PCCP管道断丝安全风险管理

摘 要：预应力钢筒混凝土管（PrestressedConcreteCylinderPipe，简称PCCP）作为一种性能优良的多用途钢性管材在我国南水北调工程中得到广泛应用。但是PCCP管道在施工和输水运行过程中，预应力钢丝会遭受不同程度的损伤，在外界环境及内部工作水压力的作用下，管道会出现断丝甚至爆管现象，危及输水安全。本文以南水北调中线干线工程（北京段）PCCP输水管道为研究对象，从PCCP管道断丝安全风险管理角度出发，结合PCCP管道断丝预警系统的监测情况及影响断丝的各种可能因素分析，利用（AHP）层次分析方法对PCCP管道安全风险进行分析评价，最终建立PCCP管道断丝风险管理系统，以降低PCCP管道输水期间的安全风险。

關键词：PCCP管道，南水北调，（AHP）层次分析法，断丝监测，安全风险管理

项目概况

南水北调中线干线工程（北京段）总长56.4km，采用双排直径4.0m的PCCP管道。该工程是我国目前采用PCCP管道管径最大、单节管道最重的水利工程。由于采用长距离、超大口径PCCP输水，而且沿线水文、地质条件复杂，交叉建筑物较多，生产、运输、安装工艺复杂，管道工作压力变化较大，诸多原因造成预应力钢丝损伤或者腐蚀，产生断丝现象，从而降低PCCP管道的耐久性，严重影响PCCP管道输水安全。

断丝监测方法

目前南水北调中线干线工程（北京段）PCCP管道断丝监测采用的方法为SoundPrint声监测系统。SoundPrint声监测系统工作原理如下：在 PCCP管线内部通长铺设光纤电缆， PCCP通水运行过程中，一旦发生断丝，能量释放发出声音，光纤传感器接收该声音。数据传输到采集系统，系统识别出反映断丝特征的信号，通过Internet传输到中央处理设备，经过分析处理后，即时确定断丝数量，定位断丝位置。SoundPrint声监测系统传感器连续分布具备精度高，误差小，寿命长，性能稳定，监测距离长等优点。

监测成果

2015年3月蓬勃（上海）工程技术服务有限公司承担了PCCP管道断丝安全预警监测工作。该系统运行近两年时间内，共监测到断丝活跃区域27处，其中断丝数量较大区域一处，该部位于2015年12月至2017年1月持续出现断丝，其中最严重管节断丝数量达到193根，严重威胁供水安全。在此期间，国务院南水北调办公室专家委员会专门组织了研讨会并出具了技术咨询意见：要求相关部门组织专业人员对管道断丝的原因进行专题调研分析，在查清原因基础上制定切实可行的处理方案;并尽快搭建安全运行管理决策系统，对监测到的断丝管道快速进行运行安全性、可靠性及剩余寿命评估，实时报警，提供管道运行、维护和加固建议指令。

PCCP管道断丝风险主要因素分析

PCCP管道的管芯缠绕预应力钢丝，预应力钢丝通过在管芯上施加均匀的压预应力以抵偿主要由水压力所引起的内压和土荷载及车辆荷载能外荷载产生的拉应力。缠绕在管芯上的预应力钢丝决定了PCCP管道的强度，但在施工和运行过程中，下列原因会致使PCCP管道的预应力钢丝遭受损伤：

①选用了质量较差的钢丝，施加预应力过程中出现氢脆现象。

②PCCP管道制造过程中存在缺陷，特别是砂浆保护层质量差，出现麻面甚至裂缝。

③PCCP管道安装不当，由于碰撞等原因造成砂浆保护层出现裂缝。

④PCCP管道由于埋置于地下，当管道处于酸性及腐蚀性土壤中时容易诱发腐蚀的化合物侵入砂浆保护层腐蚀预应力钢丝。

⑤在输水运行过程中，由于没有按照操作规程进行正常启动阀及泵而引起的瞬时水压波。

PCCP管道断丝的风险控制标准

为了更明确的表示出断丝后PCCP所处的受力状态，结合美国AWWA C304中的设计标准，将PCCP所处的受力状态按3个极限状态进行分析。

通过数值模拟计算分析可知：

① 随着PCCP管道同一部位的断丝数量的增加，PCCP管道的承载能力降低，同样，在这3种极限状态下，为了保证安全运行，PCCP管道内所允许施加的内水压力应该逐渐降低，否则容易出现爆管现象。

② PCCP管道某一环向部位出现断丝后，该部位混凝土由于受到断丝的拉伸力而出现裂缝，随着管道内水压力的增大，断丝部位的钢筒也更容易受到内水压力施加给钢筒向外的压力而屈服。沿PCCP管道纵向部位，未断丝的钢丝离断丝部位越近，其受到的应力越大，也越容易屈服。

③ 通过数值计算分析，当PCCP管道同一部位的预应力钢丝的断丝数目少于25根时，PCCP管道仍可以在较高的内水压力、管道外部水土荷载和管道自重应力的共同作用下保持良好的整体工作性能。

④ 当PCCP管道同一部位的预应力钢丝的断丝数量超过25根时，在无内水压力而仅仅有外部荷载作用下，PCCP管道混凝土由于断丝对混凝土的拉伸就已经开裂。此时，如果未及时进行断丝的修补，当管道处于运行状态时，管道中的压力水通过混凝土裂缝流至钢筒或钢丝层，钢筒或钢丝层浸水后，将处于被腐蚀状态，耐久性也将遭受影响。在这种情况下，虽然管道在达到弹性极限状态之前仍能承担一定的内水压力，但随着运行时间的推移，钢筒或钢丝的锈蚀以及混凝土的劣化会增加爆管的风险。

基于GIS的PCCP管道断丝的风险管理系统

PCCP管道工程安全运行风险评估和风险管理系统应包括：管道、环境和运行状态等基础数据库，管道安全运行监测系统、管道安全运行风险评估系统（其中包括：风险评估准则，监测数据分析、评估与评价，管道安全运行风险的预测预报等）和基于GIS的界面的风险管理系统（其中包括：结合结构状态和结构损坏模型及资产管理准则，对管道剩余寿命的预测，并对全部管道的维修、维护、更换情况等进行风险管理）。

结  论

本文针对南水北调中线干线工程（北京段）PCCP管道断丝情况提出利用（AHP）层次分析法建立PCCP管道安全风险层次分析数学评价模型，对影响PCCP管道断丝的各种可能性因素进行专家打分，同时，通过数值模拟计算，建立PCCP管道安全失效的判断准则及判断标准，实现PCCP管道安全风险评价的定量化。在此基础上，开发出一款专门针对南水北调中线PCCP管道工程安全运行风险实时监测的管理软件。

作者简介：

（康鹏），性别：男，出生年（1979-），籍贯（北京），民族（汉），职称（高级工程师），学历（本科），研究方向（水利工程安全监测）。