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埋地聚乙烯管道安全检验关键技术及工程应用

文档作者：石秀山何仁洋任峰蔡广明张献军文档来源： 1．中国特种设备检测研究院 2．塔里木油田公司		点击数：	更新时间： 2022年11月19日
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2011
第1期
管 道 技 木
Pipeline Technique
彳互 各
Equipment
2011
No．1
埋地聚乙烯管道安全检验关键技术及工程应用
石秀山 ，何仁洋 ，任峰 ，蔡广明 ，张献军
(1．中国特种设备检测研究院，北京100013；2．塔里木油田公司，新疆库尔勒841000)
摘要：PE管道具有优良的性价比，广泛应用在能源、燃气等工程中，但因其焊接接头质量难以检
测、探查难度大，使PE管道的安全状况难以控制，并导致泄漏等事故。结合国内出台的PE管道规范、
标准及钢质管道检验的经验，提出了PE管道的安全检验关键技术，并介绍了部分科研成果，如PE管焊
接质量超声相控阵动态聚焦和B扫查成像技术、探地雷达、泄漏检测等。文中提出的检验关键技术在
某市PE燃气管网中得到了有效应用，检验出多项安全隐患，为城市燃气的安全提供了保障。
关键词：PE管道；相控阵动态聚焦；B扫查成像；探地雷达；泄漏
中图分类号：TE973 文献标识码：B 文章编号：1004—9614(2011)ol一0023—03
Key Inspection Technology and Application to Buried Polyethylene Pipeline
SHI Xiu-shan ，HE Ren—yang ，REN Feng ，CAI Guang-ming ，ZHANG Xian-jun
(1．China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100013，China；
2．Tarim Oilfield Company，Korla 841000，China)
Abstract：Polyethylene pipeline is widely used in energy and gas projects due to its low price and good quality，but because
the difficulty in inspection of the quality of the welded joint is great，the safety conditions of such a pipeline is difficult to contro1．
So，there often occurs a leak．The paper brings forwards this key technology of safety inspection based on the experience of testing
steel pipeline and on the regulations concerning polyethylene pipeline and also introduces some scientific research fruits，such as
phased array ultrasonic focusing technique as well as B2 scan real imaging technology，geologic radar and leak—finding technology．
The key inspection technology ，when applied to urban buried polyethylene pipeline，can find some hidden trouble and ensure the
safety of city gas．
Key words：polyethylene pipeline；phased array ultrasonic focusing；B2 scan real imaging；geologic radar；leakage
0 引言
超高分子量聚乙烯是一种物理机械性能十分优
异的热塑性工程材料，由其加工而成的PE管具有质
轻价廉、耐腐蚀，绝缘、密封性和韧性好等特点。国外
从20世纪40年代开始使用塑料管道，20世纪6O年
代开始大规模使用PE管道。在国内，作为燃气用PE
管出现于20世纪90年代中期。近几年来，部分油田
在集输管网中也尝试利用PE管道代替钢管。
随着使用时间的增加，PE管道本身缺陷导致的安
全问题也开始暴露出来，尤其是PE管道的焊接质量
不高导致的泄漏、埋深不够导致的管道变形、位置不
清导致的第三方施工损坏等，实现在用PE燃气管道
安全状况检验，成为人们关注的焦点。
国内对PE燃气管道的检验还没有形成一套固定
标准与方法体系，但在管道元件制造、安装、竣工验收
收稿日期：2009—12—21 收修改稿日期：2010—09—04
等方面已有一些安全技术规范和行业标准，如《燃气
用聚乙烯管道焊接技术规则》(TSG D2002—2006)、
《聚乙烯燃气管道工程技术规程》(CJJ63—2008)、《城
市燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》(CJJ51
— 2006)、《压力管道定期检验规则一公用管道》(TSG
D7003—2010)涉及了相关环节，但不全面。
文中结合相关研究成果与经验，针对PE管道可
能出现的安全质量问题，开展了PE燃气管道安全检
验关键技术研究与应用工作。
1 PE管道安全检验关键技术
针对PE管道的实际情况，应首先开展原始资料
调查，掌握管道走向与位置，然后开展不开挖泄漏普
查，分析管道危险源，并针对关键点进行PE管管体质
量检验(PE接头质量、钢塑转换接头质量、管子质
量)。
1．1 PE管道定位技术
按照《聚乙烯燃气管道工程技术规范》CJJ63—2008
24 Pipeline Technique and Equipment Jan． 2011
中5．2．4条的规定，PE管道施工时，应随管道埋设金属
示踪线，但有些PE管道工程并没有埋设金属示踪线或
者施工不规范造成示踪线断开或未连接，这给后期的维
护带来了问题。目前，PE管道的探查有电磁法和探地
雷达法及震动波法等方法，电磁法主要应用在有示踪线
的PE管道上，探地雷达法及震动波法主要用来探查复
杂部位管线和没有示踪线的PE管道。
中国特种设备检测研究院已经研制了一种新型
雷达，其在通道数、采样、探测深度方面性能优异。探
测深度为0～6 m；探测深度误差<3％ ；探测横向精度
<0．1 133．能够满足PE管道检验定位精度的要求¨J。
1．2 PE焊接质量超声波检测
1．2．1 PE接头的焊接缺陷分类
PE管的连接是整个安装过程中最重要的工序，
是影响结构完整性和安全运营、持久强度的重要因
素，连接技术的优劣直接关系到管道的运行寿命，通
常可采用熔化连接和机械连接等，最常用的是热熔连
接和电熔连接。图1和图2为电熔接头内部缺陷的几
种类型。
(a)熔合面缺陷(未熔舍夹渣) (b)金属丝错位
(c)孔洞 (d)冷焊
图1 电熔接头内部缺陷的类型1
PE管道热熔焊接接头的内部缺陷分为熔合面缺
陷、孑L洞、裂纹及工艺缺陷四大类。
1．2．2 PE接头的焊接缺陷检测方法
目前，PE管道焊接质量的检测方法为压力检测
法，该法只能检出大的焊接缺陷，不能检测较小的焊
接缺陷(如未焊透)，PE管因焊接质量导致的事故也
时有发生。因此，开展PE管焊缝缺陷检测技术的研
究对PE管的应用推广具有重要意义。
为采用无损检测手段替代破坏性试验进行PE管
道焊接质量的探伤，国内已进行了大量的试验研究，
并取得了实用成果。
中国特种设备检测研究院承担的“十一五”国家
科技支撑计划《生命线工程及特种设备安全保障关键
一一
(a)熔合面缺陷 (b)裂纹
(c)孔洞 (d)工艺缺陷(角度不对中)
图2 电熔接头内部缺陷的类型2
技术与工程示范》项目中，对热熔焊接接头和电容焊
接接头焊接质量的无损检测方法进行了试验研究。
研究成果表明：对电熔焊接接头采用超声相控阵动态
聚焦并结合B扫查成像技术，能够对焊接接头的质量
进行检测，对缺陷进行定位 。
1．2．2．1 超声相控阵聚焦技术
超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换
能器由多个相互独立的压电晶片在空间按一定方式
排列组成一个阵列，每个晶片称为一个阵元，当各阵
元以同一频率的信号进行激励时，其发出的声波是相
干的 ]。运用电子控制技术，使阵列中各阵元发射的
超声波叠加形成一个新的波阵面，在效果上相当于改
变了换能器的空间排列形式。同样，在反射波的接收
过程中，按一定规则和时序控制接收阵元信号并进行
信号合成，再将合成结果以适当形式显示，由此实现
了超声波声束的动态聚焦。
图3为相控阵时序控制和聚焦声场的示意图。
图3 相控阵时序控制和聚焦声场的示意图
由图3可知，采用相控阵电子聚焦得到的声束比
单探头细得多，使得超声波有足够的能量反射并被换
能器接收，并保证良好的分辨率和信噪比 I4 。
第i期 石秀山等：埋地聚乙烯管道安全检验 垫查垦 堡垒
图4为相控阵聚焦原理图。
蜘 舅
图4 相控阵聚焦原理图
1．2．2．2 电子线扫查和B扫查成像技术
如图5所示，试验使用的相控阵探头有96个阵
元，以相邻16个阵元作一组，如第1—16个阵元，通过
对1～16通道预设不同的延时值实现在位置1聚焦。
采用电子线扫查技术，可以依次实现2～17，3～18，
⋯
，8l～96各阵元在位置2，3，⋯ ，81的密排焦点聚
焦。通过记忆各焦点的位置信息和其反射波幅值，便
形成B扫查成像。
图5 电子线扫查原理图
1．2．2．3 超声相控阵动态聚焦及扫查成像技术检测
的精度
通过试验和剖开验证表明：研制的超声相控阵探
头对聚乙烯电熔接头进行检测的壁厚范围是6～30
mm，可以定位融合面缺陷定量与定位精度达0．5 film、
孔洞和气泡的定量与定位精度达1．0 ITIm、金属丝错位
的定位精度达0．5 mm，能够满足工程技术上的需
要[ 。
1．3 地下管网泄漏定位检测
PE燃气管网由于焊接缺陷、外力损伤、密封不严
而导致燃气泄漏。由于天然气质量较轻，从泄漏点喷
出后，会自然向上升起，并窜出地面。但由于回填物
密实度不均等原因，燃气窜出地面时不会垂直上升，
而是往土质疏松的地方“运动”。
燃气泄漏检测的方法很多，但对于PE管道来说，
