Comprehensive inspection method for urban buried PE gas pipelines

1. Обзор комплексного обследования полиэтиленовых газопроводов

В настоящее время полиэтиленовые трубопроводы широко используются при строительстве городских подземных газопроводов. Газопроводы с рабочим давлением ≤0,8 МПа могут использовать полиэтиленовые трубопроводы. Согласно Закону о безопасности специального оборудования, эксплуатируемые напорные трубопроводы должны проходить комплексную проверку. Комплексная проверка городских полиэтиленовых газопроводов может осуществляться в соответствии с TSG D7004-2010 «Правилами периодического осмотра напорных трубопроводов - трубопроводов общего пользования», но в них изложены только общие положения. В некоторых регионах изданы эксплуатационные местные стандарты, основанные на местных фактических условиях. Согласно соответствующим положениям шанхайского местного стандарта DB31/T 1162-2019 «Технические правила периодического осмотра газопроводов из полиэтилена», в дополнение к общим трудностям осмотра существуют также следующие уникальные технические трудности для комплексного осмотра газопроводов из полиэтилена:

1.1 Трудность обнаружения утечек

Поскольку просочившийся газ будет течь вверх по рыхлой структуре грунта, он может распространиться в близлежащие канавы, подвалы и подземные здания (сооружения). Поэтому довольно сложно точно определить место утечки при обнаружении утечки в определенной области, которая не является фактической утечкой газа.

1.2 Трудность позиционирования и обнаружения

Из-за конструкции и установки без устройств трассировки или маркировки маршрута для трубопровода, газопровод из полиэтилена необходимо отслеживать и снова определять его местоположение в процессе осмотра трубопровода. Кроме того, из-за характера изоляции трубопровода из полиэтилена невозможно напрямую подавать сигналы для обнаружения и определения глубины залегания.

1.3 Механизм отказа неизвестен

Хотя ПЭ трубы для газа обладают превосходными свойствами, такими как малый вес, простота сварки, высокая коррозионная стойкость, длительный срок службы трубы, хорошая гибкость и низкое сопротивление трению, ПЭ трубы для газа, фитинги для труб, клапаны, фланцы и т. д. могут быть составлены из полностью соответствующих единиц согласно соответствующим стандартам, но ПЭ трубы для газа не использовались в течение длительного времени, и трудно гарантировать, что их можно эффективно контролировать во время транспортировки, строительства, монтажа и последующего управления. Обычно эти неблагоприятные факторы также оказывают неблагоприятное воздействие на всю систему ПЭ трубопроводов для газа.

2. Требования к комплексной проверке

В соответствии с уникальными свойствами газопроводов PE и характеристиками комплексной инспекции, пункты комплексной инспекции газопроводов PE в основном включают обзор данных, макроинспекцию, прямую инспекцию выемки грунта и оценку риска.

2.1 Обзор данных

Комплексная инспекция обычно требует сбора следующих данных анализа: данные по управлению безопасностью, проектные данные, данные о приемке завершения, данные о состоянии эксплуатации трубопровода, регулярные отчеты о инспекциях в течение цикла эксплуатации и последний отчет о комплексной инспекции и т. д.

2.2 Макроинспекция

Основные пункты макроинспекции газопроводов PE включают: проверку утечки на землю, местоположение и направление, проверку отметки на земле, проверку системы трассировки трубопровода, проверку участка пересекающейся трубы, проверку скважины клапана и проверку других компонентов трубопровода. Среди них обследование поверхности окружающей среды вдоль трубопровода в основном проверяет наличие оккупации, воздействия трубопровода, строительства третьих лиц, неблагоприятных геологических условий окружающей среды, биологического вторжения и т. д.

2.3 Прямой осмотр котлована

Основные пункты прямого осмотра котлована включают: проверку качества укладки трубопровода (глубина залегания трубопровода, качество укладки системы трассировки и предупреждающих знаков, качество укладки фундамента трубы, биологическое вторжение и температура среды укладки и т. д.) и проверку состояния тела трубы (общее качество тела трубы, измерение толщины стенки, внешний вид сварных соединений и неразрушающий контроль качества сварки и т. д.), а также, при необходимости, отбор проб для испытаний физических и химических характеристик, таких как гидростатическая прочность, устойчивость к медленному росту трещин, удлинение при разрыве и время индукции окисления.

