施建峰1，2，胡安琪1，鄭津洋1，2∗
（1.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，杭州310027；2. 高壓過程裝備與安全教育部工程研究中心，杭州 310027）
摘 要：對比了聚乙烯管道和金屬管道設(shè)計方法的差異，分析了標準中對于管材最小壁厚的計算公式差異的原因。綜述了聚乙烯管道標準兩個體系的區(qū)別和聯(lián)系，其中一個是國際公認的國際標準化組織（ISO）編制的標準體系，另一個是美國機械工程師學(xué)會（ASME）、美國材料實驗協(xié)會（ASTM）、美國塑料管道協(xié)會（PPI）編制的標準體系，兩個標準體系對聚乙烯材料分級的依據(jù)和測試方法不同，壁厚計算中的設(shè)計系數(shù)取值方式也不同。分析了國內(nèi)外現(xiàn)行標準中存在的問題，建議中國以當前聚乙烯管道在燃氣、給水與核電等領(lǐng)域快速發(fā)展為基礎(chǔ)，研制出既能滿足這些領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展需求，又適應(yīng)中國現(xiàn)有聚乙烯管道行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的技術(shù)標準體系。
關(guān)鍵詞：聚乙烯管；標準體系；材料分級；設(shè)計系數(shù)
0 前言
塑料管道已成功應(yīng)用 60多年，廣泛地應(yīng)用于給水和燃氣管道系統(tǒng)中。2019 年，中國塑料制品行業(yè)營業(yè)收入19077. 5億元，其中塑料板、管、型材占20. 58 %，利潤總額為244. 5 億元，同比增長 9. 1 %［1］。根據(jù)“十三·五”報告，預(yù)計2020年我國塑料管道產(chǎn)量將達到16000 kt，塑料管道在各類管材市場中占比將超過55 %［2］。塑料壓力管道所用材料主要為高密度聚乙烯（PE?HD）。與傳統(tǒng)的金屬管相比，PE?HD管具有耐腐蝕、密度小、管壁光滑、連接方便等優(yōu)點，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市給水及燃氣供應(yīng)系統(tǒng)［3］。
聚乙烯材料的性能取決于其結(jié)構(gòu)。20 世紀50年代，第一代聚乙烯管材專用材料被研制出，這種材料耐慢速裂紋擴展（SCG）性能較差，高溫下較短的時間就會發(fā)生脆性破壞。第二代聚乙烯管材專用材料于70年代產(chǎn)生，與第一代相比材料耐SCG性能提高，因此聚乙烯管的靜液壓性能有了較大的改善。第三代聚乙烯管材具有更高的耐SCG性能和靜液壓強度，在80℃試驗周期內(nèi)不出現(xiàn)脆性破壞［4］。
國際上塑料管道從歐洲起步。1957 年，德國開發(fā)出PE?HD管材專用料并開始用于給水領(lǐng)域，20世紀60年代末，英國燃氣公司將聚乙烯管用于燃氣領(lǐng)域［5］。歐洲通過塑料管道的長期使用經(jīng)驗和試驗研究數(shù)據(jù)，形成了較為完整的塑料壓力管道理論體系，并編制了ISO標準［6］。我國目前塑料管道產(chǎn)品標準基本上與ISO標準保持一致，體現(xiàn)了歐洲生產(chǎn)工藝路線和質(zhì)量保證體系的基本精神和要求，我國聚乙烯管的生產(chǎn)、檢測和質(zhì)量控制都沿用歐洲的技術(shù)路線［7］。
美國于1971年研制出了中密度管材級聚乙烯原料，開始大規(guī)模應(yīng)用于燃氣領(lǐng)域。美國聚乙烯管道應(yīng)用于給水與燃氣領(lǐng)域的時間雖晚于歐洲，但未根據(jù)已有的ISO標準來制訂本國標準，而是不斷探索完善了自己的標準體系［5］。美國ASME制定的壓力容器與管道規(guī)范被認為是世界上技術(shù)內(nèi)容最完整、應(yīng)用最廣泛的規(guī)范［8］。ASTM標準規(guī)定了材料和產(chǎn)品的性能、試驗方法和程序等要求。PPI對PE?HD管道性能做了深入的研究，其提供的研究數(shù)據(jù)與報告是美國PE?HD管道標準的主要依據(jù)。目前ASTM和ASME分別在聚乙烯管道的材料、產(chǎn)品及具體工程領(lǐng)域的應(yīng)用制定了多項標準，并正在著手建立統(tǒng)一的塑料管道標準體系。
目前PE?HD管道領(lǐng)域ISO標準與美國標準并存，某些國家甚至存在混用的現(xiàn)象。中國是PE?HD管道產(chǎn)量和使用量最大的國家，但是燃氣與給水用的PE?HD管道產(chǎn)品標準仍借鑒ISO標準。目前PE?HD管道國標大部分是直接翻譯ISO的標準，并對部分內(nèi)容進行調(diào)整，沒有完備的獨立自主的PE?HD管道設(shè)計標準體系。設(shè)計要基于原材料性能，原材料的分級基于測試方法，例如產(chǎn)品標準GB15558. 1《燃氣用聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)第1部分：管材》參考ISO 4437?2《燃氣聚乙烯管道系統(tǒng)第2部分：管材》，而原材料標準GB/T 18252《塑料管道系統(tǒng)用外推法確定熱塑性塑料管材以管材形式的長期靜液壓強度》參考ISO 9080《塑料管道系統(tǒng)用外推法確定熱塑性塑料材料以管材形式的長期靜液壓強度》等。標準體系的完善涉及到整個塑料管道產(chǎn)業(yè)鏈的價值分配，是當前PE?HD管道行業(yè)發(fā)展面臨的重大課題。
