PCCP輸水工程設計應用常見問題探討

　　國的原材料規(guī)范與我國規(guī)范存在一些差異，且美國標準的單位制采用了英制單位，我國采用的是國際單位制，這就給國內設計人員帶來諸多不便，如果研究不透盲目引用還容易出現(xiàn)差錯。所以，為了我國的PCCP健康發(fā)展，建議編制一套適合我國國情的設計、制作和安裝標準。

　　2 管材設計荷載及內壓合理

　　選擇PCCP的設計荷載和內壓，能夠使工程既安全可靠又不會造成工程投資的浪費。美國供水工程協(xié)會ANSI /AWWAC304-99對PCCP結構設計規(guī)定了三種內壓，即工作壓力P_w、試驗壓力P_ft和瞬時壓力P_t，同時還規(guī)定，在買方?jīng)]有特別規(guī)定時試驗壓力Pf_t取工作壓力P_w的1.2倍，瞬時壓力P_t增加值取0.4倍工作壓力。從筆者在多年從事PCCP輸水工程咨詢中發(fā)現(xiàn)，國內有些工程對這三種壓力取值是不夠合理的，大部分是過于保守，將輸水管道可能發(fā)生的非正常工況下的瞬時最大壓力規(guī)定為PCCP的，導致PCCP管材的壓力等級偏高，使得工程投資嚴重浪費；也有的工程在某種工況下偏安全，如將在管道正常運行的壓力上再提高一個工壓等級規(guī)定為工作壓力P_w，但是又未對輸水管線進行水力過渡過程分析計算，所以也就不再對PCCP的瞬時壓力進行特別要求，而輸水管線上的閥門關閉時間又較短，實際關閥過程發(fā)生的瞬時壓力增加值遠遠大于0.4倍工作壓力，又出現(xiàn)了不安全工況。所以建議廣大工程技術人員在工程設計中一定要合理選擇各種壓力。工作壓力P_w取工程正常運行工況下的壓力，但瞬時壓力增加值一定要結合水力過渡過程分析計算結果選擇，如果瞬時壓力增加值太大時可采用延長閥門關閉時間等其他措施解決。

　　3 接頭試驗壓力的合理選擇

　　為了在PCCP安裝過程中及時檢查橡膠密封圈是否完全到位，對過去采用測縫規(guī)進行檢查的方法做了改進，到上世紀90年代初，發(fā)明了接頭雙膠圈PCCP，這樣就可以做到對安裝到位的每節(jié)PCCP接頭進行水壓試驗以檢查其密封性。國外的PCCP雙膠圈一條為工作膠圈另一條為試壓膠圈，出于方便安裝角度，試壓膠圈直徑略小于工作膠圈。我國目前采用的是等直徑雙膠圈，從大部分工程安裝實際來看，盡管從理論上來講等直徑雙膠圈PCCP安裝難度略大于不等徑膠圈，但在實際安裝過程都能實現(xiàn)。但是，對接頭的試驗壓力沒有統(tǒng)一標準，取值差異非常之大，在有的工程中設計單位要求試驗壓力取管材工作壓力的1.5倍，如，某工程采用的PCCP設計工壓為1.5MPa，接頭試驗壓力就要取2.25MPa，且要經(jīng)過不同時段的3、4次重復打壓試驗，有的前兩次打壓試驗能夠穩(wěn)壓，到第3、4試壓就不滿足了，還有的將試驗壓力提高到一定程度后突然掉壓，然后再打壓就無法穩(wěn)壓了，使得輸水管線工程接頭試壓不合格率非常之大。在兩條膠圈之間進行密封檢驗，打壓合格的接頭肯定不會漏水，盡管打壓不合格的接頭不能正明該接頭就會漏水，但又無法證明該接頭不漏水。在經(jīng)過測量證明管道豎向位移未超過規(guī)范規(guī)定值后，項目業(yè)主猜疑PCCP管道接頭承插口鋼圈不合格、或橡膠密封圈不合格、或存在安裝質量問題，最后又不得不用高額費用對每條內接縫進行缺陷處理。究其原因，大部分是管道接頭試驗壓力規(guī)定不合理造成的，如前所述，對PCCP接頭雙膠圈之間進行打壓試驗是檢驗其密封性，如果采用等同對PCCP內壓的試驗壓力進行打壓，由于其試驗方式與管材承受內壓的工作工況完全不同，所以在高工壓PCCP接頭試驗中穩(wěn)不住壓（即試壓不合格）屬于正常現(xiàn)象。這就要求處了我們工程設計人員要合理規(guī)定接頭試驗壓力外，PCCP制作廠家也應該向工程建設業(yè)主提出合理的接頭試驗壓力建議值，避免引起不必要的合同糾風。

