PE80 和PE100 聚乙烯燃气管的比较
PE80 和PE100 聚乙烯燃气管的比较
一、 前言
玉林市天然气利用工程采用天然气为气源, 城区中压管网设计压力为0.2～0.4 Mpa, 根据城镇燃气输送压力分级, 属于中压A 级。
由于聚乙烯燃气管具有良好的柔韧性和耐腐蚀性, 同时重量轻、施工方便、寿命长、投资小、管道的气密性较好、管道表面光滑、输送流体阻力小等优越性能,玉林市中压管网采用了大量材质为PE100 聚乙烯管。由于国内应用的聚乙烯燃气管大部分为PE80, 而PE100 的应用还比较少,现就PE80 和PE100 聚乙烯燃气管进行比较, 分析玉林市天然气
管道选用PE100 聚乙烯管的原因。
二、PE80 与PE100 聚乙烯燃气管的比较分析
( 一) 聚乙烯燃气管发展简史
聚乙烯管习惯上按照密度分为低密度及线型低密度聚乙烯( LDPE 及LLDPE) 管( 密度为0.900～0.930g/cm3) , 中密度聚乙烯(MDPE) 管( 密度为0.930～0.940g/cm3) 和高密度聚乙烯(HDPE) 管( 密度为0.940‐ 0.965g/cm3) 。由于材料的不断进步,根据发展阶段和性能的不同, 产生了材料的等级分化, 密度不能反映聚乙烯作为管材的本质性能, 因此目前国际上根据聚乙烯管的长期静液压强度(MRS) 对管材及其原料进行分类和命名。长期静液压强度是指连续施加在该聚乙烯树脂制管管壁上50 年时引起管材破坏时所计算的在管壁上的环向张应力, 该值是管材结构设计的基础。聚乙
烯管的工程设计概念与金属管不同, 对于金属管的设计, 广泛的使用环境温度下的屈服强度系数。而聚乙烯管与金属管不同, 它受持续应力及温度变化的影响, 因此聚乙烯管的设计应力应根据长期强度来决定, 即通过绘制恒温下应力与破坏时间的曲线来确定。根据聚乙烯管的长期静液压强度(MRS) , 国际上将聚乙烯管材料分为PE32、PE40、PE63、PE80 和PE100 五个等级。
( 二)PE80 与PE100 聚乙烯燃气管结构和混配料的比较
目前国际上使用量最大的管材树脂的MRS 值为8.0MPa(PE80 级),其树脂共聚单体含量比较高, 具有较高的长期静液压强度和耐环境应力开裂性能。而MRS 值为10MPa(PE100级)的管材树脂具有双峰型分子分布、己烯共聚物, 具有较高的密度和刚度, 很强的蠕变抵抗能力, 在提高长期静液压强度的同时, 也提高了耐慢速裂纹增长和耐快速开裂扩展性能, 并具有良好的加工性, 为提高管网输送压力、增大管道口径、扩大管道应用范围创造了条件。目前PE100 的管材使用量, 特
别是在大口径管材上的用量, 正在迅速上升。PE80 与PE100聚乙烯燃气管混配料的最低要求强度见表1:
表1 聚乙烯燃气管混配料的分类
( 三)PE80 与PE100 聚乙烯燃气管的最大允许应力的比较
根据国标《燃气用埋地聚乙烯( PE) 管道系统第1 部分: 管材》GB15558.1‐ 2003 中3.24 规定条件下的允许应力, 按下式
计算: σt=MDS/C
式中:MDS—— 最小要求强度(MPa);
C—— 总体使用( 设计) 系数, 燃气用埋地聚乙烯管道系
统的总体使用( 设计) 系统C≥2;
因此, PE80 和PE100 聚乙烯燃气管的最大允许工作压力就分别获得, 见表3。
由表2 中PE80 和PE100 的最低要求强度获得:
对于PE80 级: SDR11 系列管道σt=8.0 /2=4MPa,
对于PE100 级: SDR11 系列管道P=10.0 /2=5MPa。
( 四) PE80 与PE100 聚乙烯燃气管的最大允许工作压力的比较 根据国家强制性行业规范《聚乙烯燃气管道工程技术规程》CJJ‐ 95 条文说明1.0.2 中国际上对聚乙烯燃气管道承压
能力一般按下式计算:
P=2σ/[Fd(SDR‐ 1)]
式中: P—— 工作压力(MPa);
Fd—— 设计系数( 安全系数) 。燃气管选取范围为2～5, 一
般选Fd=4.0;
SDR—— 标准尺寸比, 即公称外径与壁厚之比, 国家标准
中规定有SDR11 和SDR17.6。
由表2 中PE80 和PE100 的最低要求强度获得:
