高開緒 高 媛 婁西國(guó)

(山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南250013)

1 概述

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）是由帶鋼筒的混凝土管芯、預(yù)應(yīng)力鋼絲及水泥砂漿保護(hù)層組成的復(fù)合管材，將預(yù)應(yīng)力鋼絲通過差速纏繞機(jī)以給定預(yù)拉力纏繞在混凝土管芯上，再在其上噴射水泥砂漿而制成。預(yù)應(yīng)力鋼絲在管芯混凝土中產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，能夠抵償由內(nèi)壓和外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。PCCP 將高強(qiáng)鋼絲的抗拉、混凝土的抗壓和鋼筒的防滲性能有機(jī)結(jié)合在一起，配合承插口和密封膠圈，可在工廠預(yù)制管節(jié)，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，施工速度快、工程周期短，同時(shí)具有良好的密閉性能和一定的抵抗地基沉降變形能力。與其他管材如鋼管、鑄鐵管、玻璃鋼管相比，PCCP 尤其適用于大口徑、高工壓及深覆土的管線工程，在管材口徑大于1400mm 的情況下性價(jià)比最高。自20 世紀(jì)80年代末，我國(guó)經(jīng)過從國(guó)外技術(shù)引進(jìn)結(jié)合自主研發(fā)，國(guó)內(nèi)已有幾十家企業(yè)生產(chǎn)制造PCCP 管，生產(chǎn)能力達(dá)到了較高水平和規(guī)模。目前廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離輸水干線、城市供水工程、電廠循環(huán)水工程，典型工程如南水北調(diào)工程、山西萬(wàn)家寨引黃工程等，尤其是南水北調(diào)中線工程，首次采用雙排直徑4 米的超大口徑PCCP管道，標(biāo)志著我國(guó)PCCP 行業(yè)建造水平接近了世界水平。

2 不同材質(zhì)管道安全性比較

埋地輸水管道受復(fù)雜的地下環(huán)境以及荷載影響，各種類型管道隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間增長(zhǎng)都會(huì)有發(fā)生失效事故的可能。在制造、施工及營(yíng)運(yùn)過程中，由于各種原因難以避免管道出現(xiàn)損傷、破壞并引起漏水或爆管事故。管道漏水和爆管將導(dǎo)致管線非正常停水，爆管地點(diǎn)發(fā)生局部洪水，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，后期維修也需要較長(zhǎng)時(shí)間。與金屬管道相比，混凝土壓力管道纏絲后外面噴射砂漿保護(hù)層，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲具有較好的保護(hù)作用，能夠延緩侵蝕性土壤環(huán)境的腐蝕和減少意外損傷的發(fā)生。一般來說，混凝土壓力管道具有較好的安全性和耐久性。

由于人口增長(zhǎng)和城鎮(zhèn)化進(jìn)程，美國(guó)和加拿大于20 世紀(jì)修建的很多地下輸水管道，各種管道材料都有使用，目前很多管道已超過設(shè)計(jì)壽命。美國(guó)猶他州立大學(xué)地下結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中心[1]于2011年對(duì)美國(guó)和加拿大的水務(wù)管理機(jī)構(gòu)發(fā)出了1051 份問卷調(diào)查，對(duì)反饋的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了編纂整理，主要針對(duì)輸水干管的壽命和爆管發(fā)生率進(jìn)行了綜合研究，以便于將來進(jìn)行至關(guān)重要的管道更換的決策。該項(xiàng)研究涉及188 個(gè)水務(wù)管理機(jī)構(gòu)的共117603英里的輸水管道，樣本數(shù)量達(dá)到了美國(guó)所有輸水管道的10%，加拿大所有輸水管道的7.4%。其中43%的輸水管道建成年限在20-50 年至今，22%的管道建成年限超過50 年。研究發(fā)現(xiàn)不同管材管道百英里年事故發(fā)生比例如圖1，其中混凝土壓力管的失效比例較低，僅為6.9%，而鋼管達(dá)到了17.1%，鑄鐵管最高為31.0%。

圖1 不同管材管道百英里年事故發(fā)生率[1]

