劉江寧：PCCP管道、管件制造及質(zhì)量管理技術(shù)

　　2013年8月17日，第二屆全國預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）行業(yè)發(fā)展高峰論壇在石家莊隆重召開。北京韓建河山管業(yè)股份有限公司總工劉江寧以《PCCP管道、管件制造及質(zhì)量管理技術(shù)》主題做報(bào)告，他介紹了PCCP的起源和發(fā)展現(xiàn)狀、PCCP的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)、PCCP的設(shè)計(jì)、制作工藝與技術(shù)性能、有關(guān)PCCP等熱點(diǎn)問題。

　　一.PCCP的起源和發(fā)展現(xiàn)狀

　　PCCP是預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筒（Prestressed  Concrete Cylinder Pipe）的英文縮寫，起源于法國。1894年法國Bonna公司的創(chuàng)始人Aime Bonna發(fā)明了帶鋼筒的混凝土管，并申請(qǐng)了專利。

　　二十世紀(jì)40年代，歐美各國競(jìng)相研制開發(fā)。國際主要制造商有：美國Ameron公司、Price Brothers公司、法國Bonna公司、意大利Casagrande公司等。

　　PCCP是在40年代開始在世界上得到應(yīng)用，目前世界上使用PCCP最著名的工程是利比亞人工大運(yùn)河（The Great Man-made River）工程。這項(xiàng)工程是大家對(duì)PCCP有了更深刻的了解， 該工程是將沙漠中的淡水引到沿海城市使用，自80年代初期，工程已鋪設(shè)PCCP3000多公里，其中包括2000多公里DN4000 PCCP。大運(yùn)河工程的三期和四期工程仍在進(jìn)行中。目前由于的利比亞戰(zhàn)爭(zhēng)而擱淺部分工程，

　　我國從80年代末從美國引進(jìn)PCCP的生產(chǎn)技術(shù),進(jìn)入90年以后這項(xiàng)技術(shù)在我國得到了快速發(fā)展。具有代表性工程有：（100km以上或口徑大于3米） 山西萬家寨引黃工程、 新疆引額濟(jì)烏衣水工程、哈爾濱磨盤山引水工程、沈陽大伙房引水工程、 南水北調(diào)北京段PCCP工程、山西萬家寨引黃二期工程、淮水北調(diào)工程、遼西供水工程。

　　南水北調(diào)北京段PCCP工程DN4000, 55km(雙線)

　　但現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平參差不齊，有些企業(yè)的技術(shù)水平已經(jīng)進(jìn)入國際先進(jìn)水平的行列，也有的企業(yè)仍停留在手工作坊式的生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量令人擔(dān)憂。

　　二. PCCP的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

　　1.PCCP的基本構(gòu)成：鋼筒、混凝土管芯、高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲、水泥砂漿保護(hù)層

　　2.PCCP常用結(jié)構(gòu)形式

　　內(nèi)襯式PCCP（DN400-DN1200)

 　　埋置式PCCP（DN1400-DN4000)

[Page]

　　3.PCCP的特點(diǎn)

　?。?）工作壓力高

　　在混凝土管芯中加入一層完全閉水鋼筒后，克服了普通混凝土管在高工作壓力下管身滲水的問題，PCCP的最高工作壓力可達(dá)3.0MPa。

　?。?） 結(jié)構(gòu)剛性好

　　PCCP的結(jié)構(gòu)剛性是目前所使用輸水  管材中最好的，可以承受較深的覆土荷載及外部動(dòng)荷載。南水北調(diào)工程中DN4000 PCCP 的設(shè)計(jì)覆土深度達(dá)10.5m。

　?。?）使用壽命長

　　PCCP中所有鋼部件都處于由水泥混凝土“營造”的堿性環(huán)境中，確保不受腐蝕。

　?。?）維護(hù)成本低

　　美國混凝土壓力管協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，PCCP是目前常用輸水管中維護(hù)成本最低的管道。

 　　（5）抗震性能好

　　1999年臺(tái)灣“9.21”7.3級(jí)地震后，臺(tái)灣自來水公司對(duì)震后各種輸水管道調(diào)查表明，只有PCCP管道經(jīng)受住了地震的破壞，其他管道均有不同程度的破壞。

