圖 1 管道開挖點位置
Figure 1. Location of pipe excavation point
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聚乙烯（PE）管由于具有耐腐蝕、高韌性、安裝方便等優(yōu)點,目前在城鎮(zhèn)燃?xì)馀c輸水領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。據(jù)統(tǒng)計,在我國新鋪設(shè)的中低壓城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦毓芫€中,90%以上管線采用聚乙烯管材。除第三方施工破壞外,植物根系也是影響聚乙烯管道運行安全的因素之一。一方面,深根植物根系纏繞會對管道形成擠壓；另一方面,當(dāng)臺風(fēng)天氣大樹被吹倒時,管道會隨樹根一起被拔起,從而使管道連接薄弱處發(fā)生斷裂,造成管道泄漏安全事故[2]。
在城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿蓝ㄆ跈z驗時,對深根植物占壓或間距不足管道開挖檢驗,發(fā)現(xiàn)植物根系纏繞導(dǎo)致PE80管道表面出現(xiàn)大面積的細(xì)小黑絲痕跡,但從外觀難以判斷根系分泌物是否會對管道本體造成腐蝕影響。為此,基于安全的考慮,管道使用單位只能對該部分管道進(jìn)行更換。
為了更好地指導(dǎo)后續(xù)定期檢驗工作,有必要對該處管道進(jìn)行材料性能檢測。作者首先對更換下來的管道取樣進(jìn)行壁厚測量,以驗證管道壁厚變化情況；然后對痕跡部位管段進(jìn)行滲透檢測,以驗證管材的致密性；最后對取樣管道內(nèi)外表面不同部位進(jìn)行紅外光譜測試,以驗證管材成分變化,判斷其是否發(fā)生老化或腐蝕問題。
1. 某聚乙烯燃?xì)夤艿蓝ㄆ跈z驗概述
2022年6月至8月期間,在對廈門市海滄區(qū)公用燃?xì)夤艿肋M(jìn)行定期檢驗時,發(fā)現(xiàn)街樹與PE管道的間距普遍不滿足GB 50028-2020《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》規(guī)定的“管道至樹中心的水平距離應(yīng)大于0.75 m”的要求。經(jīng)調(diào)查,管道鋪設(shè)先于城市綠化種植。按TSG D7004-2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則——公用管道》檢驗項目要求對PE管道開展了開挖驗證檢驗。
1.1 設(shè)備概況
被檢裝置為廈門海滄區(qū)壓力管道,單元名稱為海滄大道燃?xì)夤こ毯屠饲贋橙細(xì)夤こ?。海滄大道燃?xì)夤こ坦艿赖陌惭b日期為2004年12月20日,浪琴灣燃?xì)夤こ坦艿赖陌惭b日期為2004年8月31日,管道設(shè)計壓力為0.4 MPa,運行壓力為0.18 MPa,規(guī)格分別為D250和D6,管材為聚乙烯。定期檢驗發(fā)現(xiàn)問題的管道開挖點位置如圖1所示。
1.2 檢驗發(fā)現(xiàn)的問題
植物根系會對早期采用石油瀝青防腐蝕層的鋼質(zhì)管道產(chǎn)生破壞,主要表現(xiàn)為擠壓破壞和穿刺破壞。而目前尚未發(fā)現(xiàn)植物根系對3PE防腐蝕層管道破壞的案例[3-4]。植物根系分泌物具有腐蝕性,加速了管道的腐蝕,尤其以植物根系穿入鋼質(zhì)管道防腐蝕層破壞影響最嚴(yán)重[5],聚乙烯材料本身具有較強的耐酸堿性,難溶于溶劑,根系分泌物很難對聚乙烯材料產(chǎn)生溶脹作用,同時聚乙烯材料在土壤環(huán)境中也有很好的抗生物降解性能[6]。然而,本次開挖檢驗處的聚乙烯管道外觀出現(xiàn)細(xì)小的黑絲痕跡,如圖2所示。在開挖管道上5個位置,都發(fā)現(xiàn)大面積的細(xì)小黑絲痕跡,這些黑絲像細(xì)小的龜裂紋,容易被誤認(rèn)為管道老化現(xiàn)象。但是管道表面并無其他老化降解跡象。黑色痕跡為植物根系分泌物滲透到管道表面對其產(chǎn)生的影響,需要通過理化試驗等技術(shù)手段進(jìn)一步進(jìn)行驗證。