例如中國從美國西屋引入的世界上第一座AP1000三代核電廠，完全采用美國的設(shè)計建造標準。該核電廠的各種冷卻水、廠用水系統(tǒng)中包含了大量耐腐蝕、抗震的塑料管道。如三門核電廠一期工程的重要廠用水系統(tǒng)采用的30 in DR9 PE?HD管道，完全采用美國的塑料管道標準體系設(shè)計、制造、安裝。該管道為美國ISCO公司生產(chǎn)后運送到中國進行安裝。但因美方也缺少相關(guān)檢驗標準，故業(yè)主委托浙江大學(xué)非金屬管道研究團隊對該管道進行無損安全評價［9］。未來如果要對該PE?HD管道進行國產(chǎn)化，不僅需要將現(xiàn)有的公制模具尺寸均更改為英制尺寸，而且原材料需要根據(jù)美國材料分級的要求進行驗證，并且相關(guān)的測試設(shè)備、檢驗設(shè)備也需要重新配置或改造。這種為了適應(yīng)某個國家重大工程的配套而單獨引入的新塑料管道標準體系，無疑會給中國塑料管道行業(yè)及相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)帶來額外成本負擔。這不僅削弱了國產(chǎn)塑料管道的產(chǎn)品競爭力，甚至可能會對核電廠的長期運行的安全性帶來隱患。
與金屬管道相比，PE?HD管的耐腐蝕性能、耐溫度性能及長時蠕變性能不同，但管道總體的設(shè)計思想和制造要求應(yīng)當相似。本文從金屬管道的設(shè)計方法出發(fā)，介紹了PE?HD管道與金屬管道在設(shè)計方法上的區(qū)別與聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)對比了中國、歐洲與美國現(xiàn)行的市政、核電PE?HD管道標準設(shè)計方法，特別是管材分級方法的區(qū)別，最后提出目前中國PE?HD管道標準存在的問題與建議發(fā)展的方向。
1 PE?HD管與金屬管設(shè)計方法對比
1. 1 失效模式
金屬管材失效模式主要為腐蝕引起的壁厚減?。?0］，設(shè)計壽命一般為10~30年［11］。英國天然氣公司報道，由腐蝕引起的管道失效占40 %以上［12］；美國運輸安全局統(tǒng)計資料表明，由腐蝕引起的管道失效占43. 6 %［13］。
PE?HD管具有良好的抗腐蝕性能，設(shè)計壽命可達50年以上。PE?HD管在不同應(yīng)力水平下會出現(xiàn)不同的失效模式，主要有以下3種：
（1）管材環(huán)向應(yīng)力水平較高時，管壁最薄弱處由于局部屈服而發(fā)生韌性破壞，一般破壞持續(xù)時間較短［14］。
（2）管材環(huán)向應(yīng)力為中等應(yīng)力水平時，破壞模式為準脆性破壞，破壞機理為SCG，破壞時間較長［15］。
（3）管材應(yīng)力水平較低時，由于腐蝕、老化導(dǎo)致材料力學(xué)性能劣化而發(fā)生脆性破壞，這一過程一般遠超過50年［16］。
將PE?HD管材在靜液壓載荷下的環(huán)向應(yīng)力和破壞時間表示在應(yīng)力?時間對數(shù)圖中，如圖1所示。由3種失效模式組合的應(yīng)力?時間關(guān)系曲線將應(yīng)力?時間對數(shù)坐標系的第一象限劃分為兩個部分，并作為管材可服役區(qū)域（左下部分）的失效邊界。
目前PE?HD管道設(shè)計規(guī)范均以管材發(fā)生韌性破壞為基本失效模式，并以此作為設(shè)計依據(jù)，即壁厚設(shè)計針對于破壞發(fā)生在圖1中折線的第一段。金屬管道與PE?HD管道的載荷分析和應(yīng)力計算的區(qū)別在于：
（1）常溫服役狀態(tài)下，金屬材料強度幾乎不發(fā)生改變，而PE?HD的強度會隨時間下降，管材的強度對數(shù)與服役時間對數(shù)呈近似線性關(guān)系[17?18]。
（2）由于腐蝕，金屬管材壁厚會因腐蝕而隨時間逐漸減??；而PE?HD服役過程中壁厚幾乎不變。
PE?HD管與金屬管強度與壽命對比如圖2所示。金屬管道設(shè)計時管材厚度需要留有腐蝕裕量，保證管材在設(shè)計的服役周期中腐蝕導(dǎo)致的壁厚減薄不會使管材過薄而發(fā)生強度失效。PE?HD管道不需要考慮腐蝕因素，但許用應(yīng)力的取值需要考慮服役時間對材料強度的影響。
1. 2 壁厚計算
1. 2. 1 金屬管材壁厚設(shè)計
在金屬管材標準中，壁厚設(shè)計公式均要考慮腐蝕裕量。如ASME ND中規(guī)定金屬管材壁厚計算公式如式（1）所示，第一項為薄壁圓筒理論計算出所需的管材壁厚，第二項為腐蝕裕量。
式中
A——腐蝕與加工裕量，mm
D0——管材外徑，mm
d——管材內(nèi)徑，mm
E——縱向焊縫接頭有效系數(shù)或鑄件質(zhì)量系數(shù)
P——設(shè)計內(nèi)壓，MPa
S——設(shè)計溫度下最大許用應(yīng)力，MPa
tm——最小壁厚，mm
y——系數(shù)，一般取0. 4，對于D0/tm比值小于6的管材
1. 2. 2 PE?HD管材壁厚設(shè)計
PE?HD作為一種黏彈性材料，其強度是關(guān)于時間的函數(shù)，管材壁厚的確定主要考慮材料在長期載荷作用下的強度。如 ASTM D3035規(guī)定PE?HD管材壁厚計算公式如式（2）所示：
式中 D0——管材平均外徑，mm
P——壓力等級，MPa
S——23℃時的靜水設(shè)計壓力（HDS，Hydro?static design stress），MPa
t——管材最小壁厚，mm
PE?HD管材的耐靜液壓性能反映了管材承受長期內(nèi)壓的能力。ISO標準體系中用最小要求強度（MRS，Minimum required strength）表示管材的長期靜液壓強度，美國標準體系中用靜水設(shè)計基礎(chǔ)（HDB，Hydrostat?ic design basis）表示。如式（2）中的S是由管材在長期靜液壓試驗數(shù)據(jù)得到的表征管材長期性能的強度，由HDB決定。