　?。?）安裝方便

　　承插式接口對(duì)接非常方便，不需現(xiàn)場(chǎng)焊接，也不需復(fù)雜的大型機(jī)具，南水北調(diào)工程曾創(chuàng)造每天安裝34根的紀(jì)錄（每根管重達(dá)70余噸）。

　　三.PCCP的設(shè)計(jì)

　　1. PCCP標(biāo)準(zhǔn)管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

　　目前有兩套設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)是AWWA C304 《 DESIGN OF PRESTRESSED CONCRETE CYLINDER PIPE 》、另一個(gè)是CECS 140《給排水工程埋地管芯纏絲預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》。兩套標(biāo)準(zhǔn)都在使用，美國是C304，目前國內(nèi)更多的是CECS140，總體來說CECS140更保守一些，因?yàn)?40相對(duì)304要簡(jiǎn)單很多，所以主要介紹AWWA304。

　　AWWA C304的設(shè)計(jì)原則：AWWA C304的基本設(shè)計(jì)思想是綜合考慮由于內(nèi)壓、外壓、管自重及管內(nèi)液體重產(chǎn)生的環(huán)向極限應(yīng)力和極限彎矩。具體地說就是在管子承受工作荷載和內(nèi)壓及附加荷載和瞬時(shí)附加壓力時(shí)，環(huán)向極限應(yīng)力都不能超過所規(guī)定的極限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

　　三種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ：㈠工作極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則①.管芯裂縫控制；②.徑向張力控制；③.保護(hù)層裂縫控制；④.管芯壓力控制；⑤.最大內(nèi)水壓力,㈡線性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；①.鋼絲應(yīng)力控制；②.鋼筒應(yīng)力控制，㈢強(qiáng)度極限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ①.鋼絲屈服強(qiáng)度控制；②.管芯抗壓強(qiáng)度控制;③爆管壓力控制；④.保護(hù)層粘接強(qiáng)度控制。

　　2. PCCP設(shè)計(jì)中涉及的主要數(shù)學(xué)模型

　?、? 主要材料特性的數(shù)學(xué)模型

　　PCCP設(shè)計(jì)中使用的主要材料的數(shù)學(xué)模型全都來自ASTM（American Society Testing and Materials）。ASTM是美國最權(quán)威的材料試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，他的數(shù)據(jù)被廣泛的被各國科研機(jī)構(gòu)采用。

　　管芯混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

　　管芯混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型說明：①取7代替f’c， f’c ＞7；②Ec＜實(shí)際混凝土的彈性模量；③混凝土在其變形ε達(dá)到1.5倍極限變形εt 時(shí)出現(xiàn)微裂縫④混凝土管芯的變形不能超過1.5 εt ；⑤變形ε達(dá)到11εt 變形時(shí)出現(xiàn)可見裂縫；⑥立方體強(qiáng)度轉(zhuǎn)換圓柱體強(qiáng)度時(shí)也很保守

[Page]

　　保護(hù)層砂漿的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型

　　保護(hù)層砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型說明：①取7代替f’m，f’m ＞7；②Em＜實(shí)際砂漿的彈性模量；③變形ε達(dá)到8 ε’tm 變形時(shí)出現(xiàn)可見裂縫；④砂漿的變形不能超過8ε’tm （不能出現(xiàn)可見裂縫）

　　薄鋼板的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型

　　薄鋼板的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型說明：①薄鋼板只考慮鋼材的彈性部分；②薄鋼板只起管身抗?jié)B作用；③薄鋼板對(duì)管芯混凝土的增強(qiáng)作用基本不考慮

　　高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型

　　高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型說明：①鋼絲的纏絲應(yīng)力為鋼絲斷裂應(yīng)力的75%；②鋼絲的設(shè)計(jì)屈服應(yīng)力為鋼絲斷裂應(yīng)力的85%。

[Page]