　　4 管芯混凝土強度、厚度和纏絲面積的優(yōu)化

　　美國以前PCCP設計是根據(jù)ANSI/AWWAC301附錄A法和B法。在1992年美國頒布了ANSI/AWWAC304-92作為PCCP的設計規(guī)范，是極限狀態(tài)的設計方法，其設計準則有3項：即使用可靠性極限、彈性極限和強度極限。其方法主要依據(jù)以下4方面：

　?。?）混凝土和砂漿受拉和受壓時的應變極限以及預應力鋼絲和鋼筒受拉時的應變極限；（2）在考慮混凝土和砂漿強度的同時，又有為混凝土和砂漿始發(fā)裂縫和可見裂縫提供判別標準的應力—應變曲線；（3）管芯混凝土防止塑性變形和預應力損失的抗壓極限；（4）確保在各種荷載作用下，鋼絲控制在屈服強度以內和管體不破壞必備的最小安全系數(shù)的強度極限。

　　采用ANSI/AWWAC304給出的設計方法和配套軟件進行管道結構設計計算時，同一種工況的PCCP可以有很多種設計計算結果，盡管各種設計均符合規(guī)范要求，且滿足管道結構穩(wěn)定和安全。但不同的設計對管道的質量、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)進度都會帶來不同程度的影響。因此，應對管芯混凝土強度、厚度、單/雙纏絲、纏絲面積等方面進行優(yōu)化，以降低生產(chǎn)成本。同時還應兼顧管型數(shù)量、管芯模具等設備的充分利用等因素。

　　5 PCCP標準管及管配件防腐

　　對于PCCP標準管，如果輸送介質對管芯混凝土不存在腐蝕性，那么管道內表面不需要做任何防腐層；管道外部水泥砂漿保護層本身是保護PCCP的核心部分—高強鋼絲不受腐蝕的，  其水泥砂漿保護層是否需要設置外防腐主要取決于管線敷設環(huán)境，即要看管線沿線的土壤和地下水中是否存在對水泥砂漿造成腐蝕的化學成份，管線沿線是否存在對高強鋼絲形成電化學腐蝕的雜散電流，特別應該注意的是PCCP管線附近是否安裝有其他鋼制管道。在山西省萬家寨引黃聯(lián)接段工程43.5km的PCCP輸水管線中，根據(jù)對敷設環(huán)境取樣分析結果，其中總長度為4km的三段線路的地下水對混凝土存在弱、中等腐蝕，故對其外保護層設了厚度400µm的環(huán)氧煤瀝青防腐涂層。從近10年國內一些PCCP輸水工程來看，部分工程PCCP標準管防腐設置基本沒有針對性，存在盲目跟從現(xiàn)象。

　　配件或管配件是在卷制焊接成的鋼管兩端焊接標準承插口鋼圈，然后在鋼管內外設置焊接鋼絲網(wǎng)片水泥砂漿，該水泥砂漿層既起到對鋼管的保護作用又與鋼管聯(lián)合承受外荷載，配件包括彎管、變徑管、+字形管、Y形管、T形管等等。但在國內部分工程中已經(jīng)完全改變了“配件”的定義，對鋼制配件完全按鋼管對待，鋼管內外設化學涂層或鋼管內設化學涂層外包鋼筋混凝土。這樣做的結果是工程投資浪費、鋼管防腐效果差、施工速度慢。

