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，第二屆全國預應力鋼筒混凝土管（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、PCCP的設計、制作工藝與技術(shù)性能、有關(guān)PCCP等熱點問題。

　　一.PCCP的起源和發(fā)展現(xiàn)狀

　　PCCP是預應力混凝土鋼筒（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，并申請了專利。

　　二十世紀40年代，歐美各國競相研制開發(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用，目前世界上使用PCCP最著名的工程是利比亞人工大運河（The Great Man-made River）工程。這項工程是大家對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PCCP3000多公里，其中包括2000多公里DN4000 PCCP。大運河工程的三期和四期工程仍在進行中。目前由于的利比亞戰(zhàn)爭而擱淺部分工程，

　　我國從80年代末從美國引進PCCP的生產(chǎn)技術(shù),進入90年以后這項技術(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)進入國際先進水平的行列，也有的企業(yè)仍停留在手工作坊式的生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量令人擔憂。

　　二. PCCP的結(jié)構(gòu)與特點

　　1.PCCP的基本構(gòu)成：鋼筒、混凝土管芯、高強預應力鋼絲、水泥砂漿保護層

　　2.PCCP常用結(jié)構(gòu)形式

　　內(nèi)襯式PCCP（DN400-DN1200)

 　　埋置式PCCP（DN1400-DN4000)

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　　3.PCCP的特點

　?。?）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荷載。南水北調(diào)工程中DN4000 PCCP 的設計覆土深度達10.5m。

　　（3）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。

　?。?）維護成本低

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

 　?。?）抗震性能好

　　1999年臺灣“9.21”7.3級地震后，臺灣自來水公司對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

　　承插式接口對接非常方便，不需現(xiàn)場焊接，也不需復雜的大型機具，南水北調(diào)工程曾創(chuàng)造每天安裝34根的紀錄（每根管重達70余噸）。

　　三.PCCP的設計

　　1. PCCP標準管設計標準

　　目前有兩套設計標準一個是AWWA C304 《 DESIGN OF PRESTRESSED CONCRETE CYLINDER PIPE 》、另一個是CECS 140《給排水工程埋地管芯纏絲預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結(jié)構(gòu)設計規(guī)程》。兩套標準都在使用，美國是C304，目前國內(nèi)更多的是CECS140，總體來說CECS140更保守一些，因為140相對304要簡單很多，所以主要介紹AWWA304。

　　AWWA C304的設計原則：AWWA C304的基本設計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附加壓力時，環(huán)向極限應力都不能超過所規(guī)定的極限設計準則。

　　三種極限狀態(tài)設計準則 ：㈠工作極限狀態(tài)設計準則①.管芯裂縫控制；②.徑向張力控制；③.保護層裂縫控制；④.管芯壓力控制；⑤.最大內(nèi)水壓力,㈡線性極限狀態(tài)設計準則；①.鋼絲應力控制；②.鋼筒應力控制，㈢強度極限設計準則 ①.鋼絲屈服強度控制；②.管芯抗壓強度控制;③爆管壓力控制；④.保護層粘接強度控制。

　　2. PCCP設計中涉及的主要數(shù)學模型

　?、? 主要材料特性的數(shù)學模型

　　PCCP設計中使用的主要材料的數(shù)學模型全都來自ASTM（American Society Testing and Materials）。ASTM是美國最權(quán)威的材料試驗機構(gòu)，他的數(shù)據(jù)被廣泛的被各國科研機構(gòu)采用。

　　管芯混凝土的應力-應變關(guān)系模型

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

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　　保護層砂漿的應力－應變關(guān)系模型

　　保護層砂漿的應力-應變關(guān)系模型說明：①取7代替f’m，f’m ＞7；②Em＜實際砂漿的彈性模量；③變形ε達到8 ε’tm 變形時出現(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）

　　薄鋼板的應力－應變關(guān)系模型

　　薄鋼板的應力－應變關(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薄鋼板對管芯混凝土的增強作用基本不考慮

　　高強預應力的應力－應變關(guān)系模型

　　高強預應力的應力－應變關(guān)系模型說明：①鋼絲的纏絲應力為鋼絲斷裂應力的75%；②鋼絲的設計屈服應力為鋼絲斷裂應力的85%。

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　?、浦饕奢d的數(shù)學模型（剛性管）

　?、貾aris（1923）均勻分布土荷載模型：

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

　　3.管溝形式的設計

　?、艤下袷剑ㄏ侣袷剑┮c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。

　?、频贪妒?