2.4 Оценка риска

Оценка риска проводит оценку уровня риска на газопроводах из полиэтилена на основе следующих данных с точки зрения возможности отказа и последствий отказа. В основном это включает в себя исследование данных по проектированию, завершению, состоянию эксплуатации и управлению безопасностью, данные макроинспекции и прямой инспекции выемки грунта, характеристики среды, возможные опасности, вызванные утечкой и т. д.

3. Принятые технические меры

3.1 Обнаружение и позиционирование трубопровода

Технология позиционирования трубопровода ПЭ (слабомагнитный метод, электромагнитный метод) обычно используется для определения глубины залегания и направления трубопровода. Согласно 6.3.4 CJJ63-2018 «Технический стандарт проектирования полиэтиленовых газопроводов», прокладка и установка трассировочных проводов, предупреждающих лент, наземных знаков и защитных пластин должны соответствовать следующим положениям: трассировочный провод должен быть проложен непосредственно над полиэтиленовым газопроводом и должен иметь хорошую проводимость и эффективное электрическое соединение. На трассировочном проводе должен быть установлен источник сигнала. Обычно трассировочный провод прокладывается близко к трубопроводу. Трассорный провод должен иметь металлическую проводимость и внешнюю изоляцию, и он должен иметь определенную прочность. Клапанный колодец должен быть полностью использован для установки источника сигнала, а тестовая линия должна быть зарезервирована. Позиционирование трубопровода с использованием метода трассировки показано на рисунке 1.

При установке газопроводов PE прокладка трассирующих устройств должна осуществляться в соответствии с соответствующими стандартами и спецификациями. Однако из-за некоторых факторов металлическая трассирующая линия не была проложена так, как требуется, или металлическая трассирующая линия не была подключена или вышла из строя из-за более позднего строительства третьей стороной, и позднее обнаружение часто добавляло много препятствий из-за этих неблагоприятных факторов. Обычно используемые методы обнаружения газопроводов PE включают метод георадара, электромагнитный метод, слабомагнитный метод и метод звуковой волны. Для газопроводов PE с проложенными трассирующими линиями в основном используется электромагнитный метод, а для газопроводов PE без проложенных трассирующих линий в основном используются метод георадара, метод звуковой волны и слабомагнитный метод.

Хотя слабомагнитный метод не так распространен, как георадар в практическом применении, он был проверен много раз и все еще имеет определенную степень надежности при обнаружении и позиционировании газопроводов PE. Конечно, технология обнаружения газопроводов ПЭ гораздо менее зрелая, чем технология оборудования для обнаружения стальных труб в исследовании приборов и оборудования, но, используя различные приборы в сочетании, рационально используя преимущества различных методов обнаружения и приборов, а также используя их сильные стороны и избегая их слабых сторон, можно эффективно повысить точность позиционирования газопроводов ПЭ. На рисунке 2 представлена принципиальная схема слабомагнитного метода обнаружения газопроводов ПЭ.

3.2 Проверка на утечку

Используйте измеритель утечки горючего газа на основе метода анализа среды для исследования утечки газопроводов ПЭ. В зависимости от возможных мест утечки, в основном проверяйте утечку компонентов трубопровода и соединительных соединений. Сосредоточьтесь на точках воздействия геологической катастрофы, где из трубопровода, проходящего через поверхность воды, выходят пузырьки, открытые участки трубопровода, вызванные строительством, звуки утечки газа, аномально увядшую растительность и аномальные запахи. При необходимости проверьте люки, траншеи и подземные сооружения, где может распространяться газ. Поскольку газопровод ПЭ проложен под землей, в случае утечки выполняется обнаружение бурением грунта в предполагаемом диапазоне утечки, и точка утечки постепенно блокируется в соответствии с концентрацией утечки. Обнаружение утечки на месте показано на рисунке 3.

3.3 Неразрушающий контроль сварных соединений газопроводов из ПЭ

3.3.1 Распространенные типы сварных соединений

Основными методами соединения газопроводов из ПЭ являются сварка расплавом и электросварка плавлением. Соединение газопроводов из ПЭ является важным звеном для обеспечения целостности конструкции газопровода и безопасной эксплуатации. Качество сварных соединений напрямую связано с безопасностью эксплуатации трубопровода.