　?、浦饕奢d的數(shù)學(xué)模型（剛性管）

　　①Paris（1923）均勻分布土荷載模型：

　　Paris理論要點(diǎn)：管頂荷載均勻分布，荷載寬度為管徑；管底荷載均勻分布，荷載寬度為管溝支撐寬度；管側(cè)面荷載均勻分布（也可呈梯形分布），荷載寬度為管徑。

　?、?Olander（1950）球形分布土荷載模型

　　Olander理論要點(diǎn):土荷載呈兩球形分布，交界點(diǎn)位于管溝支撐角的兩端點(diǎn)。管溝支撐角的兩端點(diǎn)處荷載為零。

　　3.管溝形式的設(shè)計(jì)

　　⑴溝埋式（下埋式）要點(diǎn)是：管溝底部兩溝壁相互平行且垂直于水平面、垂直溝壁部分要高于或等于管的頂部、管溝寬度Bd（管頂部溝槽寬度）要明顯小于覆土深度H。

　　⑵堤岸式

　?、俚贪渡下袷揭c(diǎn)是：管子頂部位于地平面之上、管子側(cè)面和上面的覆土堆積成梯形堤岸狀

　?、诘贪断侣袷揭c(diǎn)是：管子鋪設(shè)在一相對(duì)較淺的溝槽中，管頂位于原始地平面之下、覆土的頂部高于地平面，形成一堤壩狀

　?、羌贉喜凼揭c(diǎn)是:先按堤岸上埋式安裝管子，將管體兩側(cè)按要求寬度培土并夯實(shí)，堆積高度要求至少高于管頂一個(gè)管子直徑的高度，并形成一個(gè)堤壩狀,將管頂?shù)母餐镣诔觯靥钜缘腿葜夭牧?，如鋸末、稻草和有機(jī)土等，最后覆以少量原土以保持低容重材料穩(wěn)定

　?、确牌率揭c(diǎn)是：溝槽上開口較大，管頂溝槽寬度遠(yuǎn)大于覆土深度

　　4. 管溝支撐角的設(shè)計(jì)

　　管溝支撐角（bedding angle）是指當(dāng)管體置于溝槽中管底部能夠有效支撐管體重量的弧線兩端與管心連線之間的夾角。美國水工協(xié)會(huì)（AWWA）根據(jù)不同的管溝支撐角將管溝分成TYPE R1-TYPE R5 五種類型，其支撐分別為30°45°60°90°和120°。管溝支撐角越大，管體受力狀態(tài)越好，相應(yīng)的管溝的制作難度越高，設(shè)計(jì)中最常用的是90°(TYPE R4)。

　　5. 內(nèi)壓設(shè)計(jì)

　　⑴.工作壓力(Pw)：由設(shè)計(jì)單位根據(jù)工程要求確定的管線長期運(yùn)行壓力，PCCP的設(shè)計(jì)工作壓力因口徑不同而不同，口徑越大越難以承受高壓力，通常DN2000以下的PCCP設(shè)計(jì)工作壓力不超過1.5MPa，DN2000以上不超過1.0MPa。過高的工作壓力會(huì)使管道成本大幅度提高。

　　⑵.試驗(yàn)壓力(Pft)：由標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的對(duì)管線進(jìn)行驗(yàn)收的壓力，美國水工協(xié)會(huì)AWWA C301規(guī)定試驗(yàn)壓力為工作壓力的1.2倍，我國水利標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工作壓力≤1.0MPa，試驗(yàn)壓力為工作壓力的1.3倍；工作壓力>1.0MPa，試驗(yàn)壓力=工作壓力+0.3MPa。

　?、?瞬時(shí)壓力(Pt)：管線中可能產(chǎn)生的水錘壓力，美國水工協(xié)會(huì)AWWA C301規(guī)定水錘壓力為工作壓力的0.4倍和0.276MPa中的大值，即：Pt=max(0.4Pw, 0.276MPa)，由于先進(jìn)減壓閥的使用，近期輸水工程多采用此數(shù)值。