1. 3 許用應(yīng)力
1. 3. 1 金屬管材許用應(yīng)力
金屬材料的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率是設(shè)計制造的主要依據(jù)。如GB 50316《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，碳素鋼及低合金鋼的許用應(yīng)力取中的最小值。
其中，為材料抗拉強度下限值;為材料常溫屈服點;為材料在設(shè)計溫度下的屈服點;為材料在設(shè)計溫度下經(jīng)10×104 h斷裂的持久強度的平均值;材料在設(shè)計溫度下經(jīng)10×104 h蠕變率為1 %的蠕變極限。
1. 3. 2 PE?HD管材許用應(yīng)力
PE ?HD管材的強度表示方法 ，目前主要分為2種[17?18]。
一種是美國標準體系使用的 HDB表示法。HDS相當于金屬管材的許用應(yīng)力，HDB相當于金屬管材的持久強度，DF相當于金屬管材持久強度對應(yīng)的設(shè)計系數(shù)。HDS與HDB的關(guān)系如式（3）所示：
式中 σHDB——靜水設(shè)計基礎(chǔ)
DF——服役（設(shè)計）系數(shù)
σHDS——靜水設(shè)計壓力
另一種是歐洲（ISO標準）和我國（GB標準）在使用的MRS表示法。σD相當于金屬管材的許用應(yīng)力，MRS相當于金屬管材的持久強度，C相當于金屬管材持久強度對應(yīng)的安全系數(shù)。σD與MRS的關(guān)系如式（4）所示：
式中
σMRS——最小要求強度
C——總體使用（設(shè)計）系數(shù)
σD——設(shè)計應(yīng)力
1. 4 金屬管與PE?HD管壁厚設(shè)計方法的聯(lián)系與區(qū)別
金屬管道遵循壓力容器的設(shè)計思想 ，需要考慮壁厚腐蝕減??；PE?HD管的設(shè)計主要考慮管材韌性失效，其壁厚計算公式形式上與圓筒壓力容器中徑公式相似，且不需要考慮腐蝕。金屬管道可能存在軸向或環(huán)向的焊縫，設(shè)計公式中需要考慮焊縫系數(shù)；而PE?HD管的生產(chǎn)方式為擠出成型，管材上不會有軸向焊縫，設(shè)計公式中不需要考慮焊縫系數(shù)。
PE?HD管道的連接方式主要有電熔連接和熱熔連接兩種。電熔連接的管件對管道起增強作用，從強度上不需要考慮接頭折減系數(shù)。熱熔對接接頭如同金屬管道的環(huán)向焊縫，與軸向焊縫相比，其對管道整體強度的影響較?。徊⑶覠崛蹖邮峭N材料直接熔接，沒有引入異種材料，焊接產(chǎn)生的卷邊也對管道起到壁厚增厚的作用，因而一般也不考慮熱熔接頭的性能折減［20］。金屬管材和PE?HD管材壁厚設(shè)計考慮的因素如表1所示。
2 中、美、歐PE?HD管道標準比較
2. 1 標準體系介紹
歐洲普遍使用ISO標準系列，現(xiàn)行的PE?HD管道產(chǎn)品標準有ISO 4427?2《給水和排水聚乙烯壓力管道系統(tǒng)第2部分：管材》和ISO 4437?2，管材長期強度確定方法的標準為ISO 9080。
中國GB標準主要參考ISO系列標準，如給水用PE?HD管道產(chǎn)品標準為GB/T 13663. 2《給水用聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)第2部分：管材》，燃氣用PE?HD管道產(chǎn)品標準為GB 15558. 1，管材長期強度標準為GB 18252等。施工標準方面，中國在金屬管標準的基礎(chǔ)上制定了埋地PE?HD管施工規(guī)范CJJ 101《埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》和CJJ 63《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)標準》，其中規(guī)定了PE?HD管道系統(tǒng)在材料、施工、水壓試驗、驗收等方面的要求。
美國PE?HD管道產(chǎn)品標準有ASTM D3035《以受控外徑為基準的聚乙烯（PE）塑料管（DR?PR）的標準規(guī)范》、ASTM F714《依據(jù)外徑的聚乙烯（PE）塑料管（SDR?PR）的標準規(guī)范》和ASTM F2619《高密度聚乙烯（PE）管道的標準規(guī)范》等。適用于PE?HD管道的設(shè)計規(guī)范有ASME NM. 1《熱塑性塑料管道系統(tǒng)》和ASME NM. 3《非金屬材料》，其中規(guī)定了使用熱塑性塑料管材和管件的要求。此外還針對核安全級PE?HD管道制定了專用的標準規(guī)范案例N?755《核3級聚乙烯（PE）塑料管道》和 ASME BPVC. III. A?XXVI《核3級埋地聚乙烯壓力管道施工規(guī)則》。
中國、歐洲、美國主要使用的PE?HD管道產(chǎn)品標準和設(shè)計規(guī)范如表2所示。
2. 2 設(shè)計方法對比
目前PE?HD管道標準主要有ISO和美國兩套標準體系。中國PE?HD管道標準的GB系列主要參考ISO系列標準，設(shè)計思想相同，可以歸為同一類標準體系。美國的ASME、ASTM、PPI規(guī)范是一套獨立完整的標準體系。兩系統(tǒng)都使用薄壁圓筒壓力容器方程來表示管道內(nèi)壓與設(shè)計應(yīng)力的關(guān)系，如式（5）所示：
