在役PCCP管線的風(fēng)險評估一一設(shè)計工壓0.8Mpa管線處于高風(fēng)險沈之基【摘要】高內(nèi)壓下保護(hù)層裂縫不可避免，高內(nèi)壓是最大危險.美國風(fēng)險評估模式的失誤，弓|導(dǎo)了水務(wù)機(jī)構(gòu)采取實際行動，并揭示了鋼絲質(zhì)量和土壤腐蝕性覆蓋了事故根源高內(nèi)壓這個事實.沒有高內(nèi)壓，鋼絲全部斷裂也不會發(fā)生爆裂.現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)雖然有”保護(hù)層不允許存在任何可見裂縫”條款，但實際上是架空失控的.現(xiàn)在運行的內(nèi)壓較高管線,保護(hù)層必然出現(xiàn)可見裂縫.中國PCCP管線需要風(fēng)險評估和實際行動.【期刊名稱】《城鎮(zhèn)供水》【年(卷)，期】2017(000)005【總頁數(shù)】5頁(P50-53,70)【關(guān)鍵詞】PCCP；風(fēng)險;評估模式;裂縫;鋼絲腐蝕;斷裂;爆裂【作者】沈之基【作者單位】上海市自來水公司，上海原水股份有限公司，上海200085【正文語種】中文人們看到的爆裂事故案例，一般總是有土壤腐蝕性強(qiáng)和鋼絲質(zhì)量低這兩個因素顯著地表現(xiàn)，也就自然地將這兩個因素看成是事故主要原因，從而覆蓋了事故根源一一較高內(nèi)壓，美國和中國，都受到這樣的困擾。PCCP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，砂漿保護(hù)層不允許有任何可見裂縫，實際情況是較高內(nèi)壓下，砂漿保護(hù)層必然會出現(xiàn)裂縫［1］。水泥砂漿保護(hù)層脆、抗拉強(qiáng)度低，一定強(qiáng)度的沖擊、拉伸就會出現(xiàn)裂縫。即使工廠中PCCP保護(hù)層是完好的，出廠后運輸?shù)跹b中的碰撞、震動，敷設(shè)運行后承受的內(nèi)外負(fù)載，都將是產(chǎn)生裂縫的原因。在這些原因中，碰撞、震動等只要認(rèn)真施措是可以避免的。最厲害的是內(nèi)壓，因為它和它產(chǎn)生的傷害無法避免。保護(hù)層是在管芯纏繞鋼絲后，在無內(nèi)壓狀態(tài)下成形、養(yǎng)生、定型的。運行或試壓時，這個繞鋼絲管芯將承受內(nèi)壓，有內(nèi)壓同無內(nèi)壓相比，整個構(gòu)造應(yīng)該有小小的〃膨脹”，這個膨脹有將保護(hù)層漲裂傾向，是保護(hù)層裂縫生成的源頭且無法避免。PCCP是鋼絲、鋼筒、混凝土、砂漿保護(hù)層的組合體，鋼絲、鋼筒同混凝土、砂漿結(jié)合，受力后的應(yīng)變，在裂縫產(chǎn)生之前是連續(xù)均衡的，環(huán)向應(yīng)力可以用預(yù)應(yīng)力混凝土壓力管壁環(huán)向應(yīng)力公式。公式中。：管壁環(huán)向應(yīng)力；P：內(nèi)壓；R：管內(nèi)徑一半；t:管厚；□：配徑率％;n:鋼材彈性模量Eg同混凝土的彈性模量Eh之比。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，保護(hù)層的抗拉強(qiáng)度公式：公式中ft:保護(hù)層的抗拉強(qiáng)度；fc:保護(hù)層的抗壓強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，管芯的最小厚度是內(nèi)徑的1/16，砂漿保護(hù)層抗壓強(qiáng)度不得低于45Mpa，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式后計算可得，同砂漿保護(hù)層極限抗拉強(qiáng)度相應(yīng)的內(nèi)壓是0.625MPa，這就是說，管道內(nèi)壓超出0.625MPa,就有可能引起水泥砂漿保護(hù)層產(chǎn)生微裂縫。