刘江宁：PCCP管道、管件制造及质量管理技术

　　2013年8月17日，第二届全国预应力钢筒混凝土管（PCCP）行业发展高峰论坛在石家庄隆重召开。北京韩建河山管业股份有限公司总工刘江宁以《PCCP管道、管件制造及质量管理技术》主题做报告，他介绍了PCCP的起源和发展现状、PCCP的结构与特点、PCCP的设计、制作工艺与技术性能、有关PCCP等热点问题。

　　一.PCCP的起源和发展现状

　　PCCP是预应力混凝土钢筒（Prestressed  Concrete Cylinder Pipe）的英文缩写，起源于法国。1894年法国Bonna公司的创始人Aime Bonna发明了带钢筒的混凝土管，并申请了专利。

　　二十世纪40年代，欧美各国竞相研制开发。国际主要制造商有：美国Ameron公司、Price Brothers公司、法国Bonna公司、意大利Casagrande公司等。

　　PCCP是在40年代开始在世界上得到应用，目前世界上使用PCCP最著名的工程是利比亚人工大运河（The Great Man-made River）工程。这项工程是大家对PCCP有了更深刻的了解， 该工程是将沙漠中的淡水引到沿海城市使用，自80年代初期，工程已铺设PCCP3000多公里，其中包括2000多公里DN4000 PCCP。大运河工程的三期和四期工程仍在进行中。目前由于的利比亚战争而搁浅部分工程，

　　我国从80年代末从美国引进PCCP的生产技术,进入90年以后这项技术在我国得到了快速发展。具有代表性工程有：（100km以上或口径大于3米） 山西万家寨引黄工程、 新疆引额济乌衣水工程、哈尔滨磨盘山引水工程、沈阳大伙房引水工程、 南水北调北京段PCCP工程、山西万家寨引黄二期工程、淮水北调工程、辽西供水工程。

　　南水北调北京段PCCP工程DN4000, 55km(双线)

　　但现有生产企业的生产技术水平参差不齐，有些企业的技术水平已经进入国际先进水平的行列，也有的企业仍停留在手工作坊式的生产，产品质量令人担忧。

　　二. PCCP的结构与特点

　　1.PCCP的基本构成：钢筒、混凝土管芯、高强预应力钢丝、水泥砂浆保护层

　　2.PCCP常用结构形式

　　内衬式PCCP（DN400-DN1200)

 　　埋置式PCCP（DN1400-DN4000)

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　　3.PCCP的特点

　　（1）工作压力高

　　在混凝土管芯中加入一层完全闭水钢筒后，克服了普通混凝土管在高工作压力下管身渗水的问题，PCCP的最高工作压力可达3.0MPa。

　　（2） 结构刚性好

　　PCCP的结构刚性是目前所使用输水  管材中最好的，可以承受较深的覆土荷载及外部动荷载。南水北调工程中DN4000 PCCP 的设计覆土深度达10.5m。

　　（3）使用寿命长

　　PCCP中所有钢部件都处于由水泥混凝土“营造”的碱性环境中，确保不受腐蚀。

　　（4）维护成本低

　　美国混凝土压力管协会统计，PCCP是目前常用输水管中维护成本最低的管道。

 　　（5）抗震性能好

　　1999年台湾“9.21”7.3级地震后，台湾自来水公司对震后各种输水管道调查表明，只有PCCP管道经受住了地震的破坏，其他管道均有不同程度的破坏。

　　（6）安装方便

　　承插式接口对接非常方便，不需现场焊接，也不需复杂的大型机具，南水北调工程曾创造每天安装34根的纪录（每根管重达70余吨）。

　　三.PCCP的设计

　　1. PCCP标准管设计标准

　　目前有两套设计标准一个是AWWA C304 《 DESIGN OF PRESTRESSED CONCRETE CYLINDER PIPE 》、另一个是CECS 140《给排水工程埋地管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》。两套标准都在使用，美国是C304，目前国内更多的是CECS140，总体来说CECS140更保守一些，因为140相对304要简单很多，所以主要介绍AWWA304。