对于PE80 级: SDR11 系列管道P =2 ×8.0 /4 ×(11 ‐ 1)=0.4Mpa; SDR17.6 系列管道P=2×8.0 /4×(17.6‐ 1)=0.24MPa;
对于PE100 级: SDR11 系列管道P=2×10.0 /4×(11‐ 1)=0.5Mpa;
SDR17.6 系列管道P=2×10.0 /4×(17.6‐ 1)=0.30MPa。
因此, PE80 和PE100 聚乙烯燃气管道的最大允许工作
压力见表2:
表2 PE80 和PE100 聚乙烯燃气管道的最大允许工作压力
( 五) PE80 与PE100 聚乙烯燃气管不同温度下的最大允许工作压力的比较
国家强制性行业规范《聚乙烯燃气管道工程技术规程》CJJ‐ 95 条文2.1.4 中: 聚乙烯燃气管使用压力确定是根据管材在20℃( 或23℃) 时长期强度确定, 由于聚乙烯管道对温度较为敏感, 在较高温度下其耐压强度就要降低, 为了保证聚乙烯管道的安全性就要降低使用压力。在较低的温度下使用时,管材的脆性破坏可能性提高, 而裂纹扩展速度是与管材使用时的应用成正比的, 因此也应降压使用。由于玉林市地处我国南方地区, 燃气管道工作温度在20℃～30℃, 其允许工作压力数值是根据中国建筑工业出版社出版的《塑料管道工程设计与施工》介绍的在30℃工作温度下, 允许工作压力为20℃的65%确定, 因此分别得出PE80 和PE100 聚乙烯燃气管道在这一温度的最大允许工作压力, 见表3:
( 六) PE80 和PE100 聚乙烯燃气管性能指标的比较
目前, 国标《燃气用埋地聚乙烯( PE) 管道系统第1 部分: 管材》GB15558.1‐ 2003 对PE80 和PE100 聚乙烯管的力学性进行了明确规定, 见表4:
三、玉林市天然气管道选用PE100 聚乙烯管的原因
玉林市位于广西东南部, 年平均气温21.6℃～22.5℃, 所以聚乙烯管道工作温度在20℃～30℃范围内。玉林市天然气利用工程采用天然气为气源, 城区中压管网设计压力为0.2Mpa～0.4Mpa。聚乙烯管材有如下两个方案选择:
方案一: 选用PE80 聚乙烯管, 根据表3 得到城区中压管网压力最大为0.2MPa( SDR11 系列) , 其运营压力较低, 必会
大幅增加运营成本。
方案二: 选用PE100 聚乙烯管, 根据表3 得到城区中压管网压力最大为0.3MPa( SDR11 系列) , 其运营压力较高, 运
营成本较为合理。
由于PE100 比PE80 的管材价格高5%, 但相同条件下,流量与压力成正比, 即方案二所供应的用户是方案一的1.5倍, 所以其运营成本比方案一低, 并且PE100 的管材给将来管网的发展留有很大的余地, 方案二优于方案一, 所以选择方
案二( 即选用PE100 管材) 。
四、PE100 聚乙烯燃气管的应用
PE100 聚乙烯燃气管在国外已得到了广泛的应用, 在使用压力和管径上都比PE80 高出一截, 使投资和运营成本更低。欧洲各国在PE100 级聚乙烯燃气管道实际使用压力, 见表5。由于PE100 聚乙烯管技术的应用, 国外正在尝试将SDR11 的聚乙烯燃气管的使用压力提高到1.0Mpa。
PE100 聚乙烯燃气管在国内各城市应用还比较少, 这是由于
PE100 聚乙烯燃气管材及管件还未能实行国产化, 并且还未制定出PE100 聚乙烯燃气管的专门规范。但PE100 聚乙烯管以其优越的性能, 必会得到迅速发展。
五、结语
随着“西气东输”工程的深化和沿海各省LNG 工程的逐步实施, PE100 聚乙烯燃气管将会迅速发展, 使聚乙烯管材得到更广泛的应用。
材料的等级由材料由它的MRS决定。
MRS是指连续施加在该管道壁上50年时，引起管材破裂时，所计算
的管壁上的环向张应力。
不同等级的管材具有不同的MRS。
材料等级 MRS （50年，20℃）Mpa
PE100 10
PE80 8
PE63 6.3
PE管按材质分PE80和PE100两种，按壁厚又分
为SDR11（厚壁）系列和SDR17.6（薄壁）系列。
一般来讲，DN90以下的管子选用PE80 SDR11系
列的，DN90以上的管子选用PE100 SDR17.6的。