式中 ST——給定溫度T下的設(shè)計應(yīng)力，MPa
PT——給定溫度T下的壓力，MPa
D——外徑，mm
根據(jù)徑厚比（外徑/壁厚，DR），可對式（5）進行重新排列和簡化，得到更熟悉的式（6），該公式在塑料管行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
在ISO標準體系中，設(shè)計壓力是由MRS和C決定的，如式（7）所示：
式中 PNT—20 ℃下的壓力等級，MPa
σMRS—MRS，20 ℃下的最小要求強度，MPa
C—服從ISO 4427?2的總體使用（設(shè)計）系數(shù)，大于1
美國標準體系中設(shè)計壓力是由HDB和DF決定的，如式（8）所示：
式中
PT——給定溫度T下的壓力等級，MPa
DF——服從 ASMT F714 給水管服役（設(shè)計）系數(shù)，小于1
σHDB——HDB，給定溫度 T 下的靜水設(shè)計基礎(chǔ)，
MPa
ISO標準和美國標準體系中壓力設(shè)計公式的計算原理與表現(xiàn)形式是相似的，其主要差異來自管材的許用應(yīng)力選取，其本質(zhì)上是HDB和MRS的物理意義和測試方法不同。兩個標準體系對PE?HD材料長期強度的定義以及設(shè)計系數(shù)的確定方式不同，導(dǎo)致兩個標準體系PE?HD材料的分級方法不同。
中國的GB系列PE?HD管道標準是等效參考ISO系列標準，設(shè)計思想和設(shè)計方法相同,是針對PE?HD管材的產(chǎn)品標準。中國CJJ 63和CJJ 101標準是較為獨立的施工標準，在設(shè)計系數(shù)和設(shè)計壓力的取值等方面參考金屬管道標準GB 50013和GB 50332，壁厚設(shè)計方法參考GB系列管道產(chǎn)品標準。CJJ 63和CJJ 101作為行業(yè)施工標準，更多考慮了施工過程中環(huán)境的影響，以及實際服役中瞬態(tài)壓力可能超過設(shè)計壓力的情況，設(shè)計系數(shù)的取值大于GB系列產(chǎn)品標準。
2. 3 PE?HD材料分級方法
ISO標準體系根據(jù)長期靜液壓強度對PE?HD管材進行分級，材料牌號分級數(shù)為管材的MRS 乘以10的值。ISO標準體系中常用的牌號有PE80和PE100。PE80材料的耐快速裂紋性能要求為公稱直徑250 mm、SDR11的管材在0. 8 MPa內(nèi)壓下裂紋終止擴展 ；PE100材料的耐快速裂紋性能要求為公稱直徑250 mm、SDR11的管材在1. 0 MPa內(nèi)壓下裂紋 終止擴展 。PE80材料的耐SCG性能要求為公稱直徑110 mm、SDR11的管材在80 ℃、0. 8 MPa水壓下保持500 h無破壞無滲漏；PE100材料的耐SCG性能要求為公稱直徑110 mm、SDR11的管材在80 ℃、0. 92 MPa水壓下保持500 h無破壞無滲漏。
美國對PE?HD管材有原料分級和管材分級兩種牌號。PE?HD的原料分級比較詳盡，根據(jù)ASTM D3350，PE?HD原料分級命名中包括7個物理性能，依次為原料的密度、熔體流動速率、彈性模量、屈服強度、SCG性能、23℃的HDB、顏色和紫外線穩(wěn)定劑，其中前6個指標以數(shù)字表示，最后1個指標以字母表示［22］。管材牌號分級主要規(guī)定密度、耐SCG 性能和長期靜液壓強度3個指標，由PE加4位數(shù)組成。前2位數(shù)字為材料分級中的密度和耐SCG性能，最后的2位數(shù)字表示23℃的HDS。相同管材牌號的管材可能由不同的PE?HD原料制成，如PE4710管材的原料可能為445474C或445574C等。
PE?HD給水和燃氣管道常用PE3608和PE4710牌號的管材。PE3608材料要求23℃外推10×104 h的平均環(huán)向強度與DF之積（即HDS）不小于800 psi（5. 5 MPa）； PE4710材料要求23℃外推10×104 h的平均環(huán)向強度與DF之積（即 HDS）不小于1000 psi（6. 9 MPa）。耐SCG性能方面，PE3608要求材料在80℃、2. 4 MPa拉應(yīng)力下進行PENT（Pennsylvania Notched Test）試驗，斷裂時間大于100 h；PE4710要求材料在80℃、
2. 4 MPa拉應(yīng)力下進行PENT試驗斷裂時間大于500 h。
在ISO標準體系下被指定為PE80的管材，在美國標準體系中可能達到PE3608的性能要求；在ISO標準體系下被指定為PE100的管材料，在美國標準體系中可能達到PE4710的性能要求。兩種標準體系對于材料抵抗韌性破壞和脆性破壞的性能如表3所示。
ISO標準體系中對管材的短時強度、長時強度、耐快速裂紋擴展性能和耐SCG性能4個方面的力學(xué)性能指標給出最低值限制，PE100和PE80的力學(xué)性能要求如圖3所示。這四方面力學(xué)性能并非獨立的，而是存在某些內(nèi)部相關(guān)性。美國標準體系中對管材的短時強度、長時強度和耐SCG性能3個方面的力學(xué)性能指標給出最低值限制，PE4710和PE3608的力學(xué)性能要求如圖4所示。2種標準體系對于材料長期強度和抗SCG性能的測試方法不同，無法直接比較那種方法對材料的要求更加嚴格。
2. 4 長期強度確定方法
