摘　要：分析建立及实施严格的燃气用PE管道物料（PE混配料、PE管材、PE管件）技术标准、制定供应商质量评审规范、进货检测结果的有效性评估的必要性。通过分析PE电熔焊接工具要求、关键环节、PE电熔能量与环境温度的关系，提出不同环境温度下PE电熔能量范围。

关键词：聚乙烯燃气管道；电熔接口；PE电熔能量；品质管理

参考文献示例：

金颂勤. 聚乙烯燃气管道质量管理实践与分析［J］. 煤气与热力，2024，44（9）：A37-A42.

1　概述

在香港的人工煤气管道中，PE管道占54%。自采用PE管道以来，燃气泄漏事件显著减少。特别是在2023年9月8日，香港遭遇了一场罕见暴风雨，24 h内降雨量达到了600 mm，破历史纪录。南区一条道路坍塌，导致地下公用管线暴露并受损。一辆汽车掉入坑洞，压在PE燃气管道上，接触点旁即为PE电熔接口，车辆压住带有PE电熔接口的燃气管道现场见图1。而这段建设于2017年的PE燃气管道特别是PE电熔接口仍完好无损，证明了PE材料在中低压埋地燃气管道中的优势及品质管理的关键作用。

为了确保PE燃气管道长期安全运行，有效的品质管理应涵盖从采购燃气用PE管道物料前期的严格的品质评判标准，到进货检测、PE电熔焊接设备的挑选，以及实施严格的PE电熔焊接程序和管道敷设等。

本文探讨了PE燃气管道所需的有效质量管理策略，关注建立及实施严格的燃气用PE管道物料（包括PE混配料、PE管材、PE管件）技术标准和PE燃气管道敷设过程品质监控的关键环节。同时，分析了实施质量管理策略对于确保PE燃气管道安全性的重要性。

鉴于PE燃气管道上使用电熔焊接对PE电熔管件质量及安装工艺有极高的要求，为确保PE燃气管道接口的长期安全性，本文对PE电熔管件的PE电熔能量进行研究，并基于试验结果与相关标准给出相应评估指标。此外，本文就PE电熔焊接过程的品质监控进行探讨。

2　强化燃气用聚乙烯管道物料品质管理

2.1深化燃气用聚乙烯管道物料技术标准

①　PE混配料要求

严格限定仅采用全新、不含任何回收成分的PE混配料作为PE管材与PE管件的制造原料［1］。

②　PE管材椭圆度要求

基于对国内顶尖PE管材供应商生产能力的调研，本研究将公称外径250 mm及以上PE管材的椭圆度限定为公称外径的1.5%，比国家标准及多数国际标准的公称外径的3.5%更严格。

③　PE电熔管件要求

为确保PE燃气管道在极端环境条件下的高性能表现，本研究强调对PE电熔管件设计实施极端测试。极端测试模拟进行PE电熔焊接时出现最具挑战性的外部条件，综合考虑以下方面。

a.最低工作温度。

b.PE电熔管件内径和PE管材外径之间在标准允许下的最大间隙。

c.PE电熔焊接设备输入。

d.GB/T 19807—2005《塑料管材和管件　聚乙烯管材和电熔管件组合试件的制备》附录D计算的允许最小工作电压。

e.现场储存时PE管材堆放导致的PE管材椭圆变形。

综合考虑以上因素，依据GB/T 19808—2005《塑料管材和管件　公称外径大于或等于90 mm的聚乙烯电熔组件的拉伸剥离试验》进行拉伸剥离试验，测试结果应符合GB/T 15558.3—2023《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统　第3部分：管件》附录D“脆性破坏比例不超过33.3%”的规定［2］。

