PCCP 安全性能與斷絲檢測技術探討

高開緒 高 媛 婁西國

(山東省水利勘測設計院，山東 濟南250013)

1 概述

預應力鋼筒混凝土管（PCCP）是由帶鋼筒的混凝土管芯、預應力鋼絲及水泥砂漿保護層組成的復合管材，將預應力鋼絲通過差速纏繞機以給定預拉力纏繞在混凝土管芯上，再在其上噴射水泥砂漿而制成。預應力鋼絲在管芯混凝土中產生預壓應力，能夠抵償由內壓和外荷載產生的拉應力。PCCP 將高強鋼絲的抗拉、混凝土的抗壓和鋼筒的防滲性能有機結合在一起，配合承插口和密封膠圈，可在工廠預制管節，運輸到現場進行安裝，施工速度快、工程周期短，同時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 的情況下性價比最高。自20 世紀80年代末，我國經過從國外技術引進結合自主研發，國內已有幾十家企業生產制造PCCP 管，生產能力達到了較高水平和規模。目前廣泛應用于長距離輸水干線、城市供水工程、電廠循環水工程，典型工程如南水北調工程、山西萬家寨引黃工程等，尤其是南水北調中線工程，首次采用雙排直徑4 米的超大口徑PCCP管道，標志著我國PCCP 行業建造水平接近了世界水平。

2 不同材質管道安全性比較

埋地輸水管道受復雜的地下環境以及荷載影響，各種類型管道隨著運營時間增長都會有發生失效事故的可能。在制造、施工及營運過程中，由于各種原因難以避免管道出現損傷、破壞并引起漏水或爆管事故。管道漏水和爆管將導致管線非正常停水，爆管地點發生局部洪水，造成極大的經濟損失和社會影響，后期維修也需要較長時間。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層，對預應力鋼絲具有較好的保護作用，能夠延緩侵蝕性土壤環境的腐蝕和減少意外損傷的發生。一般來說，混凝土壓力管道具有較好的安全性和耐久性。

由于人口增長和城鎮化進程，美國和加拿大于20 世紀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計壽命。美國猶他州立大學地下結構實驗中心[1]于2011年對美國和加拿大的水務管理機構發出了1051 份問卷調查，對反饋的數據和經驗進行了編纂整理，主要針對輸水干管的壽命和爆管發生率進行了綜合研究，以便于將來進行至關重要的管道更換的決策。該項研究涉及188 個水務管理機構的共117603英里的輸水管道，樣本數量達到了美國所有輸水管道的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。研究發現不同管材管道百英里年事故發生比例如圖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生率[1]

上項研究未將PCCP 和普通混凝土壓力管區分，美國德州大學阿靈頓分校地下結構研究和教育中心[2]在2012 年對美國21個水務機構的直徑大于24 英寸（610mm）的輸水管道進行了調查，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，可發現聚乙烯管和聚氯乙烯管失效次數最低，混凝土纏絲管、球墨鑄鐵管及PCCP 大致相當，鋼管稍高，普通鑄鐵管失效次數最高。

表1 不同管材管道百英里事故發生次數

美國是最早開發與大規模應用PCCP 的國家，目前很多PCCP 管線已逐漸接近甚至超過50 年設計壽命，其統計數據對PCCP 安全和耐久性能有較強的說服力。尤其考慮到PCCP 多用于大口徑、高內壓和外荷載的管線，能夠有這樣的性能表現說明PCCP 在這一領域依然是最有競爭力的管材。PCCP 主要的問題是預應力鋼絲由于各種原因會出現斷絲，雖然由于砂漿保護層對鋼絲的握裹力不致馬上破壞，但隨著斷絲根數的增加，PCCP 發生爆管事故的可能性逐漸增加。而爆管通常沒有征兆，具有突然發生的特點，會造成較大的財產損失和社會安全影響。

3 PCCP 斷絲原因分析

PCCP 纏絲應力通常為鋼絲抗拉強度的70%或75%，在較高的內水壓和外荷載作用下，預應力鋼絲始終處于較高的應力狀態。PCCP 斷絲的原因根據研究分析認為與以下因素有關：（1）高強鋼絲在冶煉制造過程以及服役時均存在氫滲入的幾率，而且氫易向高應力區富集，破壞鋼材原有的晶格結構，這也使處于較高抗拉應力狀態的鋼絲更易發生氫脆問題。（2）砂漿保護層脫落、開裂，導致滲水以及腐蝕介質的侵入，預應力鋼絲發生腐蝕，腐蝕和高應力相互作用導致鋼絲最終斷裂。實際斷絲的發生原因可能是這兩種因素單獨或共同作用，各因素對預應力鋼絲的斷絲問題的明確影響規律還有待進一步的研究，尤其是復雜的埋置土壤環境對鋼絲應力腐蝕、氫脆的影響。