上項(xiàng)研究未將PCCP 和普通混凝土壓力管區(qū)分，美國(guó)德州大學(xué)阿靈頓分校地下結(jié)構(gòu)研究和教育中心[2]在2012 年對(duì)美國(guó)21個(gè)水務(wù)機(jī)構(gòu)的直徑大于24 英寸（610mm）的輸水管道進(jìn)行了調(diào)查，常用管材主要有：鑄鐵管、球墨鑄鐵管、聚氯乙烯管、PCCP 及鋼管，其中鑄鐵管、球墨鑄鐵管、聚氯乙烯管大多直徑介于24 英寸（610mm）和36 英寸（914mm）之間，PCCP 和鋼管各種口徑都有應(yīng)用，PCCP 有41%為大于54 英寸（1372mm）的管道，鋼管這一比例僅有25%。表1 為各種管材每百英里失效次數(shù)，可發(fā)現(xiàn)聚乙烯管和聚氯乙烯管失效次數(shù)最低，混凝土纏絲管、球墨鑄鐵管及PCCP 大致相當(dāng)，鋼管稍高，普通鑄鐵管失效次數(shù)最高。

表1 不同管材管道百英里事故發(fā)生次數(shù)

美國(guó)是最早開發(fā)與大規(guī)模應(yīng)用PCCP 的國(guó)家，目前很多PCCP 管線已逐漸接近甚至超過50 年設(shè)計(jì)壽命，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)PCCP 安全和耐久性能有較強(qiáng)的說服力。尤其考慮到PCCP 多用于大口徑、高內(nèi)壓和外荷載的管線，能夠有這樣的性能表現(xiàn)說明PCCP 在這一領(lǐng)域依然是最有競(jìng)爭(zhēng)力的管材。PCCP 主要的問題是預(yù)應(yīng)力鋼絲由于各種原因會(huì)出現(xiàn)斷絲，雖然由于砂漿保護(hù)層對(duì)鋼絲的握裹力不致馬上破壞，但隨著斷絲根數(shù)的增加，PCCP 發(fā)生爆管事故的可能性逐漸增加。而爆管通常沒有征兆，具有突然發(fā)生的特點(diǎn)，會(huì)造成較大的財(cái)產(chǎn)損失和社會(huì)安全影響。

3 PCCP 斷絲原因分析

PCCP 纏絲應(yīng)力通常為鋼絲抗拉強(qiáng)度的70%或75%，在較高的內(nèi)水壓和外荷載作用下，預(yù)應(yīng)力鋼絲始終處于較高的應(yīng)力狀態(tài)。PCCP 斷絲的原因根據(jù)研究分析認(rèn)為與以下因素有關(guān)：（1）高強(qiáng)鋼絲在冶煉制造過程以及服役時(shí)均存在氫滲入的幾率，而且氫易向高應(yīng)力區(qū)富集，破壞鋼材原有的晶格結(jié)構(gòu)，這也使處于較高抗拉應(yīng)力狀態(tài)的鋼絲更易發(fā)生氫脆問題。（2）砂漿保護(hù)層脫落、開裂，導(dǎo)致滲水以及腐蝕介質(zhì)的侵入，預(yù)應(yīng)力鋼絲發(fā)生腐蝕，腐蝕和高應(yīng)力相互作用導(dǎo)致鋼絲最終斷裂。實(shí)際斷絲的發(fā)生原因可能是這兩種因素單獨(dú)或共同作用，各因素對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲的斷絲問題的明確影響規(guī)律還有待進(jìn)一步的研究，尤其是復(fù)雜的埋置土壤環(huán)境對(duì)鋼絲應(yīng)力腐蝕、氫脆的影響。

作為最早大規(guī)模應(yīng)用PCCP 的國(guó)際，其PCCP 制造技術(shù)與規(guī)范也經(jīng)過多次改進(jìn)。實(shí)際上PCCP 的鋼絲斷絲問題與管道的設(shè)計(jì)、制造、施工以及運(yùn)營(yíng)管理的每一個(gè)環(huán)節(jié)都息息相關(guān)。據(jù)文獻(xiàn)[3]統(tǒng)計(jì)，從1955 年到2007 年，美國(guó)共發(fā)生435 次PCCP 爆管事故。同時(shí)發(fā)現(xiàn)很有意思的是，每年美國(guó)PCCP 管道發(fā)生爆管的次數(shù)，在1984 年達(dá)到峰值，隨后逐年遞減。這說明很大一部分爆管事故發(fā)生的原因是制造缺陷或不規(guī)范施工導(dǎo)致。尤其是上世紀(jì)七十年代有些公司使用ASTM A227 規(guī)范中的四類高強(qiáng)鋼絲，此類鋼絲抗扭和抗氫脆性能差，有大量采用此類鋼絲的工程在建成一二十年后就發(fā)生爆管事故。此后的規(guī)范提高了鋼絲等級(jí)要求，鋼絲斷絲率和爆管事故明顯減少。