　　AWWA C304的设计原则：AWWA C304的基本设计思想是综合考虑由于内压、外压、管自重及管内液体重产生的环向极限应力和极限弯矩。具体地说就是在管子承受工作荷载和内压及附加荷载和瞬时附加压力时，环向极限应力都不能超过所规定的极限设计准则。

　　三种极限状态设计准则 ：㈠工作极限状态设计准则①.管芯裂缝控制；②.径向张力控制；③.保护层裂缝控制；④.管芯压力控制；⑤.最大内水压力,㈡线性极限状态设计准则；①.钢丝应力控制；②.钢筒应力控制，㈢强度极限设计准则 ①.钢丝屈服强度控制；②.管芯抗压强度控制;③爆管压力控制；④.保护层粘接强度控制。

　　2. PCCP设计中涉及的主要数学模型

　　⑴. 主要材料特性的数学模型

　　PCCP设计中使用的主要材料的数学模型全都来自ASTM（American Society Testing and Materials）。ASTM是美国最权威的材料试验机构，他的数据被广泛的被各国科研机构采用。

　　管芯混凝土的应力-应变关系模型

　　管芯混凝土的应力-应变关系模型说明：①取7代替f’c， f’c ＞7；②Ec＜实际混凝土的弹性模量；③混凝土在其变形ε达到1.5倍极限变形εt 时出现微裂缝④混凝土管芯的变形不能超过1.5 εt ；⑤变形ε达到11εt 变形时出现可见裂缝；⑥立方体强度转换圆柱体强度时也很保守

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　　保护层砂浆的应力－应变关系模型

　　保护层砂浆的应力-应变关系模型说明：①取7代替f’m，f’m ＞7；②Em＜实际砂浆的弹性模量；③变形ε达到8 ε’tm 变形时出现可见裂缝；④砂浆的变形不能超过8ε’tm （不能出现可见裂缝）

　　薄钢板的应力－应变关系模型

　　薄钢板的应力－应变关系模型说明：①薄钢板只考虑钢材的弹性部分；②薄钢板只起管身抗渗作用；③薄钢板对管芯混凝土的增强作用基本不考虑

　　高强预应力的应力－应变关系模型

　　高强预应力的应力－应变关系模型说明：①钢丝的缠丝应力为钢丝断裂应力的75%；②钢丝的设计屈服应力为钢丝断裂应力的85%。

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　　⑵主要荷载的数学模型（刚性管）

　　①Paris（1923）均匀分布土荷载模型：

　　Paris理论要点：管顶荷载均匀分布，荷载宽度为管径；管底荷载均匀分布，荷载宽度为管沟支撑宽度；管侧面荷载均匀分布（也可呈梯形分布），荷载宽度为管径。

　　② Olander（1950）球形分布土荷载模型

　　Olander理论要点:土荷载呈两球形分布，交界点位于管沟支撑角的两端点。管沟支撑角的两端点处荷载为零。

　　3.管沟形式的设计

　　⑴沟埋式（下埋式）要点是：管沟底部两沟壁相互平行且垂直于水平面、垂直沟壁部分要高于或等于管的顶部、管沟宽度Bd（管顶部沟槽宽度）要明显小于覆土深度H。

　　⑵堤岸式

　　①堤岸上埋式要点是：管子顶部位于地平面之上、管子侧面和上面的覆土堆积成梯形堤岸状

　　②堤岸下埋式要点是：管子铺设在一相对较浅的沟槽中，管顶位于原始地平面之下、覆土的顶部高于地平面，形成一堤坝状

　　⑶假沟槽式要点是:先按堤岸上埋式安装管子，将管体两侧按要求宽度培土并夯实，堆积高度要求至少高于管顶一个管子直径的高度，并形成一个堤坝状,将管顶的覆土挖出，回填以低容重材料，如锯末、稻草和有机土等，最后覆以少量原土以保持低容重材料稳定

　　⑷放坡式要点是：沟槽上开口较大，管顶沟槽宽度远大于覆土深度

　　4. 管沟支撑角的设计

　　管沟支撑角（bedding angle）是指当管体置于沟槽中管底部能够有效支撑管体重量的弧线两端与管心连线之间的夹角。美国水工协会（AWWA）根据不同的管沟支撑角将管沟分成TYPE R1-TYPE R5 五种类型，其支撑分别为30°45°60°90°和120°。管沟支撑角越大，管体受力状态越好，相应的管沟的制作难度越高，设计中最常用的是90°(TYPE R4)。

