PCCP輸水工程設(shè)計(jì)應(yīng)用常見(jiàn)問(wèn)題探討

　　國(guó)的原材料規(guī)范與我國(guó)規(guī)范存在一些差異，且美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的單位制采用了英制單位，我國(guó)采用的是國(guó)際單位制，這就給國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)諸多不便，如果研究不透盲目引用還容易出現(xiàn)差錯(cuò)。所以，為了我國(guó)的PCCP健康發(fā)展，建議編制一套適合我國(guó)國(guó)情的設(shè)計(jì)、制作和安裝標(biāo)準(zhǔn)。

　　2 管材設(shè)計(jì)荷載及內(nèi)壓合理

　　選擇PCCP的設(shè)計(jì)荷載和內(nèi)壓，能夠使工程既安全可靠又不會(huì)造成工程投資的浪費(fèi)。美國(guó)供水工程協(xié)會(huì)ANSI /AWWAC304-99對(duì)PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定了三種內(nèi)壓，即工作壓力P_w、試驗(yàn)壓力P_ft和瞬時(shí)壓力P_t，同時(shí)還規(guī)定，在買方?jīng)]有特別規(guī)定時(shí)試驗(yàn)壓力Pf_t取工作壓力P_w的1.2倍，瞬時(shí)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(guó)內(nèi)有些工程對(duì)這三種壓力取值是不夠合理的，大部分是過(guò)于保守，將輸水管道可能發(fā)生的非正常工況下的瞬時(shí)最大壓力規(guī)定為PCCP的，導(dǎo)致PCCP管材的壓力等級(jí)偏高，使得工程投資嚴(yán)重浪費(fèi)；也有的工程在某種工況下偏安全，如將在管道正常運(yùn)行的壓力上再提高一個(gè)工壓等級(jí)規(guī)定為工作壓力P_w，但是又未對(duì)輸水管線進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程分析計(jì)算，所以也就不再對(duì)PCCP的瞬時(shí)壓力進(jìn)行特別要求，而輸水管線上的閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間又較短，實(shí)際關(guān)閥過(guò)程發(fā)生的瞬時(shí)壓力增加值遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)人員在工程設(shè)計(jì)中一定要合理選擇各種壓力。工作壓力P_w取工程正常運(yùn)行工況下的壓力，但瞬時(shí)壓力增加值一定要結(jié)合水力過(guò)渡過(guò)程分析計(jì)算結(jié)果選擇，如果瞬時(shí)壓力增加值太大時(shí)可采用延長(zhǎng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間等其他措施解決。

　　3 接頭試驗(yàn)壓力的合理選擇

　　為了在PCCP安裝過(guò)程中及時(shí)檢查橡膠密封圈是否完全到位，對(duì)過(guò)去采用測(cè)縫規(guī)進(jìn)行檢查的方法做了改進(jìn)，到上世紀(jì)90年代初，發(fā)明了接頭雙膠圈PCCP，這樣就可以做到對(duì)安裝到位的每節(jié)PCCP接頭進(jìn)行水壓試驗(yàn)以檢查其密封性。國(guó)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(guó)目前采用的是等直徑雙膠圈，從大部分工程安裝實(shí)際來(lái)看，盡管從理論上來(lái)講等直徑雙膠圈PCCP安裝難度略大于不等徑膠圈，但在實(shí)際安裝過(guò)程都能實(shí)現(xiàn)。但是，對(duì)接頭的試驗(yàn)壓力沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，取值差異非常之大，在有的工程中設(shè)計(jì)單位要求試驗(yàn)壓力取管材工作壓力的1.5倍，如，某工程采用的PCCP設(shè)計(jì)工壓為1.5MPa，接頭試驗(yàn)壓力就要取2.25MPa，且要經(jīng)過(guò)不同時(shí)段的3、4次重復(fù)打壓試驗(yàn)，有的前兩次打壓試驗(yàn)?zāi)軌蚍€(wěn)壓，到第3、4試壓就不滿足了，還有的將試驗(yàn)壓力提高到一定程度后突然掉壓，然后再打壓就無(wú)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(jìn)行密封檢驗(yàn)，打壓合格的接頭肯定不會(huì)漏水，盡管打壓不合格的接頭不能正明該接頭就會(huì)漏水，但又無(wú)法證明該接頭不漏水。在經(jīng)過(guò)測(cè)量證明管道豎向位移未超過(guò)規(guī)范規(guī)定值后，項(xiàng)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(zhì)量問(wèn)題，最后又不得不用高額費(fèi)用對(duì)每條內(nèi)接縫進(jìn)行缺陷處理。究其原因，大部分是管道接頭試驗(yàn)壓力規(guī)定不合理造成的，如前所述，對(duì)PCCP接頭雙膠圈之間進(jìn)行打壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)其密封性，如果采用等同對(duì)PCCP內(nèi)壓的試驗(yàn)壓力進(jìn)行打壓，由于其試驗(yàn)方式與管材承受內(nèi)壓的工作工況完全不同，所以在高工壓PCCP接頭試驗(yàn)中穩(wěn)不住壓（即試壓不合格）屬于正?，F(xiàn)象。這就要求處了我們工程設(shè)計(jì)人員要合理規(guī)定接頭試驗(yàn)壓力外，PCCP制作廠家也應(yīng)該向工程建設(shè)業(yè)主提出合理的接頭試驗(yàn)壓力建議值，避免引起不必要的合同糾風(fēng)。

