煤層氣集輸管道管材的選用

1、煤層氣集輸管道管材的選用 概述作為地面開發(fā)投資的重中之重，煤層氣集輸管道管材的選用成為一大課題，合理地選擇管材是確保管道安全，工程設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的重要因素，現(xiàn)階段大部分采用鋼管，鋼管作輸氣管道中的主要材料毋庸置疑，隨著科技的進(jìn)步，一種適應(yīng)煤層氣地面開發(fā)的新型管材逐漸受到青睞聚乙烯管，俗稱 pe管。那么，鋼管和 pe管材主要有哪些利弊，這里將做以下較詳細(xì)的分析研究。2pe管材特點(diǎn)2.1pe管概念目前中國的市政管材市場，塑料管道正在穩(wěn)步發(fā)展，pe管、pp-r管、upvc管都占有一席之地，其中pe管強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭最為令人矚目。pe管的使用領(lǐng)域廣泛。其中給水管和燃?xì)夤苁瞧鋬蓚€(gè)最大的應(yīng)用市場。pe樹脂，是

2、由單體乙烯聚合而成，由于在聚合時(shí)因壓力、溫度等聚合反應(yīng)條件不同，可得出不同密度的樹脂，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。在加工不同類型pe管材時(shí)，根據(jù)其應(yīng)用條件的不同，選用樹脂牌號(hào)的不同，同時(shí)對(duì)擠出機(jī)和模具的要求也有所不同。國家在燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁╬e）管道系統(tǒng)（gb 15558-2003）及聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程（cjj63-2008）規(guī)定了埋地燃?xì)夤艿赖牟煌?jí)別pe80和pe100對(duì)應(yīng)不同的壓力強(qiáng)度，并且擴(kuò)大了聚乙烯管道公稱直徑，提高了管道最大允許工作壓力。2.2pe管基本特點(diǎn)一種好的管道，不僅應(yīng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性，而且應(yīng)具備接口穩(wěn)定可靠、材料抗沖擊、抗開裂、耐老化、

3、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，同傳統(tǒng)鋼管相比，pe管道系統(tǒng)具有以下一系列優(yōu)點(diǎn)：（1）連接可靠：聚乙烯管道系統(tǒng)之間采用電熱熔方式連接，接頭的強(qiáng)度高于管道本體強(qiáng)度。（2）低溫抗沖擊性好：聚乙烯的低溫脆化溫度極低，可在一定溫度范圍內(nèi)安全使用。冬季施工時(shí)，因材料抗沖擊性好，不易發(fā)生管子脆裂。（3）抗應(yīng)力開裂性好：具有低的缺口敏感性、高的剪切強(qiáng)度和優(yōu)異的抗刮痕能力，耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能也非常突出。（4）耐化學(xué)腐蝕性好：可耐多種化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，土壤中存在的化學(xué)物質(zhì)不會(huì)對(duì)管道造成任何降解作用。聚乙烯是電的絕緣體，因此不會(huì)發(fā)生腐爛、生銹或電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象；此外它也不會(huì)促進(jìn)藻類、細(xì)菌或真菌生長。（5）可撓性好： 其柔性使得它

4、容易彎曲，工程上可通過改變管道走向的方式繞過障礙物，在許多場合，管道的柔性能夠減少管件用量并降低安裝費(fèi)用。（6）水流阻力小：具有光滑的內(nèi)表面，其曼寧系數(shù)為0.009。光滑的表現(xiàn)和非粘附特性保證管道具有較傳統(tǒng)管材更高的輸送能力，同時(shí)也降低了管路的壓力損失和輸水能耗。（7）下搬運(yùn)方便：比混凝土管道、鍍鋅管和鋼管更輕，它容易搬運(yùn)和安裝，更低的人力和設(shè)備需求，意味著工程的安裝費(fèi)用的大大降低。3pe管與鋼管經(jīng)濟(jì)性對(duì)比合理地選擇管材是使管道工程經(jīng)濟(jì)合理的重要關(guān)鍵，煤層氣單井產(chǎn)氣量小、壓力低，可選用的管材有：無縫鋼管、焊接鋼管、機(jī)械接口鑄鐵管、球墨鑄鐵管、聚乙烯管（pe管）和鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管等。鋼管在

