PCCP在我国的实践与面临问题的思考

胡少伟

（南京水利科学研究院，210024，南京）

PCCP在我国的实践与面临问题的思考

胡少伟

（南京水利科学研究院，210024，南京）

总结了预应力钢筒混凝土管(PCCP)在我国多年来的工程实践经验，阐述了PCCP国内外应用情况、自身独特优势及国内外相关技术标准，重点分析我国科技工作者为保证PCCP结构安全与控制工程质量而制定的水利行业首部PCCP规范(SL 702—2015)。结合PCCP行业发展面临的问题提出思考与见解，包括爆管、高强钢丝脆断、腐蚀与保护层开裂等，并总结了相关技术进步，以期对PCCP行业健康发展起到促进作用。

预应力钢筒混凝土管(PCCP)；工程应用；技术标准；行业发展；问题思考

一、PCCP的工程应用与优势

PCCP（Pres tressed Concrete Cylinder Pipe），即“预应力钢筒混凝土管”。其基本结构是在带有钢筒、内壁光滑的高强混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，并在其上制作密实而耐久的富水泥砂浆保护层，承插口钢圈带有能够容纳止水橡胶圈的凹槽，并同钢筒焊接在一起。目前世界上生产的PCCP管的最大直径已达6 m。

PCCP优点可概括如下：①高强度：由于复合结构的特点，国内应用其输水工作压力已达2.0 MPa，覆土深度已达12 m；②高抗渗性：最优化地利用钢材和混凝土，薄钢板起到高抗渗的作用；③高密封性：采用钢制承插口接头和两道密封胶圈，密封性得到了保证；④耐久性好：管体表面不需防腐涂料，而钢筒由水泥混凝土包裹，受到碱性钝化膜的保护，寿命得到了延长；⑤接口尺寸精确，因可使用限制接口，管道转弯时可免去支墩，安装方便，加快了施工进度；⑥管道维护费用低：据美国压力管协会统计，在钢管、混凝土管、球墨铸铁管中PCCP管的维护费用最低。同时PCCP管还可以带压打孔，安装支线。

PCCP在我国已有27年使用历程，累计1.6万