3.3.2 Распространенные типы дефектов сварных соединений

Основными типами дефектов сварных соединений труб из ПЭ являются: отверстия, включения на поверхности сплавления, холодная сварка, пересварка, несоосность проволоки сопротивления и отказ раструба трубы. Причины каждого дефекта различны, и поиск первопричины очень полезен для улучшения контроля качества строительства. Существует много причин появления отверстий, включая отверстия, образующиеся при изготовлении труб и фитингов перед сваркой; поры, образующиеся под действием пара из-за влаги материала или включений масла на поверхности сварки во время сварки; и отверстия от усадки при охлаждении, образующиеся после сварки, как показано на рисунке 4.

Дефект включения поверхности сварки в основном вызван нестандартными условиями строительства на строительной площадке, такими как не очищенная окалина, неочищенная поверхность сварки и загрязнение электросварных муфт, как показано на рисунке 5. Дефекты холодной сварки вызваны недостаточным нагревом сварки, таким как недостаточное время сварки, чрезмерный зазор между трубами и фитингами и отключение электроэнергии на строительной площадке, как показано на рисунке 6.

Пересварка, напротив, является дефектом, вызванным чрезмерной энергией сварки, как правило, из-за слишком длительного времени нагрева, слишком высокого напряжения, слишком плотного прилегания труб к фитингам и т. д., как показано на рисунке 7. Несоосность резистивной проволоки обычно возникает вместе с дефектами пересварки, как правило, из-за чрезмерной текучести материала, как показано на рисунке 8. Разрушение раструба трубы является искусственным дефектом, в основном вызванным неправильной работой сварщика, как показано на рисунке 9.

3.3.3 Фазированная решетка для обнаружения сварных соединений

В настоящее время технология обнаружения на месте для качества сварных соединений полиэтиленового газопровода горячим расплавом представляет собой технологию ультразвукового обнаружения с фокусировкой, а технология обнаружения на месте для качества сварных соединений полиэтиленового газопровода электроплавлением обычно использует динамическую фокусировку ультразвуковой фазированной решетки в сочетании с технологией визуализации B-сканирования.

Метод ультразвуковой дефектоскопии фазированной решеткой для электроплавления сварных соединений выполняется в соответствии с GB/T 29461-2012 «Ультразвуковой контроль электроплавленых соединений полиэтиленовых труб». После ультразвуковой дефектоскопии проводится оценка безопасности в соответствии с GB/T 29460-2012 «Оценка безопасности дефектных электроплавленых соединений полиэтиленовых труб».

В настоящее время в стране не выпущены соответствующие стандарты и спецификации для ультразвукового контроля сварных соединений горячим расплавом. Шанхайский институт специального контроля взял на себя инициативу по разработке местного стандарта DB31/T1058-2017 «Ультразвуковой контроль сварных соединений полиэтиленовых (ПЭ) труб для газа с фазовым контролем», который обеспечивает метод ультразвукового контроля сварных соединений полиэтиленовых трубопроводов с горячим расплавом и стандарты оценки пустот, включений и непроваренных соединений, которые могут стать основой для оценки безопасности.

3.4 Физические и химические испытания газопроводов и сварных соединений из ПЭ

Комплексная проверка газопроводов из ПЭ представляет собой проверку эксплуатируемых трубопроводов на основе оценки рисков. Поскольку газопроводы из ПЭ долгое время находятся под землей, неизвестно, вызовет ли географическая среда изменения их физических и химических свойств. Они должны быть подтверждены техническими средствами комплексной проверки. Физические и химические испытания являются техническим средством обеспечения внутренней безопасности подземных газопроводов из ПЭ при комплексной проверке. Образцы в основном подвергаются гидростатическому испытанию на прочность, испытанию на сопротивление медленному росту трещин, испытанию на удлинение при разрыве и испытанию на время индукции окисления. Комплексные показатели производительности существующих подземных газопроводов из полиэтилена могут быть проанализированы путем отбора проб.