5、以往的使用中占主導(dǎo)地位，參照近年來城鎮(zhèn)燃?xì)鈖e管和燃?xì)庥娩摴羌芫垡蚁┧芰蠌?fù)合管已逐步推廣普及的用管經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于煤層氣集輸管型選取，做了以下詳細(xì)的分析研究。3.1性能分析鋼管、pe管和燃?xì)庥娩摴羌芫垡蚁┧芰蠌?fù)合管的性能對(duì)比見表1。表1 管材性能對(duì)比表序號(hào)管材優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1鋼管1.強(qiáng)度高，承壓能力較高，抗外來破壞能力強(qiáng)；2.管件規(guī)格齊全。1.耐腐蝕性差，維修保養(yǎng)費(fèi)用高；2.使用壽命短，約2030年；3.運(yùn)輸成本高；4.施工難度大。2pe管1.不易腐蝕，使用壽命長，可達(dá)50年以上；2.管道內(nèi)壁平滑，摩擦系數(shù)低，可降低摩擦阻力損失，相對(duì)鋼管可減小管徑，降低投資；3.管道柔韌性好，小管徑可盤卷，施工中接頭少，

6、可提高施工速度；4.施工簡便，可大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，與鋼管相比可大大縮短工期；5.管道重量輕，僅是鋼管的1/8，運(yùn)輸、施工方便；6.獨(dú)特的電熱熔、熱熔焊接技術(shù)使管道密封可靠，維修簡便。1.強(qiáng)度低，抗外力破壞能力差。3燃?xì)庥娩摴羌芫垡蚁┧芰蠌?fù)合管1.很好的解決了金屬管道耐壓不耐腐，非金屬管道耐腐不耐壓，鋼塑管易脫層的缺點(diǎn)；2.剛度和柔度好，抗蠕變性強(qiáng)，耐磨，內(nèi)壁光滑且不結(jié)垢，節(jié)能節(jié)材效果好；3.具有良好的抗拉伸、抗沖擊特性；4.無毒性；5.使用壽命長達(dá)50年；安裝維修方便。1.工程造價(jià)偏高；2.通氣后開孔連接困難。鋼管、pe管和鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管各有優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合管線所在地區(qū)情況，

7、綜合考慮安全可靠性、經(jīng)濟(jì)合理性及施工難易程度等因素，鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管雖性能較好，但成本較高，不考慮該種管材。根據(jù)燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?pe)管道系統(tǒng)第1部分 ：管材（gb 15558.1-2003），燃?xì)庥胮e包含以下四個(gè)等級(jí)：pe100 sdr17.6、pe100 sdr 11、pe80 sdr 17.6及pe80 sdr11。根據(jù)目前市場價(jià)格，有以下結(jié)論：a）承壓能力：pe100 sdr 11pe100 sdr17.6 pe80 sdr11pe80 sdr 17.6（允許工作壓力pe100 sdr 111.0mpa，pe100 sdr17.60.6mpa,pe80 sdr110.4mpa

8、， pe80 sdr 17.60.2mpa）b）價(jià)格：pe100 sdr 11 pe80 sdr11pe100 sdr17.6pe80 sdr 17.6因此， 根據(jù)煤層氣應(yīng)用工況的介質(zhì)、壓力及溫度等特點(diǎn)，由于pe80 sdr17.6承壓過低(0.2mpa)，因此不推薦pe80 sdr17.6在煤層氣應(yīng)用； pe100 sdr11承壓較高，滿足煤層氣應(yīng)用要求，但價(jià)格偏高，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，pe100 sdr11不作為首選。以上可見，煤層氣用pe管宜從pe100 sdr17.6及pe80 sdr11中選取?？紤]到pe100 sdr17.6 的承壓高于pe80 sdr11，而價(jià)格前者比后者低，因此，可

9、選用pe100 sdr17.6的pe管。3.2pe管與鋼管經(jīng)濟(jì)分析（1）對(duì)比原則 pe管與鋼管對(duì)比是內(nèi)徑相同或相近的原則； 選用管材生產(chǎn)商報(bào)價(jià)中間報(bào)價(jià)； 比選主材費(fèi)用含平均所需管件費(fèi)用，以km為單位； 管材的使用壽命均以20年計(jì)； 鋼管采用用聚乙烯膠帶防腐層，pe管不需防腐。根據(jù)目前管材、防腐等價(jià)格，對(duì)煤層氣集氣干管選用pe100 sdr17.6與鋼管的經(jīng)濟(jì)比較詳見表2。表2 管材經(jīng)濟(jì)綜合性能對(duì)比表管材規(guī)格內(nèi)徑（mm）材料合價(jià)（萬元）安裝費(fèi)(萬元/km)防腐105元/m2施工取費(fèi)(萬元/km)臨賠（萬元）總價(jià)（萬元）pe100sdr17.6管905.479.23.8442.027.514.78