變形迭加原理認(rèn)為，最薄弱處將產(chǎn)生最大變形，一旦開裂，最薄弱處就成為其它部分變形能釋放優(yōu)先部位，微裂縫漸漸合并最終形成表面裂縫或較大裂縫。也就是說，微細(xì)裂縫在運行內(nèi)壓持續(xù)作用下，能歸合為可見裂縫、有害裂縫。0.625MPa是一個概念性標(biāo)桿，實際工程中，遇到內(nèi)外負(fù)載較高的場合場合，將采用較厚的管厚，這時候同砂漿保護(hù)層極限抗拉強(qiáng)度相應(yīng)的內(nèi)壓就會提高，可以是0.7MPa甚至更高。如果管子制作、運輸、施工中稍有缺陷，在內(nèi)壓低于0.625MPa時保護(hù)層就將出現(xiàn)裂縫。保護(hù)層一旦出現(xiàn)裂縫，如果遇腐蝕性土壤，接著就是發(fā)生鋼絲腐蝕斷裂。如果土壤腐蝕性為低弱，因為鋼絲材質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)與鋼筒不同，也可以形成腐蝕電池，只是腐蝕過程強(qiáng)度稍低。如果做陰極保護(hù)，管線若鄰近城市化地區(qū)或工礦企業(yè)，將有可能遇雜散電流，管線就有可能成為雜散電流的通道，這時鋼絲腐蝕斷裂會更嚴(yán)重。美國失效報告中，有提及陰極保護(hù)下鋼絲腐蝕更嚴(yán)重的案例。總之，在較高內(nèi)壓作用下，裂縫不可避免。一旦裂縫出現(xiàn)，鋼絲腐蝕一定進(jìn)行，所以較高內(nèi)壓是最大危險。較高內(nèi)壓又遇有腐蝕性土壤，鋼絲腐蝕發(fā)生很快，5~10年后就發(fā)生管爆裂，美國、非洲、中國，都經(jīng)歷過這樣的情況［2~3］。美國PCCP管線失效事故大量發(fā)生，美國自來水基金研究會因此啟動了調(diào)查，在2008年發(fā)布7〃PCCP失效”報告，并希望這個報告應(yīng)用于整個世界。報告中介紹了風(fēng)險評估模式及使用結(jié)果。美國PCCP失效研究項目組，對PCCP管道風(fēng)險評估開發(fā)了簡易評估和長整評估兩個模式，前者對設(shè)計、制造、運行管理等方面，提出5個問題進(jìn)行訪問、評分;而后者則就設(shè)計基準(zhǔn)、制造品質(zhì)、檢查檢測、施工、運行和維護(hù)、土壤腐蝕性等提出了38個問題訪問、評分。項目組用長整評估模式對22條原始數(shù)據(jù)較完整管線進(jìn)行評估，檢查長整模式的評估成績。評估結(jié)果是引人深思的。得分低的管線有許多嚴(yán)重問題是自然的，但好奇的是那些得到高分的管線仍然發(fā)生了失效。這是因為模式對每個問題的評分權(quán)重是一樣的，實際上這些問題中可以有一個或幾個，其它正面的分量不能覆蓋它，它決定著失效的發(fā)生。美國水務(wù)機(jī)構(gòu)的思路是：有著特別權(quán)重的問題是過度的水擊，并由此出發(fā)檢查它們的合同。結(jié)果發(fā)現(xiàn)作為設(shè)計條件的水擊或水壓試驗，沒有足夠的考慮，并認(rèn)為〃水擊或水壓試驗”這兩個問題是失效的〃肇事者”。十多個水務(wù)機(jī)構(gòu)參與了項目，項目組原來的目標(biāo)是〃對失效統(tǒng)計分析和開發(fā)評估模型”，但工作結(jié)果使他們感覺到問題的嚴(yán)重性，必須馬上采取更實際行動。他們的行動是：（1） 開發(fā)一個基于風(fēng)險的評估方案，以確定用戶的PCCP最大失效風(fēng)險。（2） 降低運行壓力到低于被鋼筒約束管芯的開裂應(yīng)力。（3） 審查該PCCP用戶的管線運行實踐，以確保由于流量變化和閥門關(guān)閉時，不發(fā)生水擊。（4） 進(jìn)行無損檢測評估，如內(nèi)部檢查尋找裂紋和分層等。（5） 進(jìn)行管的外部檢查，通過挖掘，視覺檢查管子。調(diào)查和風(fēng)險評估,再結(jié)合腐蝕和其他評估結(jié)果，對需要矯正的管道分別考慮采用：結(jié)構(gòu)性修復(fù)、部分管道替換或這條管道全部更換等措施。降壓、審核運行、內(nèi)外部檢查及修復(fù)或更換管道等行動，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過項目組原來目標(biāo)的。