水利管線在運(yùn)行時(shí)由于水泵停泵或閥門突然關(guān)閉，產(chǎn)生水錘效應(yīng)，引發(fā)的沖擊水壓巨大，這可能導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼絲超過極限抗拉強(qiáng)度而斷裂。目前國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范按0.4 倍工作壓力確定水錘壓力，但實(shí)際上由于操作不當(dāng)或管線水錘消除措施不到位，某些部位管道所承受的水錘壓力可能會(huì)超過設(shè)計(jì)值。因此，管線產(chǎn)生的水錘壓力超過管道本身的極限值是導(dǎo)致管道發(fā)生爆管的原因之一。

冷拉鋼絲氫脆問題需要加強(qiáng)對(duì)原材料的采購(gòu)檢驗(yàn)，我國(guó)最新的《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》（SL702-2015）規(guī)定對(duì)鋼絲進(jìn)行氫脆敏感性試驗(yàn)，并應(yīng)滿足GB/T5223 的相關(guān)要求。對(duì)于新建管線，對(duì)PCCP 管道采取環(huán)氧煤瀝青涂層、提高砂漿保護(hù)層質(zhì)量、陰極保護(hù)等防腐措施，理論及試驗(yàn)都說明可以減少鋼絲發(fā)生腐蝕并最終斷裂的可能性，但防護(hù)效果和耐久性還需要經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)際工程的觀察和檢驗(yàn)。同時(shí)，工程結(jié)構(gòu)物都是按照概論極限理論來設(shè)計(jì)的，都是具有一定的失效發(fā)生概率，在造價(jià)和可靠度之間有一個(gè)權(quán)衡的問題。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造水平和管理措施與國(guó)外相比不盡相同，由于引進(jìn)較晚，可避免PCCP 應(yīng)用初期出現(xiàn)的一些失誤，但是也曾經(jīng)出現(xiàn)過由于不規(guī)范施工和運(yùn)行誤操作導(dǎo)致的爆管事故。國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐都表明，在目前的PCCP 生產(chǎn)制造、施工和運(yùn)營(yíng)管理狀況下，很難完全避免鋼絲斷裂的問題。因此，有必要對(duì)PCCP 管線定期檢測(cè)和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，掌握鋼絲斷絲情況，包括位置和數(shù)量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行管道安全性評(píng)估，給出當(dāng)前損傷狀況下管線發(fā)生工程事故的可能性和危險(xiǎn)程度，以便決策是否采取加固、更換管節(jié)或降低運(yùn)行內(nèi)水壓等措施。

4 斷絲檢測(cè)技術(shù)

PCCP 斷絲可導(dǎo)致爆管事故，但管道埋于地下，無法直接觀察其斷絲情況。如果可將PCCP 管段挖出，將保護(hù)層剝離，可以非常清楚的獲得斷絲位置和數(shù)量。這將破壞性的方法明顯只能用于少量管段的驗(yàn)證，通常使用無損檢測(cè)方法。最初是通過人工敲擊管道不同部位，根據(jù)管道回音來判斷是否有斷絲。敲擊聽音法工作量大，主要靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，難以推廣和提高準(zhǔn)確性。

目前常用的斷絲電磁檢測(cè)技術(shù)利用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流原理，通過在PCCP 管道內(nèi)的發(fā)射線圈產(chǎn)生交變的低頻磁場(chǎng)，在PCCP 管壁上感應(yīng)出能穿透管壁的渦流信號(hào)，渦流信號(hào)沿著管芯外壁和管壁外的預(yù)應(yīng)力鋼絲傳播，并在管壁的另一側(cè)再次穿透進(jìn)入PCCP 管道內(nèi)，由接收探頭利用電磁耦合轉(zhuǎn)換進(jìn)行接收采集。PCCP 的斷絲會(huì)對(duì)兩次穿透管壁的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流信號(hào)產(chǎn)生幅值和相位上的畸變，通過對(duì)接收信號(hào)的分析可以判斷PCCP 發(fā)生斷絲的根數(shù)和斷絲位置。

