PE材质管道具有优良的耐腐蚀性能、化学稳定性和机械强度, 可适用于各种复杂环境下的流体输送, 并具有较长的使用寿命。因其便于热熔对接、电熔接和承插接, 具有较高的经济、环保优势。基于其诸多优良的性能, PE管道是目前应用最为成熟的塑料压力管道之一^[1]。PE管道在我国的发展起步较晚, 虽自上世纪70年代初即有生产, 但除对PE燃气管的探索性应用外, 早期PE管道与先进国家有着相当大的差距, 多数原料、产品依赖进口。近年来DN630以下小口径管道在我国的发展应用已具有相当基础, 主要应用于燃气、供水、排水方面, 但受生产技术、设备及能力的限制, DN800以上大口径PE管道的规模化应用还很少。同时, PE管道在实际施工及使用过程中, 由于种种原因, 会发生管壁漏水、管材破裂等事故, 不仅造成经济损失, 也导致生产生活出现诸多不便。当PE管道出现损坏时, 仅能通过排空介质后采用热熔的办法进行修复, 对于含腐蚀、易燃易爆、有毒有害等介质的管道, 检修过程将十分繁琐, 耗时长, 损失大^[2]。唐山三友集团实施的浓海水综合利用项目, 以曹妃甸工业区海水淡化装置产生的排废浓海水用于纯碱生产, 其沿途数十公里采用DN800的PE管道用于输送浓海水。因此, 针对大口径PE管道带压堵漏技术的研究同时具有极强的现实意义。

　　 PE属于高分子惰性材料, 很难与其他材料粘接, 具有弹性大、刚度低的特点, 随着管道运行中介质压力、温度的变化, 管道直径、长度、厚度等几何尺寸都会发生动态改变。目前, 包括钢带拉紧、化学粘合、注剂式密封以及套管式密封等传统的管道带压修复技术, 仅适用于刚度较大的金属与非金属管道, 而不适用于PE管道, 尤其是不适用于大口径PE管道。

　　 因大口径PE管道连接工艺复杂, 热熔或电熔连接接口部位易产生熔料堆积缺陷区而导致应力集中^[3,4], 或因管材的长期蠕变性能引起管道轴向移动, 最终致使管道破损或移位^[5]。当PE管道发生局部破损渗漏时, 可采用塑钢泥、环氧树脂粘接剂堵漏, 或利用快速接头等方式修复。对于发生较大破损的管段, 常规的修复方法是将破损管段割除, 再用热熔机将新管道与原管道热熔对接, 对于小口径PE管道亦可采用承插式热熔焊接的方法修复^[6]。采用这些修复方法的前提是必须将管道内的介质排空, 且热熔接口处不能有任何的污物、杂质、水滴乃至水蒸气, 否则无法熔合。但对于地下敷设的、输送污染性介质的或长距离输送的管道而言, 排空几乎不能实现, 即使能够排空, 难度也很大, 更换埋地管件需要进行大量开挖工作, 且需待修复达到一定强度后才能进行试水, 修复工程量及周期较长。以某地30km长的DN800浓海水PE管道破损事故为例, 一次的经济损失就达300余万元, 处理时间迁延数月之久。因此, 急需一种简便快捷的PE管道修复技术以快速恢复管道输送能力, 降低经济损失, 尤其是对于大口径PE管道的带压修补工艺更显得尤为重要。

　　 基于PE管道自身独特的惰性及柔韧性, 采用传统机械方式不能彻底消除漏点。本例中浓海水管道泄漏后采用过钢制卡具配合垫片、卡具外缠玻璃钢、灌浆料水泥筑墩等方式均未成功。主要原因是由于随着外部压力、温度以及管道运行压力的变化, PE管道直径、长度、厚度等几何尺寸都会发生动态改变, 其与密封层形变尺寸的不一致, 将造成密封层与管壁间的滑脱, 最终导致密封堵漏失效。在受同样压力、环境温度20℃条件下, 对3家公司PE管道产品管道周长的变化情况进行测试, 结果如表1所示。

　　 从表1中数据可见, 压力变化时, 管道周长变化尺寸很大, 最大可达150mm左右。因此, PE管道带压堵漏立足点仍为热熔方式。在此原则下, 若想彻底利用热熔方式消除漏点, 必需要解决两方面问题:一是止水方案, 二是热熔加热方式。

　　 PE管道实施带压堵漏, 首要考虑的问题是临时消除漏点, 为热熔创造条件。PE材料塑性大, 易产生形变, 这一特性决定了封堵漏点的装置材料及结构应与其相适应。另外其外部需热熔PE板以彻底消漏, 因而其安装方式不能妨碍热熔作业, 这就要求止水装置结构简单易行, 效果良好, 达到快速止水的目的。

　　 为了达到上述止水的目标, 选择具有较好强度、弹性的金属材质薄板, 根据管道直径制成止水弧板, 并配合弹性好的密封垫片进行机械式密封。利用螺丝对弧板和高弹性密封垫片施加压力形成初始密封, 彻底阻断介质泄漏, 消除泄漏介质对修复工作的影响。方案确定后进行水压试验, 检验其密封效果, 在压力分别为0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4MPa、0.5 MPa时, 均无泄漏现象, 符合施工需求。