④　PE电熔能量要求

a.PE电熔能量计算

PE电熔接口中的熔区是指PE电熔管件内发热线与PE管材接触并焊接的区域。本研究提出以单位熔区面积的PE电熔能量作为评估PE电熔管件设计合理性的重要指标。

为确定不同规格PE电熔管件的PE电熔能量指标（即单位熔区面积的PE电熔能量的最小值），本研究通过极端测试，对不同规格PE电熔管件进行测试。依据本文推导得出的式（1），可以计算得出各PE电熔管件的单位熔区面积的PE电熔能量，并将公称内直径250~400 mm的PE电熔套筒（即PE电熔管件的其中一类型）测试数据整理，见表1，表中的平均数据均为测试2次的平均值。

表1　公称内直径250~400 mmPE100电熔套筒的测试数据

单位熔区面积的PE电熔能量计算式为：

式中　q——单位熔区面积的PE电熔能量，kJ/cm2

Qmin——在0 ℃以GB/T 19807—2005附录D计算的允许最小工作电压进行焊接，所需的PE电熔能量，kJ

Afu——PE电熔管件熔区面积，cm2

b.PE电熔能量指标推断

基于测试数据，本研究推断了不同尺寸的PE电熔套筒的PE电熔能量指标，见表2。需强调的是，PE电熔能量指标将随着更多PE电熔管件的测试而更新，以确保其科学性与适用性。

表2　PE100电熔套筒PE电熔能量指标

c.PE电熔能量指标验证

为进一步验证该评估指标的有效性，选取1个未经质量检定的PE100电熔套筒试件进行测试。试件公称内直径为355 mm，标准尺寸比SDR为17， PE100电熔套筒试件测试数据见表3。由表3可以看出，PE100电熔套筒试件单位熔区面积的PE电熔能量为1 kJ/cm2，低于表2中PE电熔能量指标（1.6 kJ/cm2）。

表3　PE100电熔套筒试件测试数据

对PE100电熔套筒进行极端测试，得到拉伸剥离试验中脆性破坏比例为56%，超过33.3%，因此，此试件不合格。从而证明了PE电熔能量指标在评估PE电熔管件设计合理性方面的有效性和可靠性。

2.2　制定供应商质量评审规范

国内5家燃气企业携手成立了G5+燃气企业聚乙烯（PE）输配系统品质控制合作小组，共同制定了燃气用PE管道物料规范，并制定了供应商质量评审规范。规范涵盖了燃气用PE管道物料的基本性能要求、生产流程、质量控制体系等，确保从源头上把控PE燃气管道质量。合作小组定期依据供应商质量评审规范，对供应商进行现场质量评审。通过严格的质量评审，合作小组编制并发布了G5+符合资格燃气用PE管道物料供应商名单，为行业内外提供了供应商参考。

2.3　进货检测关键环节及其有效性评估

2.3.1　进货检测的关键环节

进货检测关键环节包括PE管材和PE管件尺寸精确测量、可追溯性标识的严格核对、包装完整性的检查、PE电熔管件的实际电阻的准确测定、出厂检测的全面审核。

此外，本文还特别强调了供应商声明材料工程变更的重要性，并要求其提供详尽的支持文件以供审核，以确保任何变更都不会对PE燃气管道的安全性产生负面影响。

2.3.2　进货检测结果的有效性评估

①　进货检测不合格原因及占比

2011—2013年初始强化对每批PE管材及PE管件进行进货检测，2011—2013年PE管件进货检测不合格原因及占比分别见表4~6，2021—2023年PE管件进货检测不合格原因及占比见表7。

表4　2011年PE管件进货检测不合格原因及占比

表5　2012年PE管件进货检测不合格原因及占比

表6　2013年PE管件进货检测不合格原因及占比

表7　2021—2023年PE管件进货检测不合格原因及占比

由表4~7进一步分析，与2011—2013年相比，2021—2023年PE管件进货检测不合格原因数量大幅降低。这一明显的变化直接反映了检测流程效率和准确性的双重提升，同时也凸显了供应商在加强质量控制方面所取得的积极进展。

