PCCP输水工程设计应用常见问题探讨

　　国的原材料规范与我国规范存在一些差异，且美国标准的单位制采用了英制单位，我国采用的是国际单位制，这就给国内设计人员带来诸多不便，如果研究不透盲目引用还容易出现差错。所以，为了我国的PCCP健康发展，建议编制一套适合我国国情的设计、制作和安装标准。

　　2 管材设计荷载及内压合理

　　选择PCCP的设计荷载和内压，能够使工程既安全可靠又不会造成工程投资的浪费。美国供水工程协会ANSI /AWWAC304-99对PCCP结构设计规定了三种内压，即工作压力P_w、试验压力P_ft和瞬时压力P_t，同时还规定，在买方没有特别规定时试验压力Pf_t取工作压力P_w的1.2倍，瞬时压力P_t增加值取0.4倍工作压力。从笔者在多年从事PCCP输水工程咨询中发现，国内有些工程对这三种压力取值是不够合理的，大部分是过于保守，将输水管道可能发生的非正常工况下的瞬时最大压力规定为PCCP的，导致PCCP管材的压力等级偏高，使得工程投资严重浪费；也有的工程在某种工况下偏安全，如将在管道正常运行的压力上再提高一个工压等级规定为工作压力P_w，但是又未对输水管线进行水力过渡过程分析计算，所以也就不再对PCCP的瞬时压力进行特别要求，而输水管线上的阀门关闭时间又较短，实际关阀过程发生的瞬时压力增加值远远大于0.4倍工作压力，又出现了不安全工况。所以建议广大工程技术人员在工程设计中一定要合理选择各种压力。工作压力P_w取工程正常运行工况下的压力，但瞬时压力增加值一定要结合水力过渡过程分析计算结果选择，如果瞬时压力增加值太大时可采用延长阀门关闭时间等其他措施解决。

　　3 接头试验压力的合理选择

　　为了在PCCP安装过程中及时检查橡胶密封圈是否完全到位，对过去采用测缝规进行检查的方法做了改进，到上世纪90年代初，发明了接头双胶圈PCCP，这样就可以做到对安装到位的每节PCCP接头进行水压试验以检查其密封性。国外的PCCP双胶圈一条为工作胶圈另一条为试压胶圈，出于方便安装角度，试压胶圈直径略小于工作胶圈。我国目前采用的是等直径双胶圈，从大部分工程安装实际来看，尽管从理论上来讲等直径双胶圈PCCP安装难度略大于不等径胶圈，但在实际安装过程都能实现。但是，对接头的试验压力没有统一标准，取值差异非常之大，在有的工程中设计单位要求试验压力取管材工作压力的1.5倍，如，某工程采用的PCCP设计工压为1.5MPa，接头试验压力就要取2.25MPa，且要经过不同时段的3、4次重复打压试验，有的前两次打压试验能够稳压，到第3、4试压就不满足了，还有的将试验压力提高到一定程度后突然掉压，然后再打压就无法稳压了，使得输水管线工程接头试压不合格率非常之大。在两条胶圈之间进行密封检验，打压合格的接头肯定不会漏水，尽管打压不合格的接头不能正明该接头就会漏水，但又无法证明该接头不漏水。在经过测量证明管道竖向位移未超过规范规定值后，项目业主猜疑PCCP管道接头承插口钢圈不合格、或橡胶密封圈不合格、或存在安装质量问题，最后又不得不用高额费用对每条内接缝进行缺陷处理。究其原因，大部分是管道接头试验压力规定不合理造成的，如前所述，对PCCP接头双胶圈之间进行打压试验是检验其密封性，如果采用等同对PCCP内压的试验压力进行打压，由于其试验方式与管材承受内压的工作工况完全不同，所以在高工压PCCP接头试验中稳不住压（即试压不合格）属于正常现象。这就要求处了我们工程设计人员要合理规定接头试验压力外，PCCP制作厂家也应该向工程建设业主提出合理的接头试验压力建议值，避免引起不必要的合同纠风。

　　4 管芯混凝土强度、厚度和缠丝面积的优化

　　美国以前PCCP设计是根据ANSI/AWWAC301附录A法和B法。在1992年美国颁布了ANSI/AWWAC304-92作为PCCP的设计规范，是极限状态的设计方法，其设计准则有3项：即使用可靠性极限、弹性极限和强度极限。其方法主要依据以下4方面：

　　（1）混凝土和砂浆受拉和受压时的应变极限以及预应力钢丝和钢筒受拉时的应变极限；（2）在考虑混凝土和砂浆强度的同时，又有为混凝土和砂浆始发裂缝和可见裂缝提供判别标准的应力—应变曲线；（3）管芯混凝土防止塑性变形和预应力损失的抗压极限；（4）确保在各种荷载作用下，钢丝控制在屈服强度以内和管体不破坏必备的最小安全系数的强度极限。