　　 鉴于管道带压堵漏的特点, 需要局部热熔合一块弧形PE板进行彻底消漏。传统的热熔方式在管道外表面施工不便, 为此研究在PE弧板内表面埋设加热电阻丝的方式进行电加热提供熔合热源。当PE材料受热融化后, 温度可达到160~240℃, 其流动性能增加, 此时容易带动电加热丝位置发生变动而产生接触, 为了保证施工的顺利进行, 电加热丝必须具备良好的绝缘性能和耐温抗老化性能。综合考虑性价比, 将漆包线作为首选。经过试验对比, 普通漆包线和耐高温漆包线加热性能近似, 但耐温程度不同, 普通漆包线有短路现象发生, 同样条件下, 耐高温漆包线完全满足施工应用, 进而可确定为加热丝使用。

　　 解决好制约施工的两个问题后, 针对PE材料的物化特性, 经过细致研究, 确定带压堵漏装置的结构 (如图1所示) , 并确立施工方案如下: (1) 根据PE管道破损部位的大小、形态及泄漏情况制作止漏板;根据PE管道的直径、压力等级、破损部位的形态及位置、输送介质的危害性以及PE材料的力学性能确定熔合面积, 根据熔合面积确定PE弧板的几何尺寸;根据止漏板的形状和大小确定并加工PE弧板内弧面中部的凹槽;根据PE材料热性能及熔合面积确定电磁绝缘加热线的布置方式、温控探头的数量及埋设位置。 (2) PE弧板中埋设电加热线及温控探头。 (3) 将止漏板封盖在PE管道破损部位处并与PE管道密封连接, 以阻断介质泄漏, 消除泄漏介质对热熔作业的影响。 (4) 确定PE弧板的熔合位置, 对管道表面预处理, 包括管道校圆、缺陷修补、清除杂质及变形层等。 (5) 划线确定PE弧板的准确位置并安装, 精细调整其与PE管道的接触间隙, 并用专用卡具固定。 (6) 电加热线与电源控制器进行连接, 温控探头与温控器连接。 (7) 送电加温, 开始热熔施工。 (8) 融合完成后拆除各个设施, 做好管道外部保护。

　　 由于PE材料熔合温度控制区间十分狭窄, 仅有10℃左右, 而且不同公司材料熔合温度略有差异, 因此在施工过程中增加测温装置, 以严格掌控熔合温度及温升速度, 使其温升速度适宜, 过快局部温升太高, 达到玻璃化温度, 而其余部位仍未融化产生分子交联熔合, 影响熔合强度;温升太低, 则施工速度过慢。同时, 施工前必须做好管道表面预处理工作, 这是保证熔合质量的基础。

　　 为检验方案实施效果, 利用倒链、测温装置、直流焊机、钢丝绳等装置在废旧管道上按前述步骤进行了大量试验, 试验所需主要材料如表2, 熔合完毕后水压试验, 试验数据见表3。

　　 为保证堵漏方案与公司生产系统相适应, 根据浓海水系统供水压力≤0.65MPa工艺指标要求, 试验选取0.1~1.0 MPa压力范围内进行。表中数据表明, 方案实施效果良好, 达到了预期的目标, 但埋地管道现场施工条件相对恶劣很多, 能否满足施工要求, 需要实际施工操作才可以检验。

　　 我公司浓海水PE材质管道自投用以来, 发生过数起泄漏事故, 由于浓海水具有很强的腐蚀性, 对土壤、自然植被、水产养殖等污染破坏性很大, 采用传统方式进行修复时, 每次管道停运后需要排空数千立方米存液, 耗费大量人力物力, 并需要较长时间。同时更换管道需要进行大量土石方开挖工作, 受场地限制等原因, 施工难度较大。

　　 2014年11月, 唐曹高速曹妃甸方向K42km埋深6m处DN800PE管道出现裂纹。对其修复采用PE管道带压堵漏技术进行施工。采用发电机通过稳压器供电, 氩弧焊机为电源熔接, 温升速度控制在每分钟最大不超过4℃, 期间3次恒温, 热熔历时4h左右, 从止水、管道表面预处理开始到结束整体施工不超过24h, 参与修复人员只需7人, 较传统维修方式节省了大量人力物力, 工期大大缩短, 且使用至今没有发生任何问题, 管道运行状况平稳。

　　 随着管道技术的应用和发展, PE材质管道正从单一逐步走向多元, 对其合理维护以保障运行功能、延长使用周期具有重要意义。经过工程实践证明, 弧板式大口径PE管道修复技术, 具有技术先进、经济实用、操作维修方便等优越性能。随着PE管道日益成为大口径室外埋地管道的发展方向, PE管道带压堵漏技术及装置的研发, 为大口径PE管道的推广应用打开了通路, 该项技术国内外尚无相似应用先例, 已获国家发明专利。