对提升PCCP 输水工程安全性的思考

赵晓芳 ，张 军，袁浩雁

（1.北京市南水北调工程建设管理中心,100036，北京； 2.南水北调中线干线工程建设管理局北京分局涞涿管理处,072750，涞水； 3.山东省青岛市房地产事业发展中心，266002，青岛）

一、PCCP 管道技术简介

PCCP 是预应力钢筒混凝土管的英文简称，是在带钢筒的高强混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，并在外层喷射水泥砂浆保护层而制成的复合管道。 我国 1989 年从美国引进PCCP 制造技术，其具有制造口径大、承受内外压高、接头密封性好、施工便捷、防腐性好、维护方便等诸多特性， 被广泛应用于长距离输水线路、城市供水、电厂循环水等工程。

PCCP 于 1939 年起源于法国邦纳管道公司，20 世纪40 年代在欧美竞相研发，并在美洲、欧洲、非洲及亚洲的十多个国家得到广泛使用，至今，美国、加拿大已累计使用达到3.5万km。 我国从1989 年开始引进该技术， 经过30 多年发展已使用了约2 万km，且大规模应用在大型引调水工程中。

由于PCCP 管道制造、安装、运行环境等多方面原因，管道中的预应力钢丝容易腐蚀，进而发生断裂，当断丝达到一定程度就会因管道强度降低而爆管。 国外多起PCCP 爆管事件催生了腐蚀控制技术、管道监测技术和风险管理系统的开发应用。20 世纪90 年代，国外已开展PCCP 风险评估方面的相关研究; 我国因引进PCCP较晚， 目前用于PCCP 检测的技术及风险评估研究尚处于起步阶段。

二、PCCP 的引进应用

1.我国引进应用PCCP 总体回顾

20 世纪 80 年代末， 山东电力管道公司、无锡华毅管道公司、深圳太阳管道公司等第一批PCCP 生产厂家从美国引进了PCCP 制造技术， 在实践中制定了第一个行业标准JC625，PCCP 在我国起了步、开了头，并在市政、水利、电力等行业得到初步应用。

21 世纪初，山西万家寨引黄连接段PCCP 输水工程成功建设，3 m 口径PCCP 首次应用于大口径、高水头、大流量引调水工程， 开启了大口径PCCP 应用新纪元。 该工程确定的技术标准、创新的管理模式（全过程监理）引领了PCCP 行业健康发展。目前，山西万家寨引黄连接段PCCP 输水工程已连续运行18 年， 从未发生问题,也从未间断过供水。

南水北调中线干线开工建设后，京石段应急供水工程北京段PCCP 输水工程将PCCP 应用管径提升至新高度， 成功研制开发应用了4 m 口径PCCP。 结合工程建设确定的技术标准、研发的科研成果，工程按期完工，推动了我国PCCP 技术进步和产业发展， 也标志着我国PCCP 研发和技术应用取得了历史性突破，开启了超大口径PCCP 应用新纪元。

山西万家寨引黄、南水北调中线工程的成功应用，为国内其他引调水工程提供了工程例证， 广州西江引水、辽西北供水、安徽淮水北调、吉林中部城市供水、鄂北调水、南水北调河南与河北配套等一批大型引调水工程陆续兴建，PCCP 应用进入了高峰期。 经过30 多年发展，随着众多项目的落地建设， 我国已经使用了约2万km PCCP， 成为全球 PCCP 应用第一大国，最大口径为4 m，最大覆土深度达10 m，最大工压为1.6 MPa。

2.PCCP 技术在南水北调中线工程的应用

南水北调中线京石段应急供水北京段PCCP 输水工程全长56.2 km，采用2-DN4000 PCCP 管道（每节管道重量 54～77 t，最大管外径 4 852 mm），两条管线中心间距6.1 m， 设计输水能力50 m3/s， 加大输水能力 60 m3/s，PCCP 设计最大工压为 0.8MPa， 最大覆土为10.5 m；管道沿低山、丘陵地带布置，管道基础大多置于强风化或弱风化基岩上。 管线下穿多条河流、铁路、公路等，并穿越崇青、西甘池两条隧洞。 该工程是我国迄今为止应用PCCP 管径最大、单节管道最重、首次采用环氧煤沥青涂层与阴极保护结合防腐的超大型引调水工程。 工程建设过程中， 建设者研发了无溶剂环氧煤沥青材料和自动化喷涂工艺， 攻克了超大口径PCCP 承插口配合参数、碱集料反应防治、 管芯外表面裂缝防治等多项难题。

