南水北调工程PCCP管道设计技术探讨

□ 徐宗伟（河南水利建筑工程有限公司）

1 工程概况

河北省沧州市南水北调市内的输送水管道，直接连接该市的各个泵站，负责向该市的水厂输送水源，该市的中心城区总共有A、B、C三个大型地表水厂，预期总产水能力为180万m3/d。案例工程除了该城市河道、铁路、道路以及拆迁难度比较大地带不建议采用PCCP管道，其他地带都进行PCCP管道的铺设，管道设计总长度为7500 m。

2 管道防腐设计

PCCP管道防腐设计的重点部位主要有两个部分，一个部分是直线段和难点部位的管道内部与外部防腐设计，另外一个部分是河段内管道防腐设计：

2.1 直线段和管道内部与外部防腐设计

根据实际工作经验进行分析：管道内防腐，采用一定配合比的水泥砂浆内外衬里，其中水泥、砂、水3种材料的比值分别为1：1.50:0.40，其中手工涂抹和机械喷涂的厚度分别为13 m m和11 m m，厚度公差控制在2～3 m m，而顶管内壁的防腐可采用环氧涂料；管道外防腐，采用环氧玻璃钢、无溶剂聚氨酯涂料等防腐的管外部位，普通部位厚度至少为0.60 m m，特殊部位厚度至少为1 m m。

2.2 河段内管道防腐设计

鉴于案例工程不具备管道维护管理条件，因此该段的P CC P管道内可采用无溶剂聚氨酯涂料防腐，其中防腐层厚度至少为0.60 m m；PCCP管道外亦可采用无溶剂聚氨酯涂料防腐，但防腐层厚度必须≥1 m m。

以上PCCP管道的内外防腐设计，一般在出厂前已经加工完成。

3 阴级保护设计

PCCP管道的阴级保护设计，其设计规范标准有很多，譬如《牺牲阳极阴极保护设计规范》和《长输管道阴极保护工程施工及验收规范》等，这些规范要求采用阴极保护的方式，选择合适的阳极材料，确定设计的具体参数和详细方案，做好各方面的细节设计，具体内容为：

3.1 选择阴极保护方式和阳极材料

通过对PCCP管道敷设沿线的土壤电阻率进行严格检测，最终确定选择镁合金作为阳极和太阳级密布置作为阴极保护方式，同时在管道的两边交替布置了阳极块，减少屏蔽问题的出现。另外在所有的设施井内部的管道底部，均分别焊接了重量为11 g的镁阳极。

3.2 阴极保护设计参数的确定

案例工程中的PCCP管道沿线土壤的电阻率为21 Ω、保护长度为7.50 km、保护电位在-0.85 V以内、保护电流密度为0.30 m A/m2、腐蚀电位为-0.45～0.55 V、绝缘层电阻≥1000 m、设计寿命为20 a。另外要求PCCP管道采用加强级的环氧煤沥青进行防腐，最后用冷缠带进行补口。

3.3 阴极保护设计方案的制定

首先是阳极的规格，全线7.50 km的PCCP管道保护长度均采用牺牲阳极的方法进行保护，所采用的阳极重量规格分别为22 k g和11 k g的镁合金，其中第一种规格的阳极用于管道的连接，第二种规格的阳极焊接到设施井管道的底部。其次是阳极的布置，采用单支分散的方式埋设阳极块，与PCCP管道保持平衡，距离控制在0.30 m以上，管道两边的两个阳极，保持12 m的距离。为了避免布置在设施井内的PCCP管道被屏蔽，工程在所有设施井内的管道底部焊接了一定重量的牺牲阳极。再次是阳极的安装，牺牲阳极安装之后，焊接于管道与管道之间，环节的部位涂抹环氧树脂，并用热缩套等密封保护。最后是管道电绝缘的处理，PCCP管道需要与钢管交替安装的位置，利用转换接头达到绝缘保护的结果。

3.4 其他设计方案

包括漏电检查、阴极保护施工验收、阴极保护系统监测、阴极保护转换接头、绝缘螺栓设计等。

4 附属设备布置

管道的附属设备包括阀门、流量计、转角支墩，这3种附属设备确保PCCP管道设计工程实现的重要硬件条件，具体的布置方法如下：

4.1 阀门的布置

PCCP管道阀门布置的目的是满足切断管道事故管段的需求，布置的时候需要综合考虑地势和障碍物等因素，将其设置在阀门井的内部，结合阀门操作、拆装等需求，设计阀门的最小直径，并配置伸缩节，以便运行管理和维护管理。案例工程中的阀门决定采用软密封单偏心法兰式闸阀，主要为排气阀和泄压安全阀两种，其中排气阀管道内部存在一定数量的气体，以致在输水的时候，管道起伏的最高点会形成全阻压缩过水断面，容易造成水头损失的问题，因此，需要在自动排气阀安装在每个起伏最高点，将管道内部的气体排除干净，这也是管道事故规避的有效措施。泄压安全阀设置的主要目的是规避管线受到水锤压力的破坏，通常设置于管道的用户前。

4.2 流量计的布置

案例工程中的泵站管道出厂位置都设置了流量计，用于测量和计算流量。流量计在借助泵站电源的基础上，设置流量计室，并全天候自动监控。

4.3 转角支墩设置

转角支墩设置的具体位置包括管道承接头弯头、丁字支管顶部等，主要是因为这些位置承受的拉力小于外推力，需要设置转角支墩减少接口松动或者脱节的问题。转角支墩采用C 15混凝土作为材料，结合管道的类型，譬如水平弯管、垂直向上弯管等，设置不同的转角支墩。

5 管道布置时的水土保持设计方法

为了保持水土，案例工程的PCCP管道布置区域内，设置了主体工程区域、施工道路区域、施工管理区域、弃渣场等。首先是主体工程区和管理区，这两个区域所修筑的围挡具有良好的水土保持功能。其次是弃渣场，主要用来临时放置工程施工的混凝土块、碎石、土等拆除物，这些弃渣用于回填施工管理区，要求做好场内的土地平整工作，以减少边坡滑落等问题出现。再次是施工生产生活区和施工道路，前者位于施工现场，在工程竣工后，需要恢复原状，后者临时道路的水土，在工程竣工后用于平整土地。最后是工程的直接影响区域，该区域是在开挖施工道路两侧埋设PCCP管道的时候，为了减少堆、压、挖等施工造成的水土流失，在工程段管道的两边，设置临时的防护措施，以免影响管道安装后的埋设工作。

6 结语

综上所述，案例工程中所提到的PCCP管道设计方法，是目前南水北调管道施工经常遇到的难题，鉴于管道存在腐蚀等现实性的问题，因此在管道施工之前，必须结合管道的用途做好管道的防腐设计、阴极保护设计、附属设备布置、水土保持等设计工作。南水北调工程PCCP管道设计时，需要结合相关设计标准规范要求综合考虑施工现场的具体条件，制定详细的管道设计方案，对于工程设计的难点难题，需要在具体的工程中予以实地解决，这也是文章研究中需要重点展望的内容，笔者将在后期的工程设计工作中弥补完善，以供其他工程的管道设计参考和借鉴。

[1]张法.PCCP管道静水压试验在南水北调配套工程PCCP输水线路工程中的实践和控制[J].广东科技,2012,(15):111-112.