PE?HD管材的破壞與溫度、載荷大小和載荷持續(xù)時間有關(guān)，工作壓力增加或工作溫度增加都會導(dǎo)致管材破壞時間減少，即管材的使用壽命縮短。PE?HD管道一般需要50年或以上的使用壽命，目前標準通過較短時間的試驗來外推幾十年甚至100年使用時間下管材耐受靜液壓的能力。ISO和美國兩個標準體系對于PE?HD管道長期強度的預(yù)測方法相似，均通過靜液壓試驗對管材長期靜水強度進行預(yù)測，但兩種方法的理論基礎(chǔ)略有不同。ISO 9080 中規(guī)定，管材最長的靜液壓試驗至少持續(xù)9000 h，管材破壞時的環(huán)向應(yīng)力與破壞時間數(shù)據(jù)使用多元線性回歸方法，通過對50年（438000 h）長期靜液壓強度的97. 5 %的置信下限進行歸類并依此確定材料的MRS值 。 而在ASTM D2837標準中 ，管材最長的靜液壓試驗至少持續(xù)10000 h，外推得到100000 h（約11. 4 年）的平均長期靜液壓強度，歸類以確定HDB值。ASTM D2837中規(guī)定，每種溫度應(yīng)獨立評估，因而其線性回歸模型中沒有溫度變量。而ISO 9080中可由高溫試驗結(jié)果外推低溫數(shù)據(jù)。上述兩種方法的主要不同之處如表4所示。
ISO標準體系規(guī)定PE?HD管道在水或空氣的測試環(huán)境中，環(huán)境溫度為20°C的情況下，根據(jù)能夠承受50年的應(yīng)力預(yù)測下限（在97.5%的概率水平）為預(yù)測破壞極限（σLPL）。根據(jù)σLPL范圍按照ISO 12162確定MRS分級，最終確定管道的牌號分類，如表5所示。從ISO標準體系的PE?HD管道牌號看，只能體現(xiàn)管材的長期靜液壓強度。
美國標準ASTM D2837在方法上與ISO 9080和ISO 12162相似，都是對管材試樣進行長期靜液壓試驗，特定溫度下100000h（11.4年）的平均破壞應(yīng)力定義為長期靜水強度（LTHS），按照ASTM D2837確定HDB等級，如表6所示。
ISO 9080和ASTM 2837對于長期靜液壓強度預(yù)測的本質(zhì)區(qū)別是，ISO標準預(yù)測的是管道50年置信度為97.5%的靜液壓強度，其預(yù)測值本身已考慮了材料長時性能的不確定性（包括測試方法的不確定性）；ASTM預(yù)測的是管道11.4年的平均靜液壓強度，其預(yù)測結(jié)果僅僅表示長時性能的期望值，而不包含材料本身不確定性的影響。因而對于同一種材料，采用ISO標準得到的MRS值會明顯低于通過ASTM標準測得的HDB。以此為基礎(chǔ)計算管材許用應(yīng)力，ASTM標準需要比ISO標準多考慮材料不確定性的影響，因而ASTM標準中等效的總體使用（設(shè)計）系數(shù)（1/DF）通常要大于ISO標準規(guī)定的總體使用系數(shù)（C）。
根據(jù)PPITR?3DF取0.63，根據(jù)式（3）可由HDB計算HDS。PE3608、PE3708、PE4608等牌號材料最后兩位“08”表示HDS分級為800psi（5.5MPa）。PE3710、PE4710等牌號材料最后兩位“10”表示HDS分級為1000psi（6.9MPa）。
2.5其他區(qū)別
由ISO標準體系定義的PE100管材與美國標準定義的PE4710管材，按照各自設(shè)計規(guī)范中的壓力公式計算出額定壓力等級不同。ISO標準采用公制尺寸，美國標準采用英制尺寸，兩體系PE?HD管道的標準管材外徑和壁厚均不同。同一種材料同時滿足PE100和PE4710要求時，ISO體系計算出的管道許用壓力較高。因而當按照ISO標準體系設(shè)計生產(chǎn)的PE?HD管道按照美國標準體系進行測試時，可能無法通過，但這并不意味著美國標準體系設(shè)計的PE?HD管比ISO體系的更加安全。公英制管道的轉(zhuǎn)換一般需要重新進行設(shè)計，以滿足對應(yīng)的標準體系的設(shè)計和測試要求。
作為同種材料生產(chǎn)而成的PE?HD管，材料本身的力學(xué)行為是相同的，但是使用不同標準體系進行評估得到的長期性能會有所不同，相差4%~5%［24］。PE100與PE4710管道性能要求相似，在一定條件下可以實現(xiàn)互換，目前大部分PE100或PE4710管道可以同時滿足兩個標準體系的要求。
不同標準體系對于產(chǎn)品公差的要求不同，標準中的設(shè)計系數(shù)取值也不同，不能直接比較兩種標準體系設(shè)計出的管道風(fēng)險程度大小。ISO標準中C的取值與材料牌號無關(guān)；而美國標準中DF的取值與材料牌號有關(guān)，相同的使用工況下不同材料牌號對應(yīng)的DF值可能不同。
2.6設(shè)計舉例
2.6.1算例1
對于同種管材，不同使用場合下允許使用的最大壓力不同；對于相同的使用場合，由于不同國家不同標準中的設(shè)計方法和設(shè)計系數(shù)不同，采用不同的標準計算得到的最大許用壓力也不同。
由式（7）和（8）可以計算管材的設(shè)計壓力，設(shè)計壓力只與管材的徑厚比（DR）、材料的長期強度（MRS、HDB）以及設(shè)計系數(shù)（C、DF）有關(guān)。假設(shè)某管材同時滿足PE100和PE4710牌號要求，徑厚比DR=11。在不同使用場合、不同介質(zhì)條件下，根據(jù)不同標準計算出的設(shè)計壓力如表7所示。
對于同一種材料的管道，不論用哪種設(shè)計方法，材料本身的力學(xué)行為是相同的。不同標準中對于材料評級時測試的力學(xué)性能不同，測試方法不同，參數(shù)要求不同，導(dǎo)致PE100和PE4710材料本身的不確定度不同，因此設(shè)計中所取的設(shè)計系數(shù)也不同，計算對應(yīng)的設(shè)計壓力不同。如市政給水PE?HD管道，ISO4437?2中規(guī)定材料的總體使用（設(shè)計）系數(shù)C為1.25，材料環(huán)向強度以MRS表示，為10MPa，則管材環(huán)向許用應(yīng)力為8MPa，設(shè)計壓力為1.6MPa。而若根據(jù)ASTMD3035，服役（設(shè)計）系數(shù)DF為0.63，材料環(huán)向強度以HDB表示，為1600psi（11.03MPa），則環(huán)向許用應(yīng)力為6.95MPa，設(shè)計壓力為1.38MPa。