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流電磁檢測(cè)技術(shù)最初主要用于金屬管道的無損探傷，在20 世紀(jì)末由加拿大PICC 及Pure 兩家公司針對(duì)PCCP 的斷絲檢測(cè)進(jìn)行了相關(guān)研究并開發(fā)出相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備[4]。國(guó)內(nèi)蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司與信息產(chǎn)業(yè)部電子第二十二研究所近幾年也針對(duì)渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了獨(dú)立開發(fā)[5,6]。

文獻(xiàn)[4]比較了兩家公司對(duì)美國(guó)圣地亞哥某輸水管道的斷絲檢測(cè)情況，發(fā)現(xiàn)渦流斷絲檢測(cè)能夠較好的標(biāo)明斷絲發(fā)生區(qū)域，但兩家公司給出的斷絲數(shù)量有一定差異。2010 及2012 年北疆某供水工程三個(gè)泉倒虹吸輸水管道采用Pure 公司的P-Wave檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了斷絲檢測(cè)[7]，發(fā)現(xiàn)斷絲的管節(jié)比例不到1%，單節(jié)管道斷絲數(shù)量不超過10 根，認(rèn)為該倒虹吸PCCP 管道當(dāng)前處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。在實(shí)施過程中也發(fā)現(xiàn)，由于鋼筒的屏蔽作用，判讀信號(hào)本身較弱，很多因素包括管接頭、鋼絲直徑、螺距變化、鋼絲距內(nèi)壁的距離變化以及管道上或管道附件的鐵磁體附件，都會(huì)干擾甚至掩蓋測(cè)量結(jié)果。其原因是斷絲數(shù)量是通過對(duì)接收的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流信號(hào)畸變的判讀，其準(zhǔn)確性依賴于對(duì)管道具體制造細(xì)節(jié)的掌握和以往的工程經(jīng)驗(yàn)。由于各工程段上的荷載、埋置條件不同，具體使用的PCCP 管規(guī)格也不一樣，其混凝土管芯、鋼筒、預(yù)應(yīng)力鋼絲的材質(zhì)及尺寸均有所差異。而不同類型的PCCP 管上出現(xiàn)的斷絲缺陷，得的電磁波信號(hào)也差異較大。

因此，為提高遠(yuǎn)場(chǎng)渦流法探測(cè)PCCP 預(yù)應(yīng)力鋼絲斷絲數(shù)量的準(zhǔn)確性，一般應(yīng)事先在與待測(cè)PCCP 管相同型號(hào)的備用或廢棄管道上進(jìn)行標(biāo)定。通常是在管道外側(cè)鑿開一段條狀的砂漿保護(hù)層，露出預(yù)應(yīng)力鋼絲，通過切斷鋼絲模擬斷絲，用電磁波探測(cè)設(shè)備記錄不同程度斷絲下的基準(zhǔn)響應(yīng)信號(hào)。實(shí)際運(yùn)行管道探測(cè)過程中將采集的斷絲信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)比，可以更為準(zhǔn)確地判斷斷絲數(shù)量。文獻(xiàn)[8][1]不切斷鋼絲，而是在砂漿保護(hù)層開槽處測(cè)量依次緊鄰兩根鋼絲的電位，電位有較大差異者則認(rèn)為此圈鋼絲斷絲，這樣可以準(zhǔn)確的對(duì)渦流斷絲結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和標(biāo)定。

圖2 管頂開挖開槽電位檢測(cè)斷絲[8]

電磁斷絲檢測(cè)技術(shù)是能夠獲得當(dāng)前運(yùn)行管道的大致斷絲狀況（包括位置和根數(shù)），是當(dāng)前比較成熟的技術(shù)，一般要求管線停水檢修，同時(shí)離承插口幾十厘米范圍內(nèi)由于鋼制承插口的干擾作用無法獲得斷絲情況，這些限制條件也影響了電磁檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)輸水管線的廣泛應(yīng)用。