2014 年， 南水北调中线全线通水， 北京段PCCP 管道工程需加压运行，为掌握管道运行状态，管理单位借鉴国外类似工程运行管理经验，引进国外技术对PCCP 进行了电磁法检测，检测结果显示南水北调中线北京段PCCP 管道总体质量良好。 为掌握管道加压后是否有断丝发生并确定断丝位置、数量，管理单位选取了部分管段实施了分布式光纤在线监测系统，为工程安全运行及检修维护提供决策支持。 根据监测情况并结合供水调度需要，2020 年， 北京段工程进行了停水检修，确保了工程运行安全。在停水检修前，管理单位组织了PCCP断丝电磁法检测设备比对试验， 经过设备标定、盲测以及成果专家评审，国内检测技术可应用于南水北调工程。

3.我国PCCP 技术应用需注意的有关问题

随着PCCP 在我国调水工程中的大规模应用，近年来一些工程陆续出现了问题，有的工程运行五六年甚至个别工程运行一年左右就发生爆管事故。 PCCP 爆管具有突发性、 灾难性，事先没有征兆，一旦爆管不仅导致供水中断， 而且可能引发交通、环境等次生灾害。 经对爆管原因分析，当前我国PCCP 技术应用应注意以下问题。

1.技术标准方面

目前我国水利、城建部门分别颁发了预应力钢筒混凝土管设计标准（SL 702—2015、CECS 140—2011），国家标准化管理委员会分别发布了预应力钢筒混凝土管制造标准（GB/T 19685—2017）、 防 腐 蚀 技 术 （GB/T 35490—2017）、 阴极保护标准(GB/T 28725—2012)， 制造标准归口水泥制品标准化技术委员会，预应力钢筒混凝土管防腐蚀技术、阴极保护标准归口防腐蚀标准化技术委员会，埋地钢质管道阴极保护技术规范（GB/T 21448—2008） 归口石油工程建设专业标准化委员会。 PCCP 应用涉及多个行业、多学科交叉。 上述标准的用户特别是大型引调水工程大多在水利行业，除设计标准外，水利行业专业技术人员很少参与标准制定，也缺少这些交叉学科的专业人员，对这些标准的认识和执行存在一定差异。

2.管线腐蚀控制方面

随着经济持续快速发展，管道工程沿线的土壤、 部分地下水发生污染；另外电力、通信等设施也在飞速发展，这些变化均可能引起或加剧管道腐蚀。 对于既有管线，因没有实施有效的防腐，环境恶化可能导致管道腐蚀加剧。 对于新建管线，因对阴极保护等防腐技术掌握还不成熟，可能因使用不当， 监测及补救措施不及时、不妥当也会加剧腐蚀。

3.管线安全检测及风险评估方面

从以往PCCP 管道失事情况看，大多是因为钢丝腐蚀而断裂。 管道强度降低，断丝达到一定程度，将导致爆管。 目前我国对PCCP 管道工程阴极保护技术及钢丝预应力损失、断丝等监测技术的研究、 应用还不成熟。由于对阴极保护及断丝监测的成果可信度存疑，而且未事先建立基于当时PCCP 生产、 安装和运行环境的数据库以及结构和腐蚀模型的风险管理系统，难以对管道剩余寿命进行预测，难以为全部管线的维护、维修、更换提供决策支持。