最实用的办法是嗅敏仪法。嗅敏仪的精度可以达到
1 ppm(1 ppm=10 )．检测中，用甲烷含量来判断是
否存在泄漏，但需要排除周围干扰(如汽车尾气)、下
水道等地沟沼气产生的误报，所以需配合使用丙烷泄
漏检测仪来排除这些干扰。
2 PE管安全检测关键技术在某市PE燃气管网的应用
某市天然气中压管网全部采用PE管道。据了
解，由于该市的PE天然气管网在2004年的建设过程
中，存在一些比较严重的问题，这些都导致了管道的
安全质量难以控制，管理和运行风险提高。
为对该管网的整体质量和安全状况进行摸底，按
照国家对城市燃气管网的运行维护和检验的规范要
求，对全市中压PE管线进行了安全质量检验与评价，
主要工作如下：
(1)通过使用地质雷达系统和探管仪对管道位
置、埋深进行了测试，并对小区内位置不明的管道进
行了探明，管道埋深均满足CJJ63—2008的要求，且在
冻土层以下；使用雷达探查管道的图像如图6所示。
【1 1 9 4 ^ 6 7
(b)
图6 探地雷达进行PE管道探查的示意图
(2)通过资料审查发现，设计图和验收图存在一
些比较严重的问题，如管道线图周围缺少地物参照，
管线关键点无测量坐标，存在图纸与实际不符合的现
象，给管道的维抢修带来很大麻烦。
(3)为实现城市管网的电子化和可视化，便于管
理规划管网，对城区的管网(中压)采用动态GPS系统
进行了测绘，对所有干线、支线、阀井、调压箱(柜)进
行了三维坐标的测绘，同时对管线两侧各20 m内的地
物进行补充测绘，使管理单位更好地掌握管网的信
息。 (下转第28页)
Pipeline Technique and Equipment Jan． 20 1 1
信号调理和滤波，再由数据采集卡完成数据的采集。
使用VC++6．0编写了相应的软件来控制数据采集
卡，并显示数据采集卡采集到的数据。
图5 实验平台
4．2 实验结果与分析
氧化皮体积数与电压值的关系曲线如图6所示。
图6中，1个单位体积为526 lllm ．
图6 氧化皮与电压关系曲线
由关系曲线可知，随着氧化皮体积分数的增加，
电压值增大，而磁性敏感元件输出电压值经过差分处
理与AB 成正比例关系，所以随着氧化皮体积分数的
增加，AB 值增大，这与仿真结果是一致的。实验并
没有以氧化皮厚度作为横坐标测量电压值，因为在实
际检测过程中，少量的氧化皮在管道中分布并不均
匀，即使人工使氧化皮分布均匀，也会被传感器的磁
场吸到一起，改变氧化皮的分布。
综上所述，设计的传感器能够有效地检测出不锈
钢管内的氧化物。
5 结束语
文中在传感器设计过程中充分发挥了ANSYS仿
真结果的指导作用，实验结果证实了ANSYS仿真所得
到规律的正确性，依据仿真结果所设计的传感器能够
有效检测出不锈钢管道内的氧化物，灵敏度高，成本
低廉，并已经成功应用于电站检测中，能够有效减少
电站的损失。
参考文献：
[1] 李耀君．氧化皮脱落导致的过热器管爆管分析．热力发
电，2005(6)：56—59．
[2] 朱建臣，李云飞，王玉兴．奥氏体不锈钢管内壁氧化物脱
落原因分析及检测方法探讨．电力设备，2008(2)：58一
60．
[3] 刘春鑫，费跃农，汪洋．仿真研究在低频涡流探伤中的应
用．计算机仿真，2006(2)：297—301．
作者简介：许立宾(1984一)，硕士研究生，主要研究方向为信号
检测理论与技术、无损检测。
(上接第25页)
(4)钢质管道焊口质量的抽查检测。城市管网
中，在中压PE管出地前使用钢塑转换接头变成钢管
后出地到调压箱(柜)，这些支线直径≤DN100，其焊
接质量难以控制，检测了68个钢塑转换接头的质量
(焊接、防腐、壁厚)，发现多达44条焊缝存在超标缺
陷，并且有2处焊缝有砂眼泄漏。
(5)对管网进行了打孔泄漏检测，如果甲烷含量
异常，则加密打孔，进一步检测。该次检测采用燃气
管网综合检测仪，有甲烷型和丙烷型两种，检测时两
种仪器的检测结果相互验证，以排除其他干扰产生的
误报警。进行开挖验证，有5处泄漏点。对阀井内的
可燃气体检测发现13处泄漏，其中严重泄漏的有2
处，其他11个阀井有轻微泄漏。
3 结束语
PE管道的安全检验是管道检验领域的一个难题。
文中介绍了PE管道检验最新的科研成果，应用这些
检测和评价技术，解决了PE管道检验问题，为城市
PE燃气管道的安全提供了科学的检验方法体系。工
程应用证明：该检验方法体系是可行的，能解决PE燃
气管道的主要安全问题，为今后PE管道的检验提供
了创新的思路，具有很好的推广应用价值。
参考文献：
[1] 中国特种设备检测研究院等9个单位．“十一·五”国家
科技支撑计划项目O1课题《生命线工程安全保障关键
技术研究及工程示范》(2006BAK02BOI)研究报告．
[2] 丁守宝，郭伟灿，郑津洋．聚乙烯管道电熔接头超声检测．
无损检测，2008，30(5)：267—269．
[3] 刘晨，祖庆夕．超声数字式相控阵换能器动态聚集系统研
制．应用声学，2000，19(6)：14—18．
[4] ROSE j L．Ultrasonic Waves in Solid Media．U K：Cambridge
University Press，1999．
作者简介：石秀山(1978一)，工程师，从事压力管道检验研究工
作。

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