圖 2 開挖處管道外觀
Figure 2. Appearance of pipe at excavation
2. 聚乙烯管性能檢測試驗
在發(fā)現(xiàn)問題的管道開挖處,首先進(jìn)行了現(xiàn)場泄漏檢測：通過激光甲烷檢測儀并結(jié)合肥皂泡進(jìn)行泄漏檢測。檢測結(jié)果表明,管道未發(fā)生泄漏事故。為了解黑絲痕跡對管道產(chǎn)生的影響,對表面出現(xiàn)黑絲的管道進(jìn)行以下試驗。
2.1 壁厚測量
通過管道壁厚測量不僅可證實管材厚度是否滿足設(shè)計要求,也可了解受根系分泌物作用處管道的壁厚情況。壁厚測量采用聚乙烯管道專用的超聲波測厚儀,同時利用游標(biāo)卡尺進(jìn)行復(fù)核,具體如圖3所示。
圖 3 根系分泌物影響區(qū)域壁厚測量
Figure 3. Measurement of wall thickness in areas affected by root exudates
超聲波測厚儀型號為tritex multigauge 5300,聲速設(shè)定為2 300 m/s,探頭選擇1 MHz低頻單晶探頭。測量前首先選擇同材質(zhì)的聚乙烯試塊進(jìn)行標(biāo)定,測量時探頭面與管道面保持良好的接觸耦合。游標(biāo)卡尺測量管道兩端,且測量過程中其尖端部位與管道軸線保持平行貼合。
2.2 滲透檢測試驗
依據(jù)NB/T 4701.5-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》,對受根系分泌物影響的聚乙烯管道進(jìn)行表面滲透檢測,如圖4所示。檢測過程同時進(jìn)行靈敏度試塊檢測,以靈敏度試塊缺陷作為缺陷檢出的靈敏度要求。
圖 4 根系分泌物影響區(qū)域滲透檢測
Figure 4. Penetration testing of areas affected by root exudates
2.3 紅外光譜測試
首先,將管道試樣按底部圓環(huán)進(jìn)行8等分,8個環(huán)向等分位置分別標(biāo)記為1號至8號,見圖5（a）；然后將試樣沿軸向進(jìn)行3等分,3個軸向等分位置分別標(biāo)記為a、b、c,見圖5（b）；共取樣24份,如圖5（c）所示。從聚乙烯管道內(nèi)部（標(biāo)記為9號）沿軸向3等分取樣,3份平行樣分別記為9a、9b、9c。分別對上述標(biāo)記的取樣位置進(jìn)行傅里葉紅外光譜測試,共獲得了27份樣品的譜圖。
圖 5 紅外光譜測試取樣示意
Figure 5. Sampling diagram for infrared spectroscopy testing: (a) circumferential equal division; (b) axial equal division; (c) real samples
3. 結(jié)果與討論
3.1 壁厚測量結(jié)果
對根系分泌物影響區(qū)域壁厚進(jìn)行測量,分別得到超聲波測厚結(jié)果和游標(biāo)卡尺測量結(jié)果,如表1所示。
表 1 管道壁厚測量結(jié)果
Table 1. Measurement results of wall thicknesses of pipe
測試點
A端壁厚/mm
B端壁厚/mm
測厚儀
卡尺
測厚儀
卡尺
1
6.40
6.12
6.45
6.28
2
6.45
6.20
6.40
6.18
3