作為最早大規模應用PCCP 的國際，其PCCP 制造技術與規范也經過多次改進。實際上PCCP 的鋼絲斷絲問題與管道的設計、制造、施工以及運營管理的每一個環節都息息相關。據文獻[3]統計，從1955 年到2007 年，美國共發生435 次PCCP 爆管事故。同時發現很有意思的是，每年美國PCCP 管道發生爆管的次數，在1984 年達到峰值，隨后逐年遞減。這說明很大一部分爆管事故發生的原因是制造缺陷或不規范施工導致。尤其是上世紀七十年代有些公司使用ASTM A227 規范中的四類高強鋼絲，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生爆管事故。此后的規范提高了鋼絲等級要求，鋼絲斷絲率和爆管事故明顯減少。

水利管線在運行時由于水泵停泵或閥門突然關閉，產生水錘效應，引發的沖擊水壓巨大，這可能導致預應力鋼絲超過極限抗拉強度而斷裂。目前國內外設計規范按0.4 倍工作壓力確定水錘壓力，但實際上由于操作不當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超過設計值。因此，管線產生的水錘壓力超過管道本身的極限值是導致管道發生爆管的原因之一。

冷拉鋼絲氫脆問題需要加強對原材料的采購檢驗，我國最新的《預應力鋼筒混凝土管道技術規范》（SL702-2015）規定對鋼絲進行氫脆敏感性試驗，并應滿足GB/T5223 的相關要求。對于新建管線，對PCCP 管道采取環氧煤瀝青涂層、提高砂漿保護層質量、陰極保護等防腐措施，理論及試驗都說明可以減少鋼絲發生腐蝕并最終斷裂的可能性，但防護效果和耐久性還需要經過長期實際工程的觀察和檢驗。同時，工程結構物都是按照概論極限理論來設計的，都是具有一定的失效發生概率，在造價和可靠度之間有一個權衡的問題。國內設計制造水平和管理措施與國外相比不盡相同，由于引進較晚，可避免PCCP 應用初期出現的一些失誤，但是也曾經出現過由于不規范施工和運行誤操作導致的爆管事故。國內外的工程實踐都表明，在目前的PCCP 生產制造、施工和運營管理狀況下，很難完全避免鋼絲斷裂的問題。因此，有必要對PCCP 管線定期檢測和實時在線監測，掌握鋼絲斷絲情況，包括位置和數量，在此基礎上進行管道安全性評估，給出當前損傷狀況下管線發生工程事故的可能性和危險程度，以便決策是否采取加固、更換管節或降低運行內水壓等措施。

4 斷絲檢測技術

PCCP 斷絲可導致爆管事故，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，將保護層剝離，可以非常清楚的獲得斷絲位置和數量。這將破壞性的方法明顯只能用于少量管段的驗證，通常使用無損檢測方法。最初是通過人工敲擊管道不同部位，根據管道回音來判斷是否有斷絲。敲擊聽音法工作量大，主要靠個人經驗，難以推廣和提高準確性。

目前常用的斷絲電磁檢測技術利用遠場渦流原理，通過在PCCP 管道內的發射線圈產生交變的低頻磁場，在PCCP 管壁上感應出能穿透管壁的渦流信號，渦流信號沿著管芯外壁和管壁外的預應力鋼絲傳播，并在管壁的另一側再次穿透進入PCCP 管道內，由接收探頭利用電磁耦合轉換進行接收采集。PCCP 的斷絲會對兩次穿透管壁的遠場渦流信號產生幅值和相位上的畸變，通過對接收信號的分析可以判斷PCCP 發生斷絲的根數和斷絲位置。

遠場渦流電磁檢測技術最初主要用于金屬管道的無損探傷，在20 世紀末由加拿大PICC 及Pure 兩家公司針對PCCP 的斷絲檢測進行了相關研究并開發出相應的檢測設備[4]。國內蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司與信息產業部電子第二十二研究所近幾年也針對渦流檢測技術進行了獨立開發[5,6]。

