利用PE管内衬修复城市天然气在用钢管的探讨

 城市天然气在用钢管中，运行二、三十年的管道占有一定比例，其中相当一部分已老化或带隐患运行，对其进行修复和替换势在必行。由于大多数城市天然气钢管沿城市道路敷设，随着道路改造拓宽，有些已在车行道下，采用开挖取出旧管道报废，再埋人新管道的方式，如不是随道路改造同时施工，则不仅投资高，而且对城市交通及环境都将带来不利影响。在一些重要地点，基本上不可能进行大型开挖。因此，探讨新的管道修复技术具有相当的紧迫性和重要意义。

    较适合城市天然气在用钢管修复的新方法，主要有5种：软管翻转内衬法，牵引－固化法、PE管加热缩径膨胀内衬法、U形PE管内衬法、PE管穿插法^［1］。考虑到国内城市天然气行业的技术基础和施工条件，本文仅对PE管穿插法进行探讨。

1 PE管穿插技术介绍

1.1 工艺简介

    该方法是将一根管径比旧钢管稍小的新PE管穿插在旧钢管中，替代旧管供气，旧管作为套管使用的一种旧管修复方法。本技术工艺见图1。

    该法工艺较简单，较易操作，但由于插入的新PE管管径比旧钢管要小，同等输气压力下，修复后管线的输气能力有所降低，该法的应用也因此受到限制。
1.2 关键技术

    PE管穿插技术的关键主要在两方面：即旧管内壁的处理和穿插过程中PE管外表面的保护。

    (1) 旧管内壁的处理

    为防止穿管时在旧管内划伤PE管，穿管前必须对旧管内壁进行处理。旧管内壁的处理一般包括：清洗、打磨、吹扫和检查。

    考虑到城市天然气管道内壁腐蚀小，管内积垢远比油气田管道和人工煤气管道的少，且分段清洗的管道较短，采用一般的拉镗方式即可清出管道的积垢，满足穿管要求。管道内壁的焊瘤、焊刺等采用带有金属刮刀的拉镗设备进行拉镗，实现管道内壁的打磨，以达到穿管要求。

    经拉镗处理后的管道，用压缩空气吹净管内杂物，然后进行内窥检查，主要检查是否有未清理的焊瘤、焊刺及积垢等，检查合格，方可进行试穿。

    (2) PE管外表面的保护

    由于PE管具有应力开裂特性，当管表面被刮伤后，就可能导致开裂及开裂的慢速增长，从而缩短管道使用寿命甚至发生爆管事故。因此，PE管穿插技术的关键是保证在穿管过程中，PE管的外表面不被划伤。参照国外标准，PE管外表面的划伤深度不得大于管道壁厚的10%，可采取以下措施来给予保证：

    ① 旧管内壁处理(前述，略)；

    ② 插入施工时，必须在旧管插入端加上一个硬度比插入管小的漏斗形导滑口；

③ 试穿，在正式插入前应先拖过一根长4m左右与插入管同径的PE管，检查旧管对试穿后的PE管外表面的损伤情况，若发现有超过规定的划伤现象，则应重新对旧管内壁进行处理，直到试穿合格。
1.3 施工工艺

    PE管穿插施工工艺如下:

(1) 安装拉绳，用鼓风机将风帽由发射坑吹至接收坑，利用风帽把细线穿过钢管，再用细线把尼龙拉绳由接收坑拉至发射坑；

    (2) 镗管，用拉绳牵引镗管设备进行镗管；

    (3) 旧管吹扫，用压缩空气吹扫旧管；

    (4) 内窥检查，用摄像探头在旧管内进行内窥，从电视上对管内进行检查；

    (5) 试穿PE管，先将一根4～5m长的与插入管同管径的PE管用拉绳拉过旧管，检查PE管外壁损伤情况，如损伤深度超标，应对旧管进行内壁清理，直至试穿合格；

    (6) 焊接待穿的PE管，并进行强度试验和气密性试验，合格后待穿；

    (7) PE管穿插，用拉绳牵引待穿PE管穿过钢管；

    (8) 用水泥等填缝材料密封各管段端口与PE管间环形空间；

    (9) 完成全线穿插，分段穿插施工完成后，在操作坑内将各段PE管相互焊接；

(10) 吹扫试压，对穿插PE管进行全线吹扫和强度试验、气密性试验^［2］；

(11) 回填，用细沙回填操作坑，再用泥土回填至地面。

PE管穿插工艺主要设备如下：

    (1) 鼓风机．：其功率应能将风帽从发射坑吹至接收坑

    (2) 镗管设备：安装有刮刀的镗管器，能打下旧管内的焊瘤及毛刺；

    (3) 内窥装置：主要包括摄像探头及探灯，二者用拖架固定，防止在旧管内拖动时翻滚、磨损；

    (4) 彩色电视机：接收摄像镜头传来的信号，并将其转变为图象，显示旧管内的检查情况；

    (5) PE管封头．该装置用于拖动PE管内穿钢管，一端为PE管，另一端为带铁环的钢制封头，用于固定拉绳；

    (6) PE焊机：PE管焊机分为电熔焊机和对接焊机。

2 PE管穿插技术的实施方案

2.1 前期准备

前期准备工作一般包括管线的资料查阅和现场踏勘等管线调查工作。通过查阅管线的竣工资料，调查气源及输供气负荷变化情况以及现场踏勘，明确管线的管位、管径、支管等情况；了解管线所处地理环境状况，如沿线建筑布置、人流车流、地下障碍、相邻管线等；了解管线的气源变化、负荷变化情况；确定该管线是否采用PE管穿插技术进行修复，并作好穿插的前期准备工作。
2.2 穿管方案的制定