這樣的積極主動行為，顯示了美國水務(wù)機(jī)構(gòu)的責(zé)任心。降低運行壓力和確保不發(fā)生水擊這兩項實際行動，表明美國水務(wù)機(jī)構(gòu)對于PCCP結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力因素的完全否定。一旦裂縫出現(xiàn)，鋼絲腐蝕條件形成，在土壤腐蝕性強(qiáng)且鋼絲質(zhì)量低的場合，一定是鋼絲最快地腐蝕斷裂，接著就是爆裂發(fā)生，所以爆裂事故總是首先發(fā)生在土壤腐蝕性強(qiáng)和鋼絲質(zhì)量低的場合。人們看到的事故案例，一般總是有這兩個因素，這就自然地將這兩個問題看成是事故主要原因。美國風(fēng)險評估模式中訪問的38個問題，直接針對鋼絲和土壤的就有15個，而對于內(nèi)壓和水擊只有3個，這就是美國模式對一些失效爆裂管線不能適用的原因。如果內(nèi)壓低于0.6MPa，理論上保護(hù)層是不可能出現(xiàn)裂縫的，鋼絲就不具有腐蝕條件。再退一步說，即使鋼絲因為某種原因全部斷裂，鋼筒和混凝土也能夠承受這樣的內(nèi)壓，也不會發(fā)生爆裂。所以只有較高內(nèi)壓下才可以發(fā)生爆裂。至今，文獻(xiàn)報道的大多數(shù)失效爆裂案例，都側(cè)重于關(guān)注鋼絲質(zhì)量和土壤腐蝕性，沒有關(guān)注管線的實際工作內(nèi)壓。筆者能夠看到的一些提及運行內(nèi)壓的爆裂案例，實際持續(xù)運行內(nèi)壓都高于或近于0.8MPa.，如非洲大人工河工程，設(shè)計工壓是0.8~1.0Mpa（口徑4000）;國內(nèi)寧東工程，設(shè)計工壓是1.2Mpa（口徑2200）;寧夏工程泵揚程85.7米，88.7米（口徑2200）；新疆工程，設(shè)計工壓1.5Mpa（口徑800、900）。可以說，沒有高內(nèi)壓，就沒有爆裂事故。遇到高內(nèi)壓，即使管子完全符合現(xiàn)在的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，還是要發(fā)生失效爆裂。建設(shè)前就世界聞名的非洲大人工河工程，應(yīng)該是得到精心關(guān)照、合格合規(guī)的，它發(fā)生爆裂就是高內(nèi)壓是事故根源的有力證明。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定〃不允許存在任何可見裂縫”。可是標(biāo)準(zhǔn)對可見裂縫沒有定義，也沒有解釋。采用檢驗方法是〃目測”。可見裂縫較肉眼不易見的裂縫還要細(xì)小。執(zhí)行這樣的規(guī)則，就是由檢測人眼睛、興趣來決定，只要檢測人認(rèn)為沒有裂縫，檢測就是絕對正確的。從中國的實踐看，〃不允許任何可見裂縫”規(guī)定，實際上是被架空失控的。鋼管、球鐵管和現(xiàn)在已經(jīng)淘汰的鑄鐵管，規(guī)定每根管在出廠前應(yīng)該通過水壓試驗，而PCCP標(biāo)準(zhǔn)沒有這樣要求。對于較高工壓級別（0.8Mpa及以上）的PCCP管，只要在工廠里做水壓試驗，一定會有許多管的保護(hù)層出現(xiàn)可見裂縫。0.6Mpa工壓級別管，如保護(hù)層制作稍有疏忽，水壓試驗也能出現(xiàn)可見裂縫。如果標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要作水壓試驗，這個產(chǎn)品常常發(fā)現(xiàn)保護(hù)層裂縫，就會處于不合格境地。標(biāo)準(zhǔn)不僅沒有〃每根管”出廠前通過水壓試驗的規(guī)定，而且“批量抽樣”作水壓試驗的規(guī)定也沒有。標(biāo)準(zhǔn)中有一項“抗裂內(nèi)壓試驗”，同內(nèi)壓試驗有些相關(guān)，但抽樣規(guī)則又采用了一個特別的做法，就是將內(nèi)壓抗裂性能和外壓抗裂性能合并列為一項，這就是說，如果抽樣做了外壓抗裂就可以不做內(nèi)壓抗裂，出廠證明書提供了外壓抗裂試驗結(jié)果就可以不提供內(nèi)壓抗裂試驗結(jié)果。