　　①堤岸上埋式要點是：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

　　②堤岸下埋式要點是：管子鋪設在一相對較淺的溝槽中，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，堆積高度要求至少高于管頂一個管子直徑的高度，并形成一個堤壩狀,將管頂?shù)母餐镣诔觯靥钜缘腿葜夭牧?，如鋸末、稻草和有機土等，最后覆以少量原土以保持低容重材料穩(wěn)定

　　⑷放坡式要點是：溝槽上開口較大，管頂溝槽寬度遠大于覆土深度

　　4. 管溝支撐角的設計

　　管溝支撐角（bedding angle）是指當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（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，相應的管溝的制作難度越高，設計中最常用的是90°(TYPE R4)。

　　5. 內(nèi)壓設計

　　⑴.工作壓力(Pw)：由設計單位根據(jù)工程要求確定的管線長期運行壓力，PCCP的設計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設計工作壓力不超過1.5MPa，DN2000以上不超過1.0MPa。過高的工作壓力會使管道成本大幅度提高。

　?、?試驗壓力(Pft)：由標準中規(guī)定的對管線進行驗收的壓力，美國水工協(xié)會AWWA C301規(guī)定試驗壓力為工作壓力的1.2倍，我國水利標準規(guī)定工作壓力≤1.0MPa，試驗壓力為工作壓力的1.3倍；工作壓力>1.0MPa，試驗壓力=工作壓力+0.3MPa。

　?、?瞬時壓力(Pt)：管線中可能產(chǎn)生的水錘壓力，美國水工協(xié)會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)和瞬時壓力聯(lián)合作用下可能產(chǎn)生的極限壓力，我國“預應力鋼筒混凝土管”（GB/T 19685）的抗裂內(nèi)壓試驗采用此數(shù)值，管道設計時，任何情況下管道內(nèi)壓不允許超過此值。

　?、?混凝土零預壓應力內(nèi)壓力(Po)：管芯在內(nèi)壓作用下，混凝土的預壓應力被抵消為零時的內(nèi)水壓力，管道設計時，ECP管內(nèi)壓必須≤1.0Po；LCP管內(nèi)壓必須≤0.8Po。

　?、?破壞壓力(Pb): 管道設計時發(fā)生爆管的理論壓力,管道設計時，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.

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　　三.制作工藝與技術(shù)性能

　　1.PCCP標準結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.PCCP生產(chǎn)工藝流程

　　四.有關(guān)PCCP熱點問題

　　1.PCCP接頭轉(zhuǎn)角

　　⑴.PCCP接頭轉(zhuǎn)角的主要影響因素

　　合格的插口型材： 尺寸準確，有試驗水道，有前導角

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

　　承插口配合尺寸: 國標（GB/T 19685）規(guī)定：0.4-2.0mm，膠圈壓縮率為35-26%，試驗值：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.預應力鋼絲

　　鋼絲拉拔溫度不能超過182度;增加了鋼絲纏繞(wrapping test)試驗；后此項試驗演變成扭轉(zhuǎn)試驗；增加了鋼絲的氫脆試驗；在標準中取消了Ⅳ級鋼絲。

　　3.冷軋板和熱軋板

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

　　在99版美標中冷軋板是可已使用，A、B級太軟，不能用；E級太硬，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版美標中取消了參考標準ASTM A611。

　　4.關(guān)于砂子的含泥量

　　建設部標準：普通混凝土配合比設計規(guī)程（JGJ/T55）和普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗標準（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

　　鋼筒與水接觸會銹蝕，裂縫會影響結(jié)構(gòu)強度。大量試驗證明管體內(nèi)部的裂縫可以愈合；美國C301標準中認為1.5mm的環(huán)向裂縫在今后的輸水過程中可以愈合；美國墾務局的標準認為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)中確實要注意的問題

　　與預應力鋼絲有關(guān)的問題，如纏絲應力、錨固強度、鋼絲接頭及運輸包裝。與混凝土強度有關(guān)的問題，如配合比、水灰比、養(yǎng)護、早期強度等，保護層砂漿的質(zhì)量，如是否有大粒徑顆粒、密實度等。