10、1106.696.85.4312.327.516.871609.514111.2392.927.523.7022512.8199.422.2653.667.535.9931518.7277.644.055.787.561.3835520.2314.656.2347.037.575.6840022.8354.471.2159.157.597.0245025.6398.887.06611.277.5117.11鋼管d893.5825.984.838.1122.609.0037.58d1144.01067.7554.910.5025.209.0041.96d1685.2157.612.5265.21

11、5.8531.459.0052.98d219.15.2208.716.4575.9320.7238.5079.0063.96d273.15.2262.720.6126.5626.4146.0889.0075.70d323.95.6312.726.3747.4630.3952.7659.0088.14d355.66.4342.833.017.730.9754.0689.0096.08d406.46.4393.637.8787.939.5563.2489.00110.13（2）綜合結(jié)論從表中可以看出，內(nèi)徑不大于d350的管線，單位公里綜合造價(jià)，pe管低于鋼管；內(nèi)徑大于d400的管線，單位公里綜合造

12、價(jià)，pe管高于鋼管。 根據(jù)上述技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，工程項(xiàng)目實(shí)際情況：內(nèi)徑在d300及其以下管線，采用聚乙烯塑料管，選用pe100 sdr17.6，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)gb15558.12003；內(nèi)徑在d300以上管線，推薦選用鋼管，采用鋼管，可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)gb9711.1。3.3 pe管強(qiáng)度計(jì)算1）pe管壁厚計(jì)算公式根據(jù)聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程（cjj63-2008）計(jì)算公式：式中：mop最大工作壓力（mpa）；mrs最小要求強(qiáng)度（mpa）；sdr標(biāo)準(zhǔn)尺寸比（dn/e，其中dn為公稱直徑，e為公稱壁厚，mm）；c總體使用（設(shè)計(jì)）系數(shù)（安全系數(shù)）（c是一個(gè)不小于2的數(shù)值）。2）c值取值依據(jù)根據(jù)歐標(biāo)燃?xì)庥盟芰瞎艿老?/p>

13、統(tǒng)en1555、國際標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)廨斔陀寐竦鼐垡蚁┕懿膇so4437及中國標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?pe)管道系統(tǒng)gb 15558中對(duì)安全系數(shù)均規(guī)定為c大于或等于2.0。在不考慮施工因素和溫度折減因素，用公式得出pe100、sdr17.6系列管道m(xù)op最大為0.6mpa，能滿足本工程低壓輸送煤層氣需要。用pe100聚乙烯管c取值分別為3、2.4、2的情況下，多種管徑的pe100管材對(duì)應(yīng)的壁厚e，如表3：表3 pe100管材計(jì)算壁厚管材規(guī)格pe100計(jì)算參數(shù)mop=0.4mpa，c=3，sdr=17.6mop=0.5mpa，c=2.4，sdr=17.6mop=0.5mpa，c=2，sdr=21公稱直徑e（

14、mm）e（mm）e（mm）dn1106.236.235.24dn1609.069.067.62dn20011.3211.329.52dn25014.1514.1511.90dn31517.8317.8315.00dn35520.0920.0916.90dn40022.6422.6419.05根據(jù)表3，對(duì)其圓整，可得出各管徑的pe100管材對(duì)應(yīng)的最小壁厚ey,min，如表4：表4 pe100管材最小壁厚管材規(guī)格pe100計(jì)算參數(shù)mop=0.4mpa，c=3，sdr=17.6mop=0.5mpa，c=2.4，sdr=17.6mop=0.5mpa，c=2，sdr=21公稱直徑ey,min（mm）ey

15、,min（mm）ey,min（mm）dn1106.36.36.3dn1609.19.18dn20011.411.410.3dn25014.214.212.8dn31517.917.915.9dn35520.220.217dn40022.822.820.2注：表中ey,min 取自燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?pe)管道系統(tǒng)第1部分 ：管材（gb 15558.1-2003）中常用sdr17.6和sdr11管材最小壁厚。在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于還應(yīng)考慮到施工和使用條件，世界各國普遍考慮了一定的安全系數(shù)，考慮到我國國情及地質(zhì)條件、施工方式、介質(zhì)種類等各種因素，為了提高安全性能，可選用的聚乙烯塑料管材為pe100