②　进货检测不合格原因造成的影响

这些不合格原因对PE燃气管道的质量、PE接口焊接（包括PE电熔焊接及PE热熔焊接）的可靠性、燃气用PE管道物料的可追溯性以及安装效率均产生了不良影响，不合格原因的影响见表8。

3　PE电熔焊接工具要求

3.1　PE电熔焊接设备的关键技术要求

基于PE电熔焊接过程中可能遇到的不利因素及对文献［3］的研究，分析了PE电熔焊接设备应具备的关键技术要求，具体如下。

表8　进货检测不合格原因的影响

①　电压输出要求

提供精确的电压输出。

②　参数检测

准确检测整个PE电熔焊接周期中的电压、电流和PE电熔能量。

③　异常警报通知

及时向操作员发出电气性能异常的警报。

④　品质控制参数

能够提供用于品质控制检查的PE电熔焊接参数。

⑤　设备和操作员限制

实施严格的PE电熔焊接设备校准周期管理，一旦设备超出校准有效期，自动锁定PE电熔焊接功能。同时，对PE焊接操作人员的资格进行有效期管理，资格过期者将无法操作设备。同时，高度重视PE电熔焊接设备的定期校准工作，以确保其性能稳定可靠。

3.2　刮刀的要求

①　明确采用机械刮刀作为刮除工具，以确保刮削过程的标准化与高效性［4］。

②　机械刮刀的设计需满足可靠、一致且均匀去除氧化PE管材表面固定层的要求，即便在PE管材存在椭圆度变化的情况下，也能保持稳定的刮削效果。

③　PE焊接操作人员需定期对刮削深度进行监测，并对刮刀进行必要的维护，以确保获得最佳且一致的刮削效果。

4　PE电熔焊接关键环节分析

4.1　PE电熔焊接的关键环节

鉴于PE电熔焊接技术的高度专业性，本文探讨实施电熔焊接的关键环节，旨在从根源上提升PE电熔接口质量［5］。

①　定位与固定

强调使用专业对准夹具，确保PE管材与PE电熔管件在电熔焊接过程中的精准对接与稳固固定，防止任何形式的偏移或形变。

②　管端处理标准化

强调垂直切割的重要性，确保PE管材的切割面平整且精确覆盖PE电熔管件的熔区，有效防止因切割不当导致的焊接缺陷或过热风险［6］。

③　表面处理

在刮削PE管材表面前，引入网格标记法，帮助操作人员直观判断氧化层是否完全去除。

④　插入深度控制

通过在PE管材上画上明确的插入线，确保PE管材以正确的深度插入PE电熔管件，避免插入过深或过浅导致的性能问题。

⑤　清洁度的严格维护

针对刮削后的PE管材，若无法立即进行焊接，应采用专用保护材料覆盖，保持其表面清洁度。同时，建议在组装前最后一刻再打开PE电熔管件的包装，以防二次污染。

⑥　PE电熔焊接后立即检查

强调PE电熔焊接完成后立即进行检查，包括PE电熔接口对准、焊接指示和焊接参数，确保每一道PE电熔接口均达到设计标准与安全要求［3］。

4.2　不同环境温度下的PE电熔能量

①　确定最小及最大工作电压

根据GB/T 19807—2005附录D的计算方法，结合供应商提供的PE电熔管件电阻范围，计算出PE电熔焊机最小及最大工作电压。具体计算式为：

式中　Uw，min——焊机最小工作电压，V

Ur，min——焊机最小额定电压， V

R——PE电熔管件在环境温度下的电阻，Ω

Rmax——PE电熔管件在基准温度（23 ℃±2 ℃）下的最大电阻，Ω

Uw，max——焊机最大工作电压，V

Ur，max——焊机最大额定电压，V

Rmin——PE电熔管件在基准温度（23 ℃±2 ℃）下的最小电阻，Ω

PE电熔管件在环境温度下的电阻是依据GB/T 2918—2018《塑料　试样状态调节和试验的标准环境》进行状态调节，然后用双臂桥式电阻仪测出的电阻。

②　实施电熔能量测试

本研究在环境温度为20 ℃时，利用式（2）、（3）计算得出焊机最小及最大工作电压，通过对各类型PE电熔管件进行焊接试验，记录并分析在20 ℃下的PE电熔能量范围。这一过程为本研究后续对不同环境温度的PE电熔能量评估研究提供了数据支持。