PE100牌號管材的MRS為10MPa，指材料的長期環(huán)向強度為10MPa，對于不同使用場合和介質(zhì)，泄漏的風(fēng)險程度和危害程度不同，所取的設(shè)計系數(shù)不同，導(dǎo)致設(shè)計壓力有所區(qū)別。PE4710材料的HDS為1000 psi（6.9MPa），指材料的長期環(huán)向許用應(yīng)力為1000 psi（6.9MPa），其中已經(jīng)包含了各種影響因素共同作用下的設(shè)計系數(shù)，即美國標準體系中的PE?HD材料分級已經(jīng)考慮管材的使用場合和介質(zhì)。兩種標準體系沒有辦法直接比較哪種更加保守。
2.6.2算例2
假設(shè)某類管材同時滿足PE100和PE4710牌號要求，需要外徑110 mm左右的管道，使用在工作壓力0.7 MPa、設(shè)計溫度23℃的工況下，設(shè)計壽命為50年。根據(jù)不同標準選取所需的管材規(guī)格如表8所示。
ISO標準體系使用公制單位，美國標準體系使用英制單位，并且壁厚系列也不完全相同。由于管材的規(guī)格必須按照產(chǎn)品標準選取相應(yīng)尺寸系列的壁厚，選取的壁厚一般會大于計算得到的最小壁厚。相同的壓力和溫度要求下，即使計算壁厚值接近，由于標準中給定的壁厚系列各不相同，選取的壁厚值也可能相差較大。如PE4710燃氣管道，計算得最大徑厚比為20.9，根據(jù)標準可選擇DR19系列管材。而對于PE100燃氣管道，計算得最大徑厚比為15.3，根據(jù)ISO 4437?2可選擇SDR13.6系列的管材，但根據(jù)GB 15558.1只能選用SDR11系列管材，導(dǎo)致安全裕量較大，存在一定程度的材料浪費。
3中國PE?HD管材標準存在的問題
3.1標準制定更新滯后
我國現(xiàn)行的市政用PE?HD管道GB系列產(chǎn)品標準主要參考ISO體系標準，有些標準參考的是十年前甚至更早的ISO標準，而對應(yīng)的ISO標準有些已經(jīng)被新標準替換，如表9所示。我國PE?HD管道GB系列產(chǎn)品標準相對來說修訂滯后。
我國應(yīng)當加快緊缺、老化標準的研制和更新力度。建議對早于10年前頒布實施的標準進行篩查，廢止較老舊的標準，以及部分沖突和重復(fù)的標準。
3.2標準體系不夠完善
我國現(xiàn)行的PE?HD管道產(chǎn)品標準和施工標準對PE?HD管道生產(chǎn)加工和產(chǎn)品檢驗方面做出了規(guī)定。這些標準主要制定單位來自上游的管材原材料供應(yīng)商和管材生產(chǎn)企業(yè)，缺少對使用單位等下游用戶訴求的體現(xiàn)。相比于美國的ASME NM.1?2018和ASME NM.3?2018，我國缺少系統(tǒng)的PE?HD管設(shè)計規(guī)范，也沒有完整的標準體系框架，這導(dǎo)致標準的研制缺乏計劃性和科學(xué)性。另一方面，標準歸口管理機構(gòu)較多，相互之間協(xié)調(diào)推進機制不完善，造成目前PE?HD管道標準體系中存在互相沖突、互相交叉等問題［25］。設(shè)計方可以通過設(shè)計規(guī)范，結(jié)合實際不同工況條件設(shè)計需要的管材尺寸，再根據(jù)產(chǎn)品標準選擇適合的管材規(guī)格。
產(chǎn)品標準主要面向?qū)ο鬄镻E?HD管道的制造商，其適用于管材產(chǎn)品的加工和制造，用于規(guī)范產(chǎn)品的尺寸和質(zhì)量。PE?HD管道系統(tǒng)的設(shè)計要求與金屬管道有很大不同，起初設(shè)計者曾嘗試使用金屬管道標準解決PE?HD管道材料的使用問題，但行業(yè)經(jīng)驗表明，金屬管道標準無法解決PE?HD管道的適用范圍、設(shè)計、材料、制造、安裝、焊接等問題［26］。
目前PE?HD管主要應(yīng)用于燃氣和給水領(lǐng)域，已有對應(yīng)的標準。近年來核電廠也開始采用PE?HD管道，而我國目前沒有適用于核安全級的PE?HD管道標準。對于設(shè)計規(guī)范而言，不論用于燃氣、給水還是核電冷卻水，設(shè)計方法應(yīng)當是相同的。對于不同使用場合下載荷情況的區(qū)別、不同安全級別對于失效概率要求的區(qū)別、不同介質(zhì)泄漏危害的區(qū)別等，應(yīng)當考慮不同的設(shè)計系數(shù)［27］。
我國PE?HD管道標準體系的建設(shè)應(yīng)按照目標明確、全面成套、層次分明、劃分清晰的原則進行，形成一個科學(xué)系統(tǒng)的整體［25］。設(shè)計規(guī)范面向服役工況，計算和設(shè)計不同工況下所需的管道壁厚和管件結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品標準面向制造商，應(yīng)規(guī)定PE?HD管道的尺寸規(guī)格和公差、加工方法和測試要求等。施工標準面向現(xiàn)場施工人員，應(yīng)規(guī)定實際安裝過程中的操作方法。
3.3對塑料管道行業(yè)的影響
