聚乙烯（PE）管由于具有耐腐蝕、高韌性、安裝方便等優點,目前在城鎮燃氣與輸水領域得到了廣泛應用[1]。據統計,在我國新鋪設的中低壓城鎮燃氣埋地管線中,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,當臺風天氣大樹被吹倒時,管道會隨樹根一起被拔起,從而使管道連接薄弱處發生斷裂,造成管道泄漏安全事故[2]。 

在城鎮燃氣埋地聚乙烯管道定期檢驗時,對深根植物占壓或間距不足管道開挖檢驗,發現植物根系纏繞導致PE80管道表面出現大面積的細小黑絲痕跡,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行更換。 

為了更好地指導后續定期檢驗工作,有必要對該處管道進行材料性能檢測。作者首先對更換下來的管道取樣進行壁厚測量,以驗證管道壁厚變化情況；然后對痕跡部位管段進行滲透檢測,以驗證管材的致密性；最后對取樣管道內外表面不同部位進行紅外光譜測試,以驗證管材成分變化,判斷其是否發生老化或腐蝕問題。 

1.   某聚乙烯燃氣管道定期檢驗概述

2022年6月至8月期間,在對廈門市海滄區公用燃氣管道進行定期檢驗時,發現街樹與PE管道的間距普遍不滿足GB 50028-2020《城鎮燃氣設計規范》規定的“管道至樹中心的水平距離應大于0.75 m”的要求。經調查,管道鋪設先于城市綠化種植。按TSG D7004-2010《壓力管道定期檢驗規則——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   設備概況

被檢裝置為廈門海滄區壓力管道,單元名稱為海滄大道燃氣工程和浪琴灣燃氣工程。海滄大道燃氣工程管道的安裝日期為2004年12月20日,浪琴灣燃氣工程管道的安裝日期為2004年8月31日,管道設計壓力為0.4 MPa,運行壓力為0.18 MPa,規格分別為D250和D6,管材為聚乙烯。定期檢驗發現問題的管道開挖點位置如圖1所示。 

圖  1  管道開挖點位置

Figure  1.  Location of pipe excavation point

1.2   檢驗發現的問題

植物根系會對早期采用石油瀝青防腐蝕層的鋼質管道產生破壞,主要表現為擠壓破壞和穿刺破壞。而目前尚未發現植物根系對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管道防腐蝕層破壞影響最嚴重[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生溶脹作用,同時聚乙烯材料在土壤環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細小的黑絲痕跡,如圖2所示。在開挖管道上5個位置,都發現大面積的細小黑絲痕跡,這些黑絲像細小的龜裂紋,容易被誤認為管道老化現象。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生的影響,需要通過理化試驗等技術手段進一步進行驗證。 

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

在發現問題的管道開挖處,首先進行了現場泄漏檢測：通過激光甲烷檢測儀并結合肥皂泡進行泄漏檢測。檢測結果表明,管道未發生泄漏事故。為了解黑絲痕跡對管道產生的影響,對表面出現黑絲的管道進行以下試驗。 

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,同時利用游標卡尺進行復核,具體如圖3所示。 

圖  3  根系分泌物影響區域壁厚測量

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的聚乙烯試塊進行標定,測量時探頭面與管道面保持良好的接觸耦合。游標卡尺測量管道兩端,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NB/T 4701.5-2015《承壓設備無損檢測　第5部分：滲透檢測》,對受根系分泌物影響的聚乙烯管道進行表面滲透檢測,如圖4所示。檢測過程同時進行靈敏度試塊檢測,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進行8等分,8個環向等分位置分別標記為1號至8號,見圖5（a）；然后將試樣沿軸向進行3等分,3個軸向等分位置分別標記為a、b、c,見圖5（b）；共取樣24份,如圖5（c）所示。從聚乙烯管道內部（標記為9號）沿軸向3等分取樣,3份平行樣分別記為9a、9b、9c。分別對上述標記的取樣位置進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.   結果與討論

3.1   壁厚測量結果

對根系分泌物影響區域壁厚進行測量,分別得到超聲波測厚結果和游標卡尺測量結果,如表1所示。 

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、超聲波測厚標定誤差以及游標卡尺測量誤差,上述偏差仍在允許的范圍。而從兩種測厚方法的結果來看,超聲波測厚結果與游標卡尺測量結果偏差不大,最大偏差為0.28 mm,因此現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   滲透檢測結果

對根系分泌物影響區域進行滲透檢測,同時驗證了監測靈敏度,結果如圖6所示。 

圖  6  滲透檢測結果

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域清晰可見,說明滲透檢測劑系統靈敏度符合要求；管道表面劃痕的滲透顯示為偽顯示,根系分泌物影響（管道表面細小黑絲痕跡）區域無滲透。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   紅外光譜測試結果

對取樣管道不同部位進行紅外光譜測試,結果表明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果為例進行說明,如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知,不同波數下,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準圖譜進行對比,結果表明測試圖譜與聚乙烯標準圖譜一致,說明測試樣品為聚乙烯。聚乙烯管道表面與內部的紅外光譜譜圖是一致的,管材性能未發生改變。 

檢驗過程發現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,證實管材未發生老化降解現象,植物根系分泌物對管道安全未產生直接影響。 

4.   結論

（1）早期PE80管道表面因植物根系纏繞而出現大面積的細小黑絲痕跡,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）泄漏檢測未發現管道存在泄漏問題,壁厚測量、滲透檢測和紅外光譜測試,也證實管材未發生老化降解現象,管材性能未發生改變。 

（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生直接影響,但后續定檢中還需要更多的關注根系纏繞導致的管道拉伸變形問題。 

（4）建議后續加強對綠化施工的監管,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險。

文章來源——材料與測試網