6.55
6.28
6.60
6.40
4
6.35
6.08
6.45
6.24
由表1可知,超聲波測厚儀測量的最大壁厚為6.60 mm,最小壁厚為6.35 mm。管道正常壁厚為5.80 mm,與最大壁厚和最小壁厚的偏差分別為0.80 mm和0.55 mm。游標(biāo)卡尺測量的最大壁厚為6.40,最小壁厚為6.08,與正常壁厚的偏差分別為0.60 mm和0.28 mm。考慮到材料制造的偏差、超聲波測厚標(biāo)定誤差以及游標(biāo)卡尺測量誤差,上述偏差仍在允許的范圍。而從兩種測厚方法的結(jié)果來看,超聲波測厚結(jié)果與游標(biāo)卡尺測量結(jié)果偏差不大,最大偏差為0.28 mm,因此現(xiàn)場采用超聲波測厚的方式完全能夠滿足壁厚測量的需要。
3.2 滲透檢測結(jié)果
對根系分泌物影響區(qū)域進(jìn)行滲透檢測,同時驗證了監(jiān)測靈敏度,結(jié)果如圖6所示。
圖 6 滲透檢測結(jié)果
Figure 6. Penetrant testing result
由圖6可知,三點式B型試塊第三點輻射狀裂紋區(qū)域清晰可見,說明滲透檢測劑系統(tǒng)靈敏度符合要求；管道表面劃痕的滲透顯示為偽顯示,根系分泌物影響（管道表面細(xì)小黑絲痕跡）區(qū)域無滲透。因此,可以排除黑絲痕跡是縫隙或孔隙缺陷的可能,管道表面完整。
3.3 紅外光譜測試結(jié)果
對取樣管道不同部位進(jìn)行紅外光譜測試,結(jié)果表明27份樣品的譜圖基本一致。以6號和9號位置試樣的測試結(jié)果為例進(jìn)行說明,如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知,不同波數(shù)下,6號和9號位置試樣的吸光度是一致的,最大不超過1。不同位置試樣的紅外光譜曲線基本一致,說明材料不同部位性質(zhì)無明顯差異。
圖 7 6號位置試樣的紅外光譜
Figure 7. Infrared spectrum of samples at position 6
圖 8 9號位置試樣的紅外光譜
Figure 8. Infrared spectrum of sample at position 9
將測試得到的紅外光譜與聚乙烯標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行對比,結(jié)果表明測試圖譜與聚乙烯標(biāo)準(zhǔn)圖譜一致,說明測試樣品為聚乙烯。聚乙烯管道表面與內(nèi)部的紅外光譜譜圖是一致的,管材性能未發(fā)生改變。
檢驗過程發(fā)現(xiàn)管道與街樹間距不足,植物根系纏繞管道,植物根系分泌物滲入管道淺層表面,形成類似細(xì)小密集裂紋痕跡。但通過上述檢測和測試分析,證實管材未發(fā)生老化降解現(xiàn)象,植物根系分泌物對管道安全未產(chǎn)生直接影響。
4. 結(jié)論
（1）早期PE80管道表面因植物根系纏繞而出現(xiàn)大面積的細(xì)小黑絲痕跡,但從外觀難以判斷根系分泌物是否對管道本體造成腐蝕影響。
（2）泄漏檢測未發(fā)現(xiàn)管道存在泄漏問題,壁厚測量、滲透檢測和紅外光譜測試,也證實管材未發(fā)生老化降解現(xiàn)象,管材性能未發(fā)生改變。
（3）植物根系分泌物雖然影響了管道本體的顏色,但管道壁厚、致密性以及成分等都沒有變化,植物根系分泌物對管道安全未產(chǎn)生直接影響,但后續(xù)定檢中還需要更多的關(guān)注根系纏繞導(dǎo)致的管道拉伸變形問題。
（4）建議后續(xù)加強對綠化施工的監(jiān)管,在源頭上杜絕種植深根系植物,從而消除因綠化施工造成的管道運行風(fēng)險。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