　　4 管芯混凝土強(qiáng)度、厚度和纏絲面積的優(yōu)化

　　美國(guó)以前PCCP設(shè)計(jì)是根據(jù)ANSI/AWWAC301附錄A法和B法。在1992年美國(guó)頒布了ANSI/AWWAC304-92作為PCCP的設(shè)計(jì)規(guī)范，是極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則有3項(xiàng)：即使用可靠性極限、彈性極限和強(qiáng)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(shí)的應(yīng)變極限以及預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼筒受拉時(shí)的應(yīng)變極限；（2）在考慮混凝土和砂漿強(qiáng)度的同時(shí)，又有為混凝土和砂漿始發(fā)裂縫和可見(jiàn)裂縫提供判別標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線；（3）管芯混凝土防止塑性變形和預(yù)應(yīng)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(qiáng)度以內(nèi)和管體不破壞必備的最小安全系數(shù)的強(qiáng)度極限。

　　采用ANSI/AWWAC304給出的設(shè)計(jì)方法和配套軟件進(jìn)行管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，同一種工況的PCCP可以有很多種設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，盡管各種設(shè)計(jì)均符合規(guī)范要求，且滿足管道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全。但不同的設(shè)計(jì)對(duì)管道的質(zhì)量、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)進(jìn)度都會(huì)帶來(lái)不同程度的影響。因此，應(yīng)對(duì)管芯混凝土強(qiáng)度、厚度、單/雙纏絲、纏絲面積等方面進(jìn)行優(yōu)化，以降低生產(chǎn)成本。同時(shí)還應(yīng)兼顧管型數(shù)量、管芯模具等設(shè)備的充分利用等因素。

　　5 PCCP標(biāo)準(zhǔn)管及管配件防腐

　　對(duì)于PCCP標(biāo)準(zhǔn)管，如果輸送介質(zhì)對(duì)管芯混凝土不存在腐蝕性，那么管道內(nèi)表面不需要做任何防腐層；管道外部水泥砂漿保護(hù)層本身是保護(hù)PCCP的核心部分—高強(qiáng)鋼絲不受腐蝕的，  其水泥砂漿保護(hù)層是否需要設(shè)置外防腐主要取決于管線敷設(shè)環(huán)境，即要看管線沿線的土壤和地下水中是否存在對(duì)水泥砂漿造成腐蝕的化學(xué)成份，管線沿線是否存在對(duì)高強(qiáng)鋼絲形成電化學(xué)腐蝕的雜散電流，特別應(yīng)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(wàn)家寨引黃聯(lián)接段工程43.5km的PCCP輸水管線中，根據(jù)對(duì)敷設(shè)環(huán)境取樣分析結(jié)果，其中總長(zhǎng)度為4km的三段線路的地下水對(duì)混凝土存在弱、中等腐蝕，故對(duì)其外保護(hù)層設(shè)了厚度400µm的環(huán)氧煤瀝青防腐涂層。從近10年國(guó)內(nèi)一些PCCP輸水工程來(lái)看，部分工程PCCP標(biāo)準(zhǔn)管防腐設(shè)置基本沒(méi)有針對(duì)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(biāo)準(zhǔn)承插口鋼圈，然后在鋼管內(nèi)外設(shè)置焊接鋼絲網(wǎng)片水泥砂漿，該水泥砂漿層既起到對(duì)鋼管的保護(hù)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(guó)內(nèi)部分工程中已經(jīng)完全改變了“配件”的定義，對(duì)鋼制配件完全按鋼管對(duì)待，鋼管內(nèi)外設(shè)化學(xué)涂層或鋼管內(nèi)設(shè)化學(xué)涂層外包鋼筋混凝土。這樣做的結(jié)果是工程投資浪費(fèi)、鋼管防腐效果差、施工速度慢。