　　采用ANSI/AWWAC304给出的设计方法和配套软件进行管道结构设计计算时，同一种工况的PCCP可以有很多种设计计算结果，尽管各种设计均符合规范要求，且满足管道结构稳定和安全。但不同的设计对管道的质量、生产成本和生产进度都会带来不同程度的影响。因此，应对管芯混凝土强度、厚度、单/双缠丝、缠丝面积等方面进行优化，以降低生产成本。同时还应兼顾管型数量、管芯模具等设备的充分利用等因素。

　　5 PCCP标准管及管配件防腐

　　对于PCCP标准管，如果输送介质对管芯混凝土不存在腐蚀性，那么管道内表面不需要做任何防腐层；管道外部水泥砂浆保护层本身是保护PCCP的核心部分—高强钢丝不受腐蚀的，  其水泥砂浆保护层是否需要设置外防腐主要取决于管线敷设环境，即要看管线沿线的土壤和地下水中是否存在对水泥砂浆造成腐蚀的化学成份，管线沿线是否存在对高强钢丝形成电化学腐蚀的杂散电流，特别应该注意的是PCCP管线附近是否安装有其他钢制管道。在山西省万家寨引黄联接段工程43.5km的PCCP输水管线中，根据对敷设环境取样分析结果，其中总长度为4km的三段线路的地下水对混凝土存在弱、中等腐蚀，故对其外保护层设了厚度400µm的环氧煤沥青防腐涂层。从近10年国内一些PCCP输水工程来看，部分工程PCCP标准管防腐设置基本没有针对性，存在盲目跟从现象。

　　配件或管配件是在卷制焊接成的钢管两端焊接标准承插口钢圈，然后在钢管内外设置焊接钢丝网片水泥砂浆，该水泥砂浆层既起到对钢管的保护作用又与钢管联合承受外荷载，配件包括弯管、变径管、+字形管、Y形管、T形管等等。但在国内部分工程中已经完全改变了“配件”的定义，对钢制配件完全按钢管对待，钢管内外设化学涂层或钢管内设化学涂层外包钢筋混凝土。这样做的结果是工程投资浪费、钢管防腐效果差、施工速度慢。

　　6 PCCP安全运行监测和断丝检测

　　尽管PCCP的优良品质是众所周知的，在国外已运行的PCCP输水工程中，也有一些工程发生过爆管、渗漏等事故。据统计资料，1942～2006年的65年中，美国共发生了399次爆管事故；利比亚大人工河一期工程仅投入运行6年就发生首次爆管（1999年），至今已发生5起爆管事件。PCCP在我国的使用年限还不长，爆管事故尚未见报道，但是由于外界因素造成管道漏水事故已发生多起。无论何种原因造成的管道漏水，都不易检测其准确位置（大量漏水情况除外）。过去常用的方法有：

　　区域流量法，利用某一区段管道的测流设备显示出的流量差进行判断；音听检漏法，利用测漏仪等设备在周围无噪声条件下检测；声相关法，使用漏水声波相关测量的设备，利用声波相关特性和传播特性进行漏水点定位检测。

　　随着对输水管道渗漏检测的需求，国外针对以上问题发明了SmartBall自由浮游式检漏系统、P-Wave电磁法探测技术和SoundPrint声发射监测技术等先进技术，这些技术手段不仅能够测量出管道漏水的准确位置，而且还能够检测出PCCP外壁破损及高强钢丝断裂情况，以便管理人员及时对事故管道进行处理。

　　2010年3月加拿大Pure公司采用P-Wave对国内某工程全部2400节DN2800PCCP进行了断丝检测，在所探测的2400节管道中18节管道出现断丝，其中13节管道断丝数量在1～5根之间，5节管道断丝数量在6～10根之间，且同一节管均只有1处断丝，该工程是在停水排空管道情况下进行的。据了解国内还有一些工程将计划在运行工况下采用PipeDiver进行断丝检测。

　　7 结语预应力钢筒混凝土管（PCCP）

　　在我国已有20多年的发展历史，在全国各地引调水工程中得到了广泛应用，近几年还应用于城市供水管网。制管企业也由上世纪90年代初的2个发展到分布于全国各地的40余个，部分管厂生产出的PCCP质量已达到国际先进水平，其他管厂生产出的PCCP质量也总体呈上升趋势。但由于我国目前还没有一套完整的PCCP设计、制作和安装标准，部分工程技术人员在采用规范标准上存在理解差异，导致在一些工程设计中还存在一些不足之处需不断改进和提高。

　　参考文献：

　　[1] 孙绍平，等，预应力钢筒混凝土管在工程中的应用，特种结构，2003（3）.

　　[2] 奚军，PCCP设计中的几点体会，山西水利科技，2002（3）.

　　[3] 孟晋忠，对PCCP输水工程设计应用中几个问题的探讨，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.

　　作者简介：孟晋忠，男，1960年生，山西灵石县人，中共党员，1983年毕业于太原工学院水利水电工程建筑专业，工程硕士学位。教授级高级工程师，国家注册土木工程师。