③　不同环境温度的PE电熔能量

基于ISO 13950：2007《塑料管材及管件——电熔接口自动识别系统》（Plastics pipes and fittings - Automatic recognition systems for electrofusion joints），得出PE电熔能量上、下限计算式为：

式中　Q1，max——环境温度低于20 ℃时PE电熔能量上限， kJ

Qb，max——当环境温度是20 ℃时，焊机以最大工作电压焊接时所需的PE电熔能量， kJ

t——环境温度与20 ℃的差值的绝对值， ℃

K1——低温温度补偿系数，即按ISO 13950 的24位数字焊接条形码中第22 位整数，%

Q1，min——环境温度低于20 ℃时PE电熔能量下限，kJ

Qb，min——当环境温度是20 ℃时，焊机以最小工作电压焊接时所需的PE电熔能量， kJ

Q2，max——环境温度高于20 ℃时PE电熔能量上限，kJ

K2——高温温度补偿系数，即按ISO 13950 的24位数字焊接条形码中第23 位整数，%

Q2，min——环境温度高于20 ℃时PE电熔能量下限， kJ

由此可获得不同环境温度下的PE电熔能量上、下限，可确定每个PE电熔接口PE电熔能量是否恰当，进而评估PE电熔接口质量。

4.3　PE电熔焊接过程品质监控

对PE电熔接口进行过程品质监控有两种方法：传统的破坏性测试与先进的非破坏性测试技术，后者如相控阵超声波检测技术，能够提供现场评估手段［7］。

2021—2023年对PE电熔接口进行的抽样品质检测，PE电熔接口不合格的主要原因见表9。PE电熔接口不合格不仅影响了接口的密封性和强度，还可能对整个PE燃气管道的长期稳定运行构成威胁［7］。这也说明了在PE电熔焊接过程中实施品质控制措施的重要性，有效执行措施能确保PE电熔接口的品质。

表9　2021—2023年PE电熔接口不合格主要原因　%

5　结束语

通过深入研究PE管材及管件的品质管理，分析得出一系列改进策略，旨在显著提升PE燃气管道的长期安全运行能力，并为行业同仁提供可借鉴的实践经验，共同推动行业技术进步与安全发展。

参考文献：

［1］　李长缨. 城镇燃气聚乙烯管应用中相关问题研究［J］. 煤气与热力，2008（2）：B42-B47.

［2］　娄玉川. PE电熔管件的设计浅探［J］. 中国高新技术企业，2012（6）：39-42.

［3］　孙彦磊. 聚乙烯管道焊接的质量控制［J］. 煤气与热力，2013（1）：A32-A34.

［4］　BOWMAN J. A Review of the Electrofusion Joining Process for Polyethylene Pipe Systems［J］. Polymer Engineering & Science，1997（4）：683-689.

［5］　Advance Welding. Electrofusion Welding Procedure［EB/OL］. ［2024-04-21］. https：//advancewelding.co.uk/wp-content/uploads/2020/05/AdvancedWeldingElectrofusionBestPractice2018.pdf.

［6］　铁文安，赵勇辉，邵永前，等. PE管道电熔焊口泄漏原因分析［C］// 中国工程塑料工业协会加工应用专业委员会. 2009年中国工程塑料复合材料技术研讨会论文集. 济南：《工程塑料应用》杂志社，2009：215-217.

［7］　李曼曼，马旭卿，雷素敏，等. 聚乙烯管道电熔接头超声波检测的适用性［J］. 煤气与热力，2017（11）：B01-B09.