聚乙烯（PE）管由于具有耐腐蝕、高韌性、安裝方便等優(yōu)點,目前在城鎮(zhèn)燃?xì)馀c輸水領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。據(jù)統(tǒng)計,在我國新鋪設(shè)的中低壓城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦毓芫€中,90%以上管線采用聚乙烯管材。除第三方施工破壞外,植物根系也是影響聚乙烯管道運行安全的因素之一。一方面,深根植物根系纏繞會對管道形成擠壓；另一方面,當(dāng)臺風(fēng)天氣大樹被吹倒時,管道會隨樹根一起被拔起,從而使管道連接薄弱處發(fā)生斷裂,造成管道泄漏安全事故[2]。
在城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦鼐垡蚁┕艿蓝ㄆ跈z驗時,對深根植物占壓或間距不足管道開挖檢驗,發(fā)現(xiàn)植物根系纏繞導(dǎo)致PE80管道表面出現(xiàn)大面積的細(xì)小黑絲痕跡,但從外觀難以判斷根系分泌物是否會對管道本體造成腐蝕影響。為此,基于安全的考慮,管道使用單位只能對該部分管道進(jìn)行更換。
為了更好地指導(dǎo)后續(xù)定期檢驗工作,有必要對該處管道進(jìn)行材料性能檢測。作者首先對更換下來的管道取樣進(jìn)行壁厚測量,以驗證管道壁厚變化情況；然后對痕跡部位管段進(jìn)行滲透檢測,以驗證管材的致密性；最后對取樣管道內(nèi)外表面不同部位進(jìn)行紅外光譜測試,以驗證管材成分變化,判斷其是否發(fā)生老化或腐蝕問題。
1. 某聚乙烯燃?xì)夤艿蓝ㄆ跈z驗概述
2022年6月至8月期間,在對廈門市海滄區(qū)公用燃?xì)夤艿肋M(jìn)行定期檢驗時,發(fā)現(xiàn)街樹與PE管道的間距普遍不滿足GB 50028-2020《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》規(guī)定的“管道至樹中心的水平距離應(yīng)大于0.75 m”的要求。經(jīng)調(diào)查,管道鋪設(shè)先于城市綠化種植。按TSG D7004-2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則——公用管道》檢驗項目要求對PE管道開展了開挖驗證檢驗。
1.1 設(shè)備概況
被檢裝置為廈門海滄區(qū)壓力管道,單元名稱為海滄大道燃?xì)夤こ毯屠饲贋橙細(xì)夤こ?。海滄大道燃?xì)夤こ坦艿赖陌惭b日期為2004年12月20日,浪琴灣燃?xì)夤こ坦艿赖陌惭b日期為2004年8月31日,管道設(shè)計壓力為0.4 MPa,運行壓力為0.18 MPa,規(guī)格分別為D250和D6,管材為聚乙烯。定期檢驗發(fā)現(xiàn)問題的管道開挖點位置如圖1所示。
1.2 檢驗發(fā)現(xiàn)的問題
植物根系會對早期采用石油瀝青防腐蝕層的鋼質(zhì)管道產(chǎn)生破壞,主要表現(xiàn)為擠壓破壞和穿刺破壞。而目前尚未發(fā)現(xiàn)植物根系對3PE防腐蝕層管道破壞的案例[3-4]。植物根系分泌物具有腐蝕性,加速了管道的腐蝕,尤其以植物根系穿入鋼質(zhì)管道防腐蝕層破壞影響最嚴(yán)重[5],聚乙烯材料本身具有較強的耐酸堿性,難溶于溶劑,根系分泌物很難對聚乙烯材料產(chǎn)生溶脹作用,同時聚乙烯材料在土壤環(huán)境中也有很好的抗生物降解性能[6]。然而,本次開挖檢驗處的聚乙烯管道外觀出現(xiàn)細(xì)小的黑絲痕跡,如圖2所示。在開挖管道上5個位置,都發(fā)現(xiàn)大面積的細(xì)小黑絲痕跡,這些黑絲像細(xì)小的龜裂紋,容易被誤認(rèn)為管道老化現(xiàn)象。但是管道表面并無其他老化降解跡象。黑色痕跡為植物根系分泌物滲透到管道表面對其產(chǎn)生的影響,需要通過理化試驗等技術(shù)手段進(jìn)一步進(jìn)行驗證。