4.其他方面

PCCP 输水工程监管还存在以下薄弱环节：一是招标投标阶段业主的招标门槛较低，有些厂家没有经验和业绩就承担项目， 有些工程PCCP 爆管是管材质量问题导致。 二是前期工作中对阴极保护等防腐蚀技术、钢丝安全监测技术及风险管理系统的研究、应用不够。 三是施工图设计审查存在漏洞，如不同管材阴极保护的电绝缘措施不到位。 四是预应力钢丝生产、 供应及使用等缺乏有效监控，钢丝质量存在隐患。 五是对阴极保护设计、 施工及运行监测管理不重视、不到位，难以准确判断其实施效果。 六是管道安装施工中地基处理与垫层、管道回填等不规范。 七是运行过程中管线防护措施不到位等。

三、 美国 PCCP 应用简况及全球可借鉴的前沿技术

1.美国 PCCP 应用简况

美国发展并大规模使用PCCP 始于 20 世纪 40 年代， 在 20 世纪半个多世纪的应用中也曾出现过问题高发阶段。 据美国混凝土压力管道协会报道，1970 年以前生产的PCCP 至今表现仍然很好。1970—1984 年期间美国部分厂家生产的PCCP 因低质量的砂浆保护层、易腐蚀的钢丝和不恰当的阴极保护导致了PCCP 更快失效。其经验教训已纳入AWWA 和ASTM材料标准，使PCCP 技术、标准和质量管理不断完善。 从图1 Iterpace 公司生产的PCCP 失效管道项目统计可看出，1984 年以来生产的PCCP 失效率几乎下降为零， 表现比1970 年之前的更好。

2.全球可借鉴的前沿技术

管道监测技术和风险管理技术是近10 多年发展起来的新技术。2008 年6 月，加拿大召开了“地下管道资产管理及防损对策” 国际研讨会， 声发射等监测技术以及PCCP 管道风险管理系统的研发应用成果在会上进行了广泛交流、 实地观摩，这些技术的应用使得对管道剩余寿命的评估成为现实，PCCP 应用技术从常规的管材设计、制造、安装技术逐步扩展到防腐控制、安全检测及风险管理，更趋完善。 PCCP 断丝安全预警技术及风险管理见图2、图3。

技术进步往往伴随着问题出现和解决而产生。 正是国外多起PCCP爆管事件催生了腐蚀控制技术、管道监测技术和风险管理系统开发应用。美国、加拿大、利比亚等多项工程自采用PCCP 阴极保护、 安全监控和风险管理系统以来， 及时发现并消除安全隐患，均未再发生突发性爆管事故。

近年，我国相关机构已立项研究PCCP 管道工程安全检测、 风险评估等技术，旨在填补国内空白，提升工程安全管理水平。 “给排水管网漏损监控与原位修复技术和装备”也已被列入中国工程院2020 年度 “全球工程前沿”项目研究成果，该课题从数据驱动和模型驱动两方面建立面向管网漏损问题的全流程诊断体系，进行漏损识别、定位、修复技术全方位技术研究。

图1 Iterpace 公司生产的PCCP 失效管道项目统计

图2 PCCP 断丝安全预警技术

图3 PCCP 风险管理系统

四、提升PCCP 输水工程安全性的形势、机遇及建议

1.形势与机遇

我国水资源相对缺乏且分布严重不均衡的现状仍将持续一段时间，随着综合国力和环境保护意识的增强，采用封闭式、有压管道输水仍将是主流。 PCCP 管道所具有的承受内外压较高、接头密封性好、抗震能力强、施工方便快捷、防腐性能好、维护费用低等无法替代的优良特性，仍将是大型引调水工程的首选管材。 当前国家聚焦水利、城乡基础设施等领域补短板，加快建设一批引调水、重点水源等重大水利基础设施，已建成的大型引调水工程包括南水北调还将实施后续连接工程，进一步完善水利基础设施网络格局。 这些项目仍将需要大量PCCP 管道，基于腐蚀防护、断丝监测、管道寿命评估等交叉学科技术发展和互联网、 大数据和人工智能等现代信息技术应用，以及跨地区、跨行业的开放共享交流， 为解决涉及多行业、 多学科的PCCP 应用有关问题提供了条件。PCCP 管道的事故率比其他管材要低得多， 而且行业协会及一批PCCP 生产厂家高度重视产品质量，已形成若干共识，成立质量联盟，开展了卓有成效的工作。