文獻[4]比較了兩家公司對美國圣地亞哥某輸水管道的斷絲檢測情況，發現渦流斷絲檢測能夠較好的標明斷絲發生區域，但兩家公司給出的斷絲數量有一定差異。2010 及2012 年北疆某供水工程三個泉倒虹吸輸水管道采用Pure 公司的P-Wave檢測設備進行了斷絲檢測[7]，發現斷絲的管節比例不到1%，單節管道斷絲數量不超過10 根，認為該倒虹吸PCCP 管道當前處于良好的運行狀態。在實施過程中也發現，由于鋼筒的屏蔽作用，判讀信號本身較弱，很多因素包括管接頭、鋼絲直徑、螺距變化、鋼絲距內壁的距離變化以及管道上或管道附件的鐵磁體附件，都會干擾甚至掩蓋測量結果。其原因是斷絲數量是通過對接收的遠場渦流信號畸變的判讀，其準確性依賴于對管道具體制造細節的掌握和以往的工程經驗。由于各工程段上的荷載、埋置條件不同，具體使用的PCCP 管規格也不一樣，其混凝土管芯、鋼筒、預應力鋼絲的材質及尺寸均有所差異。而不同類型的PCCP 管上出現的斷絲缺陷，得的電磁波信號也差異較大。

因此，為提高遠場渦流法探測PCCP 預應力鋼絲斷絲數量的準確性，一般應事先在與待測PCCP 管相同型號的備用或廢棄管道上進行標定。通常是在管道外側鑿開一段條狀的砂漿保護層，露出預應力鋼絲，通過切斷鋼絲模擬斷絲，用電磁波探測設備記錄不同程度斷絲下的基準響應信號。實際運行管道探測過程中將采集的斷絲信號與基準信號對比，可以更為準確地判斷斷絲數量。文獻[8][1]不切斷鋼絲，而是在砂漿保護層開槽處測量依次緊鄰兩根鋼絲的電位，電位有較大差異者則認為此圈鋼絲斷絲，這樣可以準確的對渦流斷絲結果進行驗證和標定。

圖2 管頂開挖開槽電位檢測斷絲[8]

電磁斷絲檢測技術是能夠獲得當前運行管道的大致斷絲狀況（包括位置和根數），是當前比較成熟的技術，一般要求管線停水檢修，同時離承插口幾十厘米范圍內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技術在國內輸水管線的廣泛應用。

5 斷絲監測技術

鋼絲斷絲時由于能量瞬間釋放，形成的應力波將在管體及管內的水中傳播，通過監測分析聲發射信號能夠判斷鋼絲斷絲的發生。目前常見的斷絲監測方法有測量水波振動的水聽器以及聲學光纖監測，均為通過識別斷絲引起的聲發射信號監測斷絲的發生。其中水聽器可每隔一定距離通過閥門伸入水中，聲學光纖監測可將光纖傳感器布設于管道內壁。加拿大Pure Technologies 公司開發了基于光纖傳感器及光學數據采集系統的光纖聲監測系統[9]。其原理是聲發射引起的聲波在管內水體中傳播，引起光纖中的應力波，進而引起光纖中光信號的改變。通過對信號的分析處理可以確定發生了斷絲，并推測出斷絲發生的位置，其精度可達到正負1.5 米。北京市水利規劃設計研究院姚宣德[10]在管芯內壁安裝光纖光柵振動傳感器，監測管體上的由斷絲引起的聲波信號，其監測效果更明顯，干擾更小。同時在承插口連接處安裝壓力傳感器，實時監測接頭處的漏水狀況，通過光纖傳輸信號，將斷絲監測和漏水監測集成綜合監測系統，用于北京市南水北調配套工程的實時監測。北京交通大學駱建軍等[11]研究了通過敲擊或水中漂浮物撞擊管壁產生的振動，通過對撞擊事件信號的處理識別，定性判斷撞擊部位，同時與斷絲的音頻信號機型進行比較，判斷是管道斷絲還是漂浮物撞擊管壁。研究發現，通過敲擊獲得的各個傳感器的響應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生，應加強對新建PCCP 管道的在線監測，及時掌握管線的狀況。除了新型類PCCP 管道的研制外，對于新建PCCP 重要管線，通過管道內預埋傳感器實時監測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絡連接，將管線全部健康監測數據傳輸到信息控制中心，通過安全評估軟件預測爆管危險性并與控制軟件對接，可實現對整個管線的實時監查、智能預測和及時響應。

6 結論

PCCP 強度高、耐高壓、密封性能好，是經過長期實踐檢驗的優質管材。由于設計、制造、施工或運營管理不當，鋼絲易由于腐蝕、氫脆等因素出現斷絲現象。由于砂漿保護層的握裹力，管道在一定斷絲數量范圍內是安全的。隨著運營期的增長，鋼絲出現斷絲的可能性也隨之增加，斷絲檢測和在線監測技術能夠獲得管線當前斷絲狀況，及時給出爆管預警，方便管理者采取適當措施保證管線的安全運行。同時通過檢測和監測技術可掌握PCCP 管線在整個生命周期的耐久性狀況，有針對性地研究分析各種影響PCCP 耐久性的關鍵因素并提出改進措施，有利于PCCP 制造施工技術的提高，也有利于整個PCCP 行業的健康發展。