圖 2 開挖處管道外觀
Figure 2. Appearance of pipe at excavation
2. 聚乙烯管性能檢測試驗
在發(fā)現(xiàn)問題的管道開挖處,首先進(jìn)行了現(xiàn)場泄漏檢測：通過激光甲烷檢測儀并結(jié)合肥皂泡進(jìn)行泄漏檢測。檢測結(jié)果表明,管道未發(fā)生泄漏事故。為了解黑絲痕跡對管道產(chǎn)生的影響,對表面出現(xiàn)黑絲的管道進(jìn)行以下試驗。
2.1 壁厚測量
通過管道壁厚測量不僅可證實管材厚度是否滿足設(shè)計要求,也可了解受根系分泌物作用處管道的壁厚情況。壁厚測量采用聚乙烯管道專用的超聲波測厚儀,同時利用游標(biāo)卡尺進(jìn)行復(fù)核,具體如圖3所示。
圖 3 根系分泌物影響區(qū)域壁厚測量
Figure 3. Measurement of wall thickness in areas affected by root exudates
超聲波測厚儀型號為tritex multigauge 5300,聲速設(shè)定為2 300 m/s,探頭選擇1 MHz低頻單晶探頭。測量前首先選擇同材質(zhì)的聚乙烯試塊進(jìn)行標(biāo)定,測量時探頭面與管道面保持良好的接觸耦合。游標(biāo)卡尺測量管道兩端,且測量過程中其尖端部位與管道軸線保持平行貼合。
2.2 滲透檢測試驗
依據(jù)NB/T 4701.5-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》,對受根系分泌物影響的聚乙烯管道進(jìn)行表面滲透檢測,如圖4所示。檢測過程同時進(jìn)行靈敏度試塊檢測,以靈敏度試塊缺陷作為缺陷檢出的靈敏度要求。
圖 4 根系分泌物影響區(qū)域滲透檢測
Figure 4. Penetration testing of areas affected by root exudates
2.3 紅外光譜測試
首先,將管道試樣按底部圓環(huán)進(jìn)行8等分,8個環(huán)向等分位置分別標(biāo)記為1號至8號,見圖5（a）；然后將試樣沿軸向進(jìn)行3等分,3個軸向等分位置分別標(biāo)記為a、b、c,見圖5（b）；共取樣24份,如圖5（c）所示。從聚乙烯管道內(nèi)部（標(biāo)記為9號）沿軸向3等分取樣,3份平行樣分別記為9a、9b、9c。分別對上述標(biāo)記的取樣位置進(jìn)行傅里葉紅外光譜測試,共獲得了27份樣品的譜圖。
圖 5 紅外光譜測試取樣示意
Figure 5. Sampling diagram for infrared spectroscopy testing: (a) circumferential equal division; (b) axial equal division; (c) real samples
3. 結(jié)果與討論
3.1 壁厚測量結(jié)果
對根系分泌物影響區(qū)域壁厚進(jìn)行測量,分別得到超聲波測厚結(jié)果和游標(biāo)卡尺測量結(jié)果,如表1所示。
表 1 管道壁厚測量結(jié)果
Table 1. Measurement results of wall thicknesses of pipe
| 測試點 | A端壁厚/mm | B端壁厚/mm | ||
|---|---|---|---|---|
| 測厚儀 | 卡尺 | 測厚儀 | 卡尺 | |
| 1 | 6.40 | 6.12 | 6.45 | 6.28 |
| 2 | 6.45 | 6.20 | 6.40 | 6.18 |
| 3 | 6.55 | 6.28 | 6.60 | 6.40 |
| 4 | 6.35 | 6.08 | 6.45 | 6.24 |