Испытание на гидростатическую прочность проводится в соответствии с соответствующими требованиями GB/T 6111-2018 «Определение сопротивления внутреннему давлению термопластичных трубных систем для транспортировки жидкостей». Температура испытания составляет 80 °C, а окружное напряжение составляет 4,5 МПа (PE80) и 5,4 МПа (PE100), что позволяет оценить механические свойства трубы.

Если номинальная толщина стенки трубы превышает 5 мм, испытание на сопротивление медленному росту трещин проводится в соответствии с требованиями GB/T 18476-2019 «Определение сопротивления росту трещин полиолефиновых труб для транспортировки жидкостей - Метод испытания на медленное развитие трещин (испытание надрезом)». Температура испытания составляет 80 °C, а окружное напряжение составляет 4,0 МПа (PE80) и 4,6 МПа (PE100), что позволяет проверить время повреждения трубопровода и оценить уровень.

Испытание на удлинение при разрыве должно проводиться в соответствии с GB/T 8804.3-2003 «Определение свойств растяжения термопластичных труб. Часть 3: Полиолефиновые трубы», GB/T 19810-2005 «Определение прочности на растяжение и вида разрушения стыковых соединений полиэтиленовых (ПЭ) труб и фитингов с помощью горячего расплава» и GB/T 19808-2005 «Испытание на отрыв при растяжении полиэтиленовых электросварных узлов с номинальным наружным диаметром больше или равным 90 мм для пластиковых труб и фитингов».

Испытание на время индукции окисления проводится в соответствии с требованиями GB/T 19466.6-2009 «Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) для пластмасс. Часть 6: Определение времени индукции окисления (изотермический OIT) и температуры индукции окисления (динамический OIT)». Температура испытания составляет 200 ℃, что позволяет частично оценить антивозрастные характеристики трубопровода.

3.5 Оценка риска газопровода PE

Хотя национальный стандарт оценки риска газопровода PE еще не сформулирован, некоторые учреждения предложили методы оценки риска возможности отказа и последствий отказа газопровода PE на основе анализа причин отказов городских аварий газопроводов PE. Ссылаясь на принцип оценки риска, в условиях фактической среды использования уровень риска газопровода PE всесторонне оценивается с двух сторон: возможности отказа и последствий отказа. Это полуколичественный метод оценки риска, который полностью применим к газопроводу PE.

Метод качественного анализа дерева решений используется для определения оценки вероятности отказа в соответствии с весом каждого фактора, а оценка последствий отказа определяется методом иерархического анализа на основе комплексных последствий отказа. Окончательное значение риска является произведением последствий отказа и возможности отказа, и уровень риска оценивается соответствующим образом.

4. Инженерная практика

Используя вышеупомянутый метод проверки и испытания газопровода ПЭ, был сформулирован подробный план проверки в соответствии с фактическими характеристиками определенного проекта, и была проведена комплексная проверка. В ходе проверки были обнаружены такие проблемы, как отказ системы трассировки, недостаточная глубина залегания некоторых участков трубы и незаконное занятие. Внешний осмотр места раскопок был квалифицирован. Кроме того, сварные соединения трубопровода были отобраны для неразрушающего испытания с фазированной решеткой, а образцы были подвергнуты гидростатическому испытанию, испытанию на отрыв при растяжении и испытанию на термическую стабильность, и все результаты испытаний были квалифицированы.

5. Заключение

Городской газопровод PE с расчетным давлением более 0,1 МПа является напорным трубопроводом. Будь то из соображений безопасной эксплуатации или требований соответствующих законов и правил, эксплуатируемый газопровод PE должен быть полностью проверен, но национальная система стандартов для комплексной проверки газопроводов PE еще не выпущена. В этой статье основное внимание уделяется техническим трудностям и ключевым моментам, таким как сложность обнаружения позиционирования, сложность обнаружения утечек и неясный механизм отказа, а также обсуждается метод комплексной проверки газопроводов PE, основанный на принципах и технических средствах обычно используемых на месте инспекционных и испытательных приборов и оборудования. Вопрос о том, пригоден ли этот метод для использования, еще предстоит обсудить и проверить. В то же время есть надежда, что регулярные стандарты проверки для газопроводов PE могут быть выпущены как можно скорее, что будет способствовать более быстрой и эффективной комплексной инспекционной работе и обеспечит безопасную эксплуатацию газопроводов PE.