16、sdr17.6。4pe管與鋼管施工技術(shù)對(duì)比4.1 管材進(jìn)場1）鋼管進(jìn)場后首先要進(jìn)行除銹、防腐。一般采用 “三油兩布”或 3pe防腐方法，但該方法耗時(shí)多，污染大，且容易出現(xiàn)局部防腐漆刷不到位等問題，產(chǎn)生很多防腐死角，大大降低了管道的使用壽命。2）pe管材進(jìn)場后只需對(duì)其進(jìn)行必要的遮蓋，防止雨淋和太陽照曬。4.2 現(xiàn)場布管1）鋼管在布管過程中由于自身重量過大會(huì)帶來很大的不便。鋼管一般為 9 m12 m，以d765為例，單根重約90 kg。而 de75pe100sdr17.6管材一般為9 m或12 m，它的理論質(zhì)量是1.5 ksm，很容易搬運(yùn)，可大大降低對(duì)人力和設(shè)備的要求及布管費(fèi)用。2）管道布管前要先

17、進(jìn)行掃線。鋼管施工時(shí)需在平整場地進(jìn)行焊接，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)管溝難免出現(xiàn)溝底不平的現(xiàn)象（如石方段），鋼管容易出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，影響施工質(zhì)量。pe管撓性較好，可采用彈性敷設(shè)，在施工遇到溝底不平和角度較大管溝時(shí)很容易進(jìn)行布管，可避免管線懸空發(fā)生，可很好地保證施工質(zhì)量。3）鋼管布管的過程中如遇到堅(jiān)硬石塊容易劃傷表面，對(duì)“三油兩布”和 3pe防腐造成破損，必須重新進(jìn)行防腐；對(duì)刺傷破損的管道，若長期埋在土壤中，容易發(fā)生降解作用，腐蝕管道，降低壽命。另外，防腐材質(zhì)暴露在陽光下時(shí)很容易發(fā)生氧化，長期下去會(huì)導(dǎo)致脫落，降低保護(hù)管道的作用。pe管材布管時(shí)要注意不被尖銳物體劃傷，在管溝開挖時(shí)根據(jù)地質(zhì)情況處理管溝，遇到石方段就

18、必須在溝底鋪墊細(xì)土后方可布管。另外，pe管材可耐多種化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，土壤中的化學(xué)物質(zhì)不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生任何降解作用，pe管材含有 225均勻分布的炭黑聚乙烯管材能夠在室外露天存放或使用50年，不會(huì)因遭受紫外線輻射而損壞。但pe管材也有明顯的不足，材質(zhì)不如鋼管堅(jiān)硬，在放線時(shí)不能把其位置定在車流量或承載較大的地段，以免后期運(yùn)行造成對(duì)pe管長時(shí)間擠壓而出現(xiàn)破損、斷裂等現(xiàn)象。4.3 現(xiàn)場焊接1）鋼管焊接前要進(jìn)行除銹、打坡口，且平均20 min才能焊接好一道焊口，若在地形相對(duì)復(fù)雜的情況下其時(shí)間會(huì)更長。pe管材采用電熱熔方式連接，接頭強(qiáng)度高于管道本身，平均5 min便可焊接好一道焊口，pe管與其他管道可采用法蘭

19、連接，方便快捷。2）在天氣寒冷的情況下，對(duì)鋼管進(jìn)行焊接前需做加熱處理，程序繁瑣，加熱不均勻會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量大打折扣。pe管的低溫脆化溫度極低，可在-6060溫度范圍內(nèi)安全使用，冬季施工時(shí)，因材料抗沖擊性好，不會(huì)發(fā)生管子脆裂的現(xiàn)象。4.4 無損檢測(cè)按照規(guī)范要求，鋼管焊接完成后必須按要求對(duì)焊口進(jìn)行無損檢測(cè)，采用x射線或超聲波探傷。pe管材不需進(jìn)行無損檢測(cè)，有效地提高了工作效率，節(jié)約施工時(shí)間。4.5 吹掃及試壓鋼管與pe管材，在吹掃和試壓上要求基本一致。試壓分為強(qiáng)度性試壓和嚴(yán)密性試壓：1）強(qiáng)度性試壓為4 h，要求達(dá)到設(shè)計(jì)壓力 1.25倍，壓損不得大于0.02 mpa；2）嚴(yán)密性試壓為 24 h，要求壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力 1.0倍，壓損不得大于0.02 mpa。4.6 補(bǔ)口及補(bǔ)傷鋼管在吹掃、試壓完成后要對(duì)焊口進(jìn)行防腐，同樣采用 “三油兩布”或熱吸縮帶