可見，即使出廠產(chǎn)品完全符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，一旦進(jìn)入運行，只要內(nèi)壓較高，保護(hù)層將會出現(xiàn)裂縫，〃不允許存在任何可見裂縫”實際失控。中國已經(jīng)有一萬多公里運行PCCP管線，如果其中千分之一的管線運行內(nèi)壓在0.8Mpa或以上，那就是有幾千個管子處于高風(fēng)險；這些管子中的每一個，在未來的5~20年內(nèi)，都可以成為一個爆裂事故案例。近年已經(jīng)發(fā)生不少失效爆裂事故，雖然少有報道，但是失效事故信息還是慢慢傳開。現(xiàn)在很多研討會上，一些用戶業(yè)主和設(shè)計工程師，對自己經(jīng)手的建設(shè)運行管線，表示了事故風(fēng)險擔(dān)憂。合適的風(fēng)險評估模式，可以對管線潛在風(fēng)險有接近實際的判斷，可以將力量有效地集中于最需要采取措施的地方。5.2.1開展調(diào)查研究，建立風(fēng)險評估模式國內(nèi)已經(jīng)發(fā)生的失效爆裂事故是最好的教科書，認(rèn)真地追究發(fā)生原因，從中取得經(jīng)驗和教訓(xùn)。設(shè)計工壓0.8Mpa及以上管線是高風(fēng)險管線，對其中實際持續(xù)運行壓力接近設(shè)計工作壓力的管段，應(yīng)該選取若干合適點進(jìn)行開挖，調(diào)查保護(hù)層裂縫和鋼絲腐蝕情況。設(shè)計工壓0.6Mpa管線進(jìn)行產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)標(biāo)檢查，如果完全達(dá)標(biāo)且做過內(nèi)壓抗裂試驗，可以視為安全；如果在保護(hù)層裂縫和管芯制作上有缺失，應(yīng)針對缺失，安排開挖調(diào)查。進(jìn)行無損檢測評估，并對現(xiàn)有的在線檢測技術(shù)準(zhǔn)確率進(jìn)行調(diào)查評估。對若干管線進(jìn)行調(diào)查研究取得必要認(rèn)識后，對美國長整評估模式38個問題，進(jìn)行權(quán)重評估，作為建立中國評估模式參考。在以上調(diào)查研究工作的基礎(chǔ)上，提出適合中國PCCP實際的風(fēng)險評估模式。5.2.2運行管線的必要實際行動運行管線中，設(shè)計工壓在0.8Mpa及以上者，應(yīng)進(jìn)行運行再設(shè)計，將系統(tǒng)中實際運行工壓較高區(qū)段，調(diào)正到0.6Mpa。研究降壓運行后系統(tǒng)能力的補(bǔ)償措施，爭取系統(tǒng)有原來的工作能力。研究結(jié)構(gòu)性修復(fù)措施，特別是能夠使被修復(fù)管性能提高到能夠適應(yīng)0.8Mpa及以上內(nèi)壓的技術(shù)，以達(dá)到更經(jīng)濟(jì)地取得系統(tǒng)維持原來設(shè)計運行。鑒于中國已經(jīng)有一萬多公里運行管線，很多機(jī)構(gòu)仍然堅持“PCCP仍然是最有合適的管材”的現(xiàn)實[3]，這項調(diào)查研究工作必須得到有關(guān)部委的支持。PCCP現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)雖然有〃不允許存在任何可見裂縫”條款，但缺乏可實施的檢驗規(guī)則,完全符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的PCCP管線，如運行內(nèi)壓較高，保護(hù)層必然出現(xiàn)裂縫，在未來5~20年內(nèi)，鋼絲腐蝕斷裂；對已經(jīng)放入地下的、正在運行的一萬多公里管線，應(yīng)該采取行動。【相關(guān)文獻(xiàn)】沈之基.PCCP失效解析一美