　　⑷.極限壓力(P’k)：管體在工作狀態(tài)和瞬時(shí)壓力聯(lián)合作用下可能產(chǎn)生的極限壓力，我國“預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管”（GB/T 19685）的抗裂內(nèi)壓試驗(yàn)采用此數(shù)值，管道設(shè)計(jì)時(shí)，任何情況下管道內(nèi)壓不允許超過此值。

　?、?混凝土零預(yù)壓應(yīng)力內(nèi)壓力(Po)：管芯在內(nèi)壓作用下，混凝土的預(yù)壓應(yīng)力被抵消為零時(shí)的內(nèi)水壓力，管道設(shè)計(jì)時(shí)，ECP管內(nèi)壓必須≤1.0Po；LCP管內(nèi)壓必須≤0.8Po。

　　⑹.破壞壓力(Pb): 管道設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)生爆管的理論壓力,管道設(shè)計(jì)時(shí)，任何情況下管道內(nèi)壓不允許超過此值,破壞壓力(Pb)通常是工作壓力(Pw)的數(shù)倍。例：DN1600，覆土深度3m，Pw =0.6MPa，Pb=2.06MPa.

[Page]

　　三.制作工藝與技術(shù)性能

　　1.PCCP標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.PCCP生產(chǎn)工藝流程

　　四.有關(guān)PCCP熱點(diǎn)問題

　　1.PCCP接頭轉(zhuǎn)角

　?、?PCCP接頭轉(zhuǎn)角的主要影響因素

　　合格的插口型材： 尺寸準(zhǔn)確，有試驗(yàn)水道，有前導(dǎo)角

　　膠圈的性能: 永久壓縮變形，硬度（邵氏50-65），強(qiáng)度、伸長率、抗老化性能優(yōu)良等

　　承插口配合尺寸: 國標(biāo)（GB/T 19685）規(guī)定：0.4-2.0mm，膠圈壓縮率為35-26%，試驗(yàn)值：20%的膠圈壓縮率可閉住2.0MPa的水壓。

　　轉(zhuǎn)角與管道直徑無關(guān)

　　開口于轉(zhuǎn)角有關(guān)

　　2.預(yù)應(yīng)力鋼絲

　　鋼絲拉拔溫度不能超過182度;增加了鋼絲纏繞(wrapping test)試驗(yàn)；后此項(xiàng)試驗(yàn)演變成扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)；增加了鋼絲的氫脆試驗(yàn)；在標(biāo)準(zhǔn)中取消了Ⅳ級(jí)鋼絲。

　　3.冷軋板和熱軋板

　　現(xiàn)行美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM A611和ASTM A568，A611中分A、B、C、D、E級(jí)

　　在99版美標(biāo)中冷軋板是可已使用，A、B級(jí)太軟，不能用；E級(jí)太硬，太脆也不允許用于PCCP。（301的規(guī)定）；冷軋鋼板可以用于PCCP生產(chǎn)；07版美標(biāo)中取消了參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM A611。

　　4.關(guān)于砂子的含泥量

　　建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)：普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（JGJ/T55）和普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（JGJ52）中都規(guī)定：有抗?jié)B、抗凍要求的混凝土，砂子含泥量不大于3.0%；C60及以上混凝土，砂子含泥量不大于2.0%。

　　5.關(guān)于裂縫問題

　　鋼筒與水接觸會(huì)銹蝕，裂縫會(huì)影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。大量試驗(yàn)證明管體內(nèi)部的裂縫可以愈合；美國C301標(biāo)準(zhǔn)中認(rèn)為1.5mm的環(huán)向裂縫在今后的輸水過程中可以愈合；美國墾務(wù)局的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為2.0mm的管道裂縫可以愈合；要避免管芯內(nèi)部的縱向裂縫。

　　6.PCCP生產(chǎn)中確實(shí)要注意的問題

　　與預(yù)應(yīng)力鋼絲有關(guān)的問題，如纏絲應(yīng)力、錨固強(qiáng)度、鋼絲接頭及運(yùn)輸包裝。與混凝土強(qiáng)度有關(guān)的問題，如配合比、水灰比、養(yǎng)護(hù)、早期強(qiáng)度等，保護(hù)層砂漿的質(zhì)量，如是否有大粒徑顆粒、密實(shí)度等。