由于PE管穿插工艺只能在直管段进行，制定穿管方案的重点应放在分段实施、发射抗、接收坑的确定。

    按照《聚乙烯燃气管道工程技术规程》(CJJ63—95)第5.3.5条的规定，“插入管采用拖管法施工时，拉力不得大于管材屈服拉伸强度的50%”^［3］。PE80聚乙烯材料的屈服拉伸强度6。一般约19MPa，材料密度μ不小930kg/m³，经计算可得穿插时，插入管长度不得大于900m(按10%的富裕量计)。

    分段实施方案、发射坑、接收坑的确定，在满足插入管长度规定的前提下应根据管道弯头、支管、临时供气方案等确定。

  　穿管方案应汇同生产调度部门，制定相应的停气动火作业方案和临时供气方案。

    穿管方案应制定必要的应急方案，为施工中可能出现的故障作好准备。

3 PE管穿插技术的社会和经济效益

    PE管穿插技术与传统的开挖更换旧管方式相比，大大减少了开挖土方量；且开挖点可尽量避开沿线通道、人流密集处、电话亭等，缩短了旧管修复工期，极大地减少了管道修复工程对城市交通及环境的影响，有利于安全平稳地输供气，具有良好的社会效益。

    燃气管道工程施工主要包括人工费、材料费、机械费、道路赔偿费、土方开挖费等。大面积开挖造成的市政赔偿费用在不断升高。采用PE管穿插技术对降低工程造价，提高经济效益效果显著。费用降低的主要方面是减少了土方开挖费、市政赔偿费。从成都市已成功实施的采用PE管穿插来改造旧钢管的案例来看，该技术具有良好的经济效益，详见表1及表2。

4 PE管穿插技术的应用范围

    由于插入管管径比旧管小，一般插入管直径最大不得超过原管径的90%。根据钢管和PE管的规格，PE穿插管最大规格见表3。如果当地地下温度大于0℃，由于插入管与旧管间的环形空间如有积水也不会结冰，则插入管的管径无最小规定。因内窥装置只能进入D159以上的管道，故旧管的最小规格为D159。

表3　PE穿插管最大规格

注：括号内为非常用规格PE管及其计算流量

由表3可见，穿插后的管线在同等输气压力下输气量将小于原有管线。

中压钢管和PE管的水力计算公式如下：

 P₁²－P₁²/L=1.4×109(K/d+192.2d γ/Q)0.25Q²/d⁵×ρ×T/T₀    (1)

式中  L～燃气管道的计算长度，km； 

          Q～燃气管道的计算流量，m³/h；

          d一管道内径，mm：

          p一燃气的密度，kg/m³

            γ一0℃和101.325kPa时燃气的运动粘度，m²/s 

          K一管壁内表面的当量绝对粗糙度，对于钢管取0.2mm，对于PE管取0.01mm^[4]。

由公式(1)可得，旧管与PE穿插管在同等压力平方差，相同气质下，其管径与流量的关系如下：

  (0.2/d₁+192.2 d₁ γ/Q₁)^0.25Q₁²/d₁⁵＝(0.01/d₂+192.2 d₂ γ/Q₂)^0.25Q₂²/d₂⁵    (2)

    式中“1”——旧管参数；

脚标“2”——PE管参数。

为直观显示穿插前后管线流通能力的变化，在城市天然气中压管线运行压力范围内结合常用的钢管和PE管规格，设定两组参数进行水力计算，结果见表4。

表4 被穿钢管与PE穿插管流通能力比较

    在表4中，采用常用规格PE管穿插后，其流通能力为原管线的40%～50%左右。实际工程中，如需要提高穿插后管线的流通能力，也可按表3采用非常用规格 PE管进行穿插，穿插后管线的流通能力可提高到原管线的55%～65%左右。

    鉴于PE管穿插后管线的流通能力有较大的下降，该工艺一般用在随着城市管网的发展，气源的变化，原有大口径管线所带负荷下降，经PE管穿插修复，管线管径缩小后，仍能满足正常输供气的管线。PE管穿插技术在城市天然气钢管修复中虽然不可能广泛应用，但仍有一定的应用空间。

5 PE管穿插技术的应用前景

    在国内由于气源的变化及管网的发展，“PE管穿插在用燃气管道修复技术”将是一种旧管改造的有效方式之一。随着西气东输和俄气南输，国内许多城市将由人工煤气转换为天然气，这种由低热值气源向高热值气源的转换的管网改造、旧管修复，由于允许管径缩小，将为PE管穿插技术提供更大的应用空间