化及管網(wǎng)的發(fā)展，PE管穿插在用燃氣管道修復技術(shù)將是舊管改造的有效方式之一。隨著(zhù)西氣東輸和俄氣南輸，國內許多城市將由人工煤氣轉換為天然氣，這種由低熱值氣源向高熱值氣源轉換的管網(wǎng)改造、舊管修復，由于允許管徑縮小，將為PE管穿插技術(shù)提供更大的應用空間^[5]。