5 斷絲監(jiān)測(cè)技術(shù)

鋼絲斷絲時(shí)由于能量瞬間釋放，形成的應(yīng)力波將在管體及管內(nèi)的水中傳播，通過監(jiān)測(cè)分析聲發(fā)射信號(hào)能夠判斷鋼絲斷絲的發(fā)生。目前常見的斷絲監(jiān)測(cè)方法有測(cè)量水波振動(dòng)的水聽器以及聲學(xué)光纖監(jiān)測(cè)，均為通過識(shí)別斷絲引起的聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)斷絲的發(fā)生。其中水聽器可每隔一定距離通過閥門伸入水中，聲學(xué)光纖監(jiān)測(cè)可將光纖傳感器布設(shè)于管道內(nèi)壁。加拿大Pure Technologies 公司開發(fā)了基于光纖傳感器及光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的光纖聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9]。其原理是聲發(fā)射引起的聲波在管內(nèi)水體中傳播，引起光纖中的應(yīng)力波，進(jìn)而引起光纖中光信號(hào)的改變。通過對(duì)信號(hào)的分析處理可以確定發(fā)生了斷絲，并推測(cè)出斷絲發(fā)生的位置，其精度可達(dá)到正負(fù)1.5 米。北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院姚宣德[10]在管芯內(nèi)壁安裝光纖光柵振動(dòng)傳感器，監(jiān)測(cè)管體上的由斷絲引起的聲波信號(hào)，其監(jiān)測(cè)效果更明顯，干擾更小。同時(shí)在承插口連接處安裝壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接頭處的漏水狀況，通過光纖傳輸信號(hào)，將斷絲監(jiān)測(cè)和漏水監(jiān)測(cè)集成綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于北京市南水北調(diào)配套工程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。北京交通大學(xué)駱建軍等[11]研究了通過敲擊或水中漂浮物撞擊管壁產(chǎn)生的振動(dòng)，通過對(duì)撞擊事件信號(hào)的處理識(shí)別，定性判斷撞擊部位，同時(shí)與斷絲的音頻信號(hào)機(jī)型進(jìn)行比較，判斷是管道斷絲還是漂浮物撞擊管壁。研究發(fā)現(xiàn)，通過敲擊獲得的各個(gè)傳感器的響應(yīng)頻譜范圍斷絲前后略有不同，差值受敲擊位置、斷絲位置及傳感器位置影響。

為防止工程事故的發(fā)生，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)新建PCCP 管道的在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握管線的狀況。除了新型類PCCP 管道的研制外，對(duì)于新建PCCP 重要管線，通過管道內(nèi)預(yù)埋傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的健康狀況是可行的辦法。整條管線布置若干傳感器通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接，將管線全部健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒖刂浦行?，通過安全評(píng)估軟件預(yù)測(cè)爆管危險(xiǎn)性并與控制軟件對(duì)接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)管線的實(shí)時(shí)監(jiān)查、智能預(yù)測(cè)和及時(shí)響應(yīng)。

6 結(jié)論

PCCP 強(qiáng)度高、耐高壓、密封性能好，是經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)踐檢驗(yàn)的優(yōu)質(zhì)管材。由于設(shè)計(jì)、制造、施工或運(yùn)營(yíng)管理不當(dāng)，鋼絲易由于腐蝕、氫脆等因素出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。由于砂漿保護(hù)層的握裹力，管道在一定斷絲數(shù)量范圍內(nèi)是安全的。隨著運(yùn)營(yíng)期的增長(zhǎng)，鋼絲出現(xiàn)斷絲的可能性也隨之增加，斷絲檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠獲得管線當(dāng)前斷絲狀況，及時(shí)給出爆管預(yù)警，方便管理者采取適當(dāng)措施保證管線的安全運(yùn)行。同時(shí)通過檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)可掌握PCCP 管線在整個(gè)生命周期的耐久性狀況，有針對(duì)性地研究分析各種影響PCCP 耐久性的關(guān)鍵因素并提出改進(jìn)措施，有利于PCCP 制造施工技術(shù)的提高，也有利于整個(gè)PCCP 行業(yè)的健康發(fā)展。