　　6 PCCP安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)和斷絲檢測(cè)

　　盡管PCCP的優(yōu)良品質(zhì)是眾所周知的，在國(guó)外已運(yùn)行的PCCP輸水工程中，也有一些工程發(fā)生過(guò)爆管、滲漏等事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，1942～2006年的65年中，美國(guó)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(yùn)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(guó)的使用年限還不長(zhǎng)，爆管事故尚未見(jiàn)報(bào)道，但是由于外界因素造成管道漏水事故已發(fā)生多起。無(wú)論何種原因造成的管道漏水，都不易檢測(cè)其準(zhǔn)確位置（大量漏水情況除外）。過(guò)去常用的方法有：

　　區(qū)域流量法，利用某一區(qū)段管道的測(cè)流設(shè)備顯示出的流量差進(jìn)行判斷；音聽(tīng)檢漏法，利用測(cè)漏儀等設(shè)備在周圍無(wú)噪聲條件下檢測(cè)；聲相關(guān)法，使用漏水聲波相關(guān)測(cè)量的設(shè)備，利用聲波相關(guān)特性和傳播特性進(jìn)行漏水點(diǎn)定位檢測(cè)。

　　隨著對(duì)輸水管道滲漏檢測(cè)的需求，國(guó)外針對(duì)以上問(wèn)題發(fā)明了SmartBall自由浮游式檢漏系統(tǒng)、P-Wave電磁法探測(cè)技術(shù)和SoundPrint聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，這些技術(shù)手段不僅能夠測(cè)量出管道漏水的準(zhǔn)確位置，而且還能夠檢測(cè)出PCCP外壁破損及高強(qiáng)鋼絲斷裂情況，以便管理人員及時(shí)對(duì)事故管道進(jìn)行處理。

　　2010年3月加拿大Pure公司采用P-Wave對(duì)國(guó)內(nèi)某工程全部2400節(jié)DN2800PCCP進(jìn)行了斷絲檢測(cè)，在所探測(cè)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(jìn)行的。據(jù)了解國(guó)內(nèi)還有一些工程將計(jì)劃在運(yùn)行工況下采用PipeDiver進(jìn)行斷絲檢測(cè)。

　　7 結(jié)語(yǔ)預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）

　　在我國(guó)已有20多年的發(fā)展歷史，在全國(guó)各地引調(diào)水工程中得到了廣泛應(yīng)用，近幾年還應(yīng)用于城市供水管網(wǎng)。制管企業(yè)也由上世紀(jì)90年代初的2個(gè)發(fā)展到分布于全國(guó)各地的40余個(gè)，部分管廠生產(chǎn)出的PCCP質(zhì)量已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其他管廠生產(chǎn)出的PCCP質(zhì)量也總體呈上升趨勢(shì)。但由于我國(guó)目前還沒(méi)有一套完整的PCCP設(shè)計(jì)、制作和安裝標(biāo)準(zhǔn)，部分工程技術(shù)人員在采用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)上存在理解差異，導(dǎo)致在一些工程設(shè)計(jì)中還存在一些不足之處需不斷改進(jìn)和提高。

　　參考文獻(xiàn)：

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

　　作者簡(jiǎn)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(xué)院水利水電工程建筑專業(yè)，工程碩士學(xué)位。教授級(jí)高級(jí)工程師，國(guó)家注冊(cè)土木工程師。