2.相关建议

今后，需要站在全生命周期角度认真审视PCCP 制造及应用， 以问题为导向， 完善标准体系， 加快技术创新，迅速补齐短板，强化建设和运行监管，全面提升PCCP 输水工程安全性。

（1）完善标准体系，强化前期工作，补齐技术短板

鉴于大口径PCCP 管道大规模应用于水利工程的实际，建议参照美国AWWA 标准体系和NACE 标准体系，主要标准由水利系统牵头或水利系统高级别专家参与，解决好标准衔接问题，着力培养一批跨学科的复合型人才。 项目法人组织设计、厂家以及科研机构强化腐蚀控制、 安全监测、风险管理系统、 缺陷修补等技术研究、创新，建立全生命周期的腐蚀控制体系、 安全监测及风险管理系统，强化建设和运行管理。 设计单位将全生命周期腐蚀控制标准及措施，安全检测（含断丝监测）措施，风险管理系统建设，缺陷修补等内容纳入前期工作成果报批。

（2）树立全生命周期管理理念，强化全过程监管，创建优质工程

在实施PCCP 制造、 安装常规监管基础上，按照全生命周期管理理念实施监管， 着力增强全员质量意识，抓好全生命周期的腐蚀控制，安全监测及风险管理体系、制度建设的监管和关键环节、关键点的监管等。 创建优质工程。 需要建管、设计、监理、制造、施工及原材料供应商、试验监测等各方面专业人员组成优秀团队，对PCCP 相关标准有清晰的认识， 并贯彻于项目全生命周期。 加强PCCP 建设市场监管。 项目法人在选择设计、监理、供应厂家、施工单位时，建议将承建项目的规模，投运管线安全运行年限，关键人员从事PCCP 的经验、业绩等设置为招标门槛。 鉴于预应力钢丝对PCCP 管道长期安全运行的特殊重要性， 建议项目法人关口前移，实施钢丝生产驻厂监造。 对于实施阴极保护的项目，为实现不同管材、不同单元之间的电绝缘，建议项目法人组织相关专家对相应的施工图进行审查。 制造过程应突出对预应力钢丝原材料以及缠丝、保护层等工序质量进行监管；对于安装过程应重点对不同管材、 不同单元之间的电绝缘措施，阴极保护、安全（断丝）监测施工及系统运行监测，地基处理与垫层、管道回填等质量进行监管；在运行期要突出阴极保护检测、管道断丝安全检测及风险管理系统运行，加强对管线防护措施的监管。

（3）实施差别管理，分类施策，保障管线安全

着眼于我国既有2 万多kmPCCP管线的现状和未来大量使用PCCP管道的可能， 为防患于未然， 建议分类施策。 ①既有管线： 结合停水检修， 全面持续开展断丝、 渗漏检测、阴极保护检查及管道寿命评估；完善阴极保护、监测、风险管理系统设计，并制定管道缺陷修补方案；建立风险管理系统， 视情况补充阴极保护等防腐措施及监测设施， 并开展缺陷处理；全面实施安全检测，并应用风险管理系统及时评估， 发出预警； 视监测情况采取应急补救措施。 ②新建输水管道工程： 根据输水管线腐蚀性环境评价做好防腐设计，钢丝预应力损失及断丝监测，以及风险管理系统设计等；全面实施阴极保护及监测项目，并与管道制造同步建立风险管理系统，采集原始数据； 全面实施断丝安全检测，并应用风险管理系统及时评估，发出预警； 视监测情况采取应急补救措施。

（4）打造综合服务平台，提高应急响应能力

建议依托有关高校、科研院所及生产企业， 汇聚国内外高端专家、特色技术、典型案例及原型试验设施等资源，打造一个集“体检、诊断、修复、抢险”为一体的多学科交叉综合服务平台， 针对PCCP 应用存在的问题和业主实际需求，开展科技攻关、成果转化、人才培养及社会服务等，提高PCCP 病害诊治及应急抢险的效率和水平，提供系统解决方案和一站式服务。