ISO標準體系使用公制單位，美國標準體系采用英制單位。管材生產(chǎn)的尺寸規(guī)格按照優(yōu)先數(shù)取值，兩種標準體系中的管材尺寸系列完全不同。這意味著生產(chǎn)不同標準體系管材使用的擠出機模具不能通用，需要針對不同直徑規(guī)格的管材配備對應(yīng)尺寸的模具。連接管材所用的管件需要與管材尺寸匹配，按照不同標準體系生產(chǎn)管件的模具規(guī)格也不同。
PE?HD管道產(chǎn)品標準和施工標準中對設(shè)計系數(shù)的規(guī)定不統(tǒng)一，不同用途的管道有不同的設(shè)計系數(shù)，施工中為了安全一般選擇較為保守的設(shè)計系數(shù)，使得最終管道用戶的使用壓力一般處于較低水平。以PE100，SDR11燃氣PE?HD管為例，按照屈服強度25 MPa計算，短時爆破壓力5 MPa；50年預(yù)測MRS為10 MPa，對應(yīng)內(nèi)壓為2 MPa。按照產(chǎn)品標準GB 15558.1取C=2，最大使用壓力1.0 MPa；按照施工標準CJJ 63取C=2.5，最大使用壓力0.8 MPa。而實際工程中天然氣管道工作壓力約0.3~0.4 MPa。燃氣管道一層一層的強度余量保留，造成了聚乙烯管材的性能過剩和材料浪費，如圖5所示。
ISO標準體系和美國體系中對于PE?HD管材外徑和壁厚的尺寸公差要求不同，從數(shù)值上看ISO標準體系中對于壁厚公差限制更嚴格一些。對于管材生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)ISO標準體系管材對設(shè)備精度要求更高。
ISO和美國標準體系對PE?HD管材的分級依據(jù)不同，同一種原材料生產(chǎn)的管材會被定義為不同的牌號，根據(jù)各自標準體系的壓力計算公式得到不同的設(shè)計壓力。實際應(yīng)用到市政領(lǐng)域中會出現(xiàn)相同材料的管道依據(jù)不同標準設(shè)計安裝時，具有不同的工作壓力的情況。
3.4不同標準體系共存
我國目前PE?HD管道產(chǎn)品生產(chǎn)、檢驗等標準遵循ISO標準體系的方法和思想，但是對于ISO標準沒有涉及到的領(lǐng)域，如核電廠安全相關(guān)PE?HD管道，只能按照美國標準體系進行設(shè)計和選型。同時兼顧兩套標準體系的要求必然會造成成本的增加，但是兩套標準對管材的生產(chǎn)加工到設(shè)計計算都有完全不同的要求。因此我國需要發(fā)展獨立自主的標準體系，為核電廠PE?HD管道國產(chǎn)化提供設(shè)計基礎(chǔ)。
核安全級設(shè)備的要求較高，對聚乙烯管道的技術(shù)和質(zhì)量要求較為嚴格。目前ASME的核電聚乙烯管標準已經(jīng)較為完整，N?755和ASMEB PVC.III.A?XXVI規(guī)定只許使用PE4710牌號的管道，但并不是所有PE100的管材都符合PE4710的性能要求，這會給如中國這樣采用ISO標準體系的國家?guī)眍~外的障礙或負擔［28］。
本文對比不同的核電管道設(shè)計規(guī)范發(fā)現(xiàn)，各標準的設(shè)計原理與思路相似，管材壁厚設(shè)計公式相似。我國若編制獨立自主的PE?HD管道設(shè)計規(guī)范，不應(yīng)當完全采用ISO或美國的標準條款，應(yīng)根據(jù)我國現(xiàn)有的材料標準、產(chǎn)品標準、檢驗標準、制造水平等配套地編寫適用于我國國情的標準［29］。制定合理的設(shè)計方法關(guān)鍵在于結(jié)合PE?HD材料的長期強度制定合理的設(shè)計系數(shù)的取值方法，需要在研究ISO和美國標準體系中設(shè)計系數(shù)的取值方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)材料和系統(tǒng)的失效概率、失效后果、載荷情況研究確定相應(yīng)的設(shè)計系數(shù)。
3.5中國標準體系發(fā)展建議
完整的PE?HD管道標準體系應(yīng)包括材料標準、產(chǎn)品標準、設(shè)計規(guī)范、施工標準和檢驗檢測標準等，各標準應(yīng)相互協(xié)調(diào)配合，完整覆蓋PE?HD管道從生產(chǎn)加工到服役使用的全過程。同時應(yīng)明確各類標準的適用范圍，明確目標，劃分清晰，避免出現(xiàn)交叉重疊。
材料標準應(yīng)包括原材料性能的測試方法，解決原材料認證和供應(yīng)問題，支撐國產(chǎn)材料的發(fā)展，我國已有標準GB/T 18252等。產(chǎn)品標準應(yīng)能夠確保聚乙烯管道從原材料經(jīng)過制造，仍保留了原材料性能要求，并能根據(jù)不同的設(shè)計壓力確定產(chǎn)品規(guī)格，我國已有標準GB 15558.1和GB/T 13663.2等。設(shè)計規(guī)范應(yīng)針對載荷（溫度/壓力等載荷）、環(huán)境（介質(zhì)）等因素進行設(shè)計，滿足服役條件。應(yīng)使設(shè)計者能夠根據(jù)設(shè)計工況條件和具體使用時的安全性、可靠性要求，依據(jù)標準可以確定合適的管材規(guī)格。目前我國沒有單獨的設(shè)計規(guī)范，可以研究參考美國標準ASME NM.3.1，對不同載荷引起的管道最大應(yīng)力進行限制，考慮溫度循環(huán)引起的疲勞等。施工標準是施工過程中應(yīng)遵守的規(guī)范，在管道連接和敷設(shè)過程中考慮環(huán)境和操作條件的限制和影響，確保工程質(zhì)量和安全供給，我國已有標準CJJ 63和CJJ 101等。檢驗檢測標準應(yīng)包含無損檢測的方法、要求以及相關(guān)的安全評定方法等，我國已制定標準GB/T 29461和GB/T 29460等。