　　6 PCCP安全運行監(jiān)測和斷絲檢測

　　盡管PCCP的優(yōu)良品質是眾所周知的，在國外已運行的PCCP輸水工程中，也有一些工程發(fā)生過爆管、滲漏等事故。據(jù)統(tǒng)計資料，1942～2006年的65年中，美國共發(fā)生了399次爆管事故；利比亞大人工河一期工程僅投入運行6年就發(fā)生首次爆管（1999年），至今已發(fā)生5起爆管事件。PCCP在我國的使用年限還不長，爆管事故尚未見報道，但是由于外界因素造成管道漏水事故已發(fā)生多起。無論何種原因造成的管道漏水，都不易檢測其準確位置（大量漏水情況除外）。過去常用的方法有：

　　區(qū)域流量法，利用某一區(qū)段管道的測流設備顯示出的流量差進行判斷；音聽檢漏法，利用測漏儀等設備在周圍無噪聲條件下檢測；聲相關法，使用漏水聲波相關測量的設備，利用聲波相關特性和傳播特性進行漏水點定位檢測。

　　隨著對輸水管道滲漏檢測的需求，國外針對以上問題發(fā)明了SmartBall自由浮游式檢漏系統(tǒng)、P-Wave電磁法探測技術和SoundPrint聲發(fā)射監(jiān)測技術等先進技術，這些技術手段不僅能夠測量出管道漏水的準確位置，而且還能夠檢測出PCCP外壁破損及高強鋼絲斷裂情況，以便管理人員及時對事故管道進行處理。

　　2010年3月加拿大Pure公司采用P-Wave對國內某工程全部2400節(jié)DN2800PCCP進行了斷絲檢測，在所探測的2400節(jié)管道中18節(jié)管道出現(xiàn)斷絲，其中13節(jié)管道斷絲數(shù)量在1～5根之間，5節(jié)管道斷絲數(shù)量在6～10根之間，且同一節(jié)管均只有1處斷絲，該工程是在停水排空管道情況下進行的。據(jù)了解國內還有一些工程將計劃在運行工況下采用PipeDiver進行斷絲檢測。

　　7 結語預應力鋼筒混凝土管（PCCP）

　　在我國已有20多年的發(fā)展歷史，在全國各地引調水工程中得到了廣泛應用，近幾年還應用于城市供水管網(wǎng)。制管企業(yè)也由上世紀90年代初的2個發(fā)展到分布于全國各地的40余個，部分管廠生產(chǎn)出的PCCP質量已達到國際先進水平，其他管廠生產(chǎn)出的PCCP質量也總體呈上升趨勢。但由于我國目前還沒有一套完整的PCCP設計、制作和安裝標準，部分工程技術人員在采用規(guī)范標準上存在理解差異，導致在一些工程設計中還存在一些不足之處需不斷改進和提高。

　　參考文獻：

　　[1] 孫紹平，等，預應力鋼筒混凝土管在工程中的應用，特種結構，2003（3）.

　　[2] 奚軍，PCCP設計中的幾點體會，山西水利科技，2002（3）.

　　[3] 孟晉忠，對PCCP輸水工程設計應用中幾個問題的探討，混凝土世界，2010（1）.

　　[4] ANSI/AWWAC301-99，AWWA STANDARD FOR PRESTRSSEDCONCRETE PRSSURE PIPE, STEEL-CYLINDER TYPE.

　　[5] ANSI/AWWAC304-99，DESIGN OF PRESTRSSED CONCRETECYLINDER PIPE.

　　作者簡介：孟晉忠，男，1960年生，山西靈石縣人，中共黨員，1983年畢業(yè)于太原工學院水利水電工程建筑專業(yè)，工程碩士學位。教授級高級工程師，國家注冊土木工程師。