　　5. 内压设计

　　⑴.工作压力(Pw)：由设计单位根据工程要求确定的管线长期运行压力，PCCP的设计工作压力因口径不同而不同，口径越大越难以承受高压力，通常DN2000以下的PCCP设计工作压力不超过1.5MPa，DN2000以上不超过1.0MPa。过高的工作压力会使管道成本大幅度提高。

　　⑵.试验压力(Pft)：由标准中规定的对管线进行验收的压力，美国水工协会AWWA C301规定试验压力为工作压力的1.2倍，我国水利标准规定工作压力≤1.0MPa，试验压力为工作压力的1.3倍；工作压力>1.0MPa，试验压力=工作压力+0.3MPa。

　　⑶.瞬时压力(Pt)：管线中可能产生的水锤压力，美国水工协会AWWA C301规定水锤压力为工作压力的0.4倍和0.276MPa中的大值，即：Pt=max(0.4Pw, 0.276MPa)，由于先进减压阀的使用，近期输水工程多采用此数值。

　　⑷.极限压力(P’k)：管体在工作状态和瞬时压力联合作用下可能产生的极限压力，我国“预应力钢筒混凝土管”（GB/T 19685）的抗裂内压试验采用此数值，管道设计时，任何情况下管道内压不允许超过此值。

　　⑸.混凝土零预压应力内压力(Po)：管芯在内压作用下，混凝土的预压应力被抵消为零时的内水压力，管道设计时，ECP管内压必须≤1.0Po；LCP管内压必须≤0.8Po。

　　⑹.破坏压力(Pb): 管道设计时发生爆管的理论压力,管道设计时，任何情况下管道内压不允许超过此值,破坏压力(Pb)通常是工作压力(Pw)的数倍。例：DN1600，覆土深度3m，Pw =0.6MPa，Pb=2.06MPa.

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　　三.制作工艺与技术性能

　　1.PCCP标准结构示意图

　　2.PCCP生产工艺流程

　　四.有关PCCP热点问题

　　1.PCCP接头转角

　　⑴.PCCP接头转角的主要影响因素

　　合格的插口型材： 尺寸准确，有试验水道，有前导角

　　胶圈的性能: 永久压缩变形，硬度（邵氏50-65），强度、伸长率、抗老化性能优良等

　　承插口配合尺寸: 国标（GB/T 19685）规定：0.4-2.0mm，胶圈压缩率为35-26%，试验值：20%的胶圈压缩率可闭住2.0MPa的水压。

　　转角与管道直径无关

　　开口于转角有关

　　2.预应力钢丝

　　钢丝拉拔温度不能超过182度;增加了钢丝缠绕(wrapping test)试验；后此项试验演变成扭转试验；增加了钢丝的氢脆试验；在标准中取消了Ⅳ级钢丝。

　　3.冷轧板和热轧板

　　现行美国标准ASTM A611和ASTM A568，A611中分A、B、C、D、E级

　　在99版美标中冷轧板是可已使用，A、B级太软，不能用；E级太硬，太脆也不允许用于PCCP。（301的规定）；冷轧钢板可以用于PCCP生产；07版美标中取消了参考标准ASTM A611。

　　4.关于砂子的含泥量

　　建设部标准：普通混凝土配合比设计规程（JGJ/T55）和普通混凝土用砂、石质量及检验标准（JGJ52）中都规定：有抗渗、抗冻要求的混凝土，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.关于裂缝问题

　　钢筒与水接触会锈蚀，裂缝会影响结构强度。大量试验证明管体内部的裂缝可以愈合；美国C301标准中认为1.5mm的环向裂缝在今后的输水过程中可以愈合；美国垦务局的标准认为2.0mm的管道裂缝可以愈合；要避免管芯内部的纵向裂缝。

　　6.PCCP生产中确实要注意的问题

　　与预应力钢丝有关的问题，如缠丝应力、锚固强度、钢丝接头及运输包装。与混凝土强度有关的问题，如配合比、水灰比、养护、早期强度等，保护层砂浆的质量，如是否有大粒径颗粒、密实度等。