目前，我國PE?HD管道各類標準中存在交叉、重疊甚至矛盾的問題。如PE?HD燃氣管道GB 15558.1、2系列產(chǎn)品標準參考ISO 4437?1、?2、?3系列標準，其中對PE?HD管道壁厚設(shè)計公式中已經(jīng)定義了C的最小值可取2.0，而施工標準CJJ 63中將C的最小值提高到2.5。GB 15558中只給出了C的最小值，沒有明確說明C取值所考慮的影響因素，例如載荷不確定度、材料不確定度、環(huán)境因素以及失效后果等的影響。CJJ 63根據(jù)不同的燃氣種類，給出了天然氣、液化石油氣和人工煤氣的C值范圍，但是對于載荷和材料的不確定度等因素對C取值的影響，沒有明確的說明。建議標準中明確列出C的取值方法和依據(jù)，使設(shè)計者能夠根據(jù)載荷情況和安全等級判斷所需的安全裕量，在設(shè)計或施工中選擇合理的設(shè)計系數(shù)，減少生產(chǎn)成本。
標準中應(yīng)考慮PE?HD材料的力學(xué)特性。如CJJ 101?2016中設(shè)計壓力采用l.5倍工作壓力是考慮運行中水錘殘余壓力增大確定的，是為了保證使用期間出現(xiàn)短時的超過工作壓力的內(nèi)壓載荷時管材仍可以承受。對于長期強度和短期強度接近的金屬材料，由于短期出現(xiàn)的超過工作壓力的載荷形成的應(yīng)力更大，將1.5倍工作壓力作為設(shè)計壓力的規(guī)定對于金屬管道是科學(xué)的。而聚乙烯是黏彈性材料，長期強度和短期強度相差很大，對于長期載荷和短期載荷應(yīng)該分開校核，如ASME BPVC.III.A?XXVI?2019中列出了不同作用時間情況下，材料強度和模量的取值，以及對應(yīng)的校核公式。
PE?HD管道標準體系中，不同標準之間可以相互配合與協(xié)調(diào)。如CJJ 33《城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)范》規(guī)定，當無損檢測比例為100%時，管道設(shè)計的焊縫系數(shù)為1。無損檢測通過獲取管道更多信息，減小管道系統(tǒng)運行服役的不確定性，降低設(shè)計安全系數(shù)，從而提高管道的經(jīng)濟性和可靠性。
完善PE?HD管道標準體系應(yīng)充分發(fā)揮現(xiàn)有優(yōu)勢。我國PE?HD管道電熔接頭無損檢測與安全評定技術(shù)標準處于國際領(lǐng)先水平。如GB/T 29461《聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測》，相比ASTM標準，除了給出常規(guī)的檢測工藝與程序要求，還包含了冷焊缺陷的檢測方法，并且給出各類典型缺陷的超聲圖譜對照圖，更加便于檢測人員實施。
在追蹤國外標準更新動態(tài)的同時，加大科研投入，結(jié)合我國標準實施情況以及產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)的實踐經(jīng)驗，發(fā)揮現(xiàn)有優(yōu)勢，在現(xiàn)行PE?HD管道相關(guān)技術(shù)標準的基礎(chǔ)上，提出適合我國的完整完善的標準體系，解決目前我國標準中存在的部分技術(shù)要求規(guī)定不明確和相關(guān)標準間沖突等問題。
4結(jié)語
PE?HD材料與金屬材料相比具有耐腐蝕、密度小、壽命長等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于給水和燃氣等領(lǐng)域。PE?HD管道的壁厚設(shè)計主要考慮材料強度隨時間的下降，而金屬管道的壁厚設(shè)計主要考慮材料的腐蝕。PE?HD管道與金屬管道失效模式的不同導(dǎo)致了二者的壁厚設(shè)計公式的不同。PE?HD管道的設(shè)計需要結(jié)合材料本身的力學(xué)性質(zhì)，不能完全按照金屬管道的設(shè)計方法。
ISO標準體系與美國標準體系對于PE?HD管道的材料的分級方法和長期強度確定方法的規(guī)定不同，相同的PE?HD材料制成的管材使用不同的標準體系會被認證為不同牌號的管材，按照各自體系中的設(shè)計公式得到不同的設(shè)計壓力。目前我國PE?HD管道標準主要是由ISO標準翻譯后修改而來，并且與ISO標準相比存在著較為嚴重的滯后現(xiàn)象。我國在某些場合（如核電廠）的PE?HD管道系統(tǒng)會使用美國的相關(guān)規(guī)范，兩套體系的并存可能會引起生產(chǎn)成本的增加。相比美國PE?HD管道標準體系，ISO標準體系中設(shè)計方法部分并不完善，但是我國現(xiàn)有產(chǎn)品標準沿用了ISO標準的分級思想和尺寸系列。因為要制定完善的PE?HD管道標準體系，不應(yīng)單一的參考ISO標準或美國標準，應(yīng)在我國現(xiàn)有GB標準的基礎(chǔ)上，以ISO管材分級方法為基礎(chǔ)，借鑒美國標準的設(shè)計思想，發(fā)展獨立自主的管道規(guī)范。應(yīng)當逐漸積累自己的測試方法和數(shù)據(jù)，考慮國內(nèi)目前的標準體系情況與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，制定與我國生產(chǎn)、測試、檢測條件相匹配的獨立的PE?HD管道技術(shù)標準體系，支撐我國PE?HD管道行業(yè)的健康快速發(fā)展。
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