由表1可知,超聲波測厚儀測量的最大壁厚為6.60 mm,最小壁厚為6.35 mm。管道正常壁厚為5.80 mm,與最大壁厚和最小壁厚的偏差分別為0.80 mm和0.55 mm。游標(biāo)卡尺測量的最大壁厚為6.40,最小壁厚為6.08,與正常壁厚的偏差分別為0.60 mm和0.28 mm。考慮到材料制造的偏差、超聲波測厚標(biāo)定誤差以及游標(biāo)卡尺測量誤差,上述偏差仍在允許的范圍。而從兩種測厚方法的結(jié)果來看,超聲波測厚結(jié)果與游標(biāo)卡尺測量結(jié)果偏差不大,最大偏差為0.28 mm,因此現(xiàn)場采用超聲波測厚的方式完全能夠滿足壁厚測量的需要。
3.2 滲透檢測結(jié)果
對根系分泌物影響區(qū)域進(jìn)行滲透檢測,同時驗證了監(jiān)測靈敏度,結(jié)果如圖6所示。
圖 6 滲透檢測結(jié)果
Figure 6. Penetrant testing result
由圖6可知,三點式B型試塊第三點輻射狀裂紋區(qū)域清晰可見,說明滲透檢測劑系統(tǒng)靈敏度符合要求；管道表面劃痕的滲透顯示為偽顯示,根系分泌物影響（管道表面細(xì)小黑絲痕跡）區(qū)域無滲透。因此,可以排除黑絲痕跡是縫隙或孔隙缺陷的可能,管道表面完整。
3.3 紅外光譜測試結(jié)果
對取樣管道不同部位進(jìn)行紅外光譜測試,結(jié)果表明27份樣品的譜圖基本一致。以6號和9號位置試樣的測試結(jié)果為例進(jìn)行說明,如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知,不同波數(shù)下,6號和9號位置試樣的吸光度是一致的,最大不超過1。不同位置試樣的紅外光譜曲線基本一致,說明材料不同部位性質(zhì)無明顯差異。
圖 7 6號位置試樣的紅外光譜
Figure 7. Infrared spectrum of samples at position 6
圖 8 9號位置試樣的紅外光譜
Figure 8. Infrared spectrum of sample at position 9
將測試得到的紅外光譜與聚乙烯標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行對比,結(jié)果表明測試圖譜與聚乙烯標(biāo)準(zhǔn)圖譜一致,說明測試樣品為聚乙烯。聚乙烯管道表面與內(nèi)部的紅外光譜譜圖是一致的,管材性能未發(fā)生改變。
檢驗過程發(fā)現(xiàn)管道與街樹間距不足,植物根系纏繞管道,植物根系分泌物滲入管道淺層表面,形成類似細(xì)小密集裂紋痕跡。但通過上述檢測和測試分析,證實管材未發(fā)生老化降解現(xiàn)象,植物根系分泌物對管道安全未產(chǎn)生直接影響。
4. 結(jié)論
（1）早期PE80管道表面因植物根系纏繞而出現(xiàn)大面積的細(xì)小黑絲痕跡,但從外觀難以判斷根系分泌物是否對管道本體造成腐蝕影響。
（2）泄漏檢測未發(fā)現(xiàn)管道存在泄漏問題,壁厚測量、滲透檢測和紅外光譜測試,也證實管材未發(fā)生老化降解現(xiàn)象,管材性能未發(fā)生改變。
（3）植物根系分泌物雖然影響了管道本體的顏色,但管道壁厚、致密性以及成分等都沒有變化,植物根系分泌物對管道安全未產(chǎn)生直接影響,但后續(xù)定檢中還需要更多的關(guān)注根系纏繞導(dǎo)致的管道拉伸變形問題。
（4）建議后續(xù)加強對綠化施工的監(jiān)管,在源頭上杜絕種植深根系植物,從而消除因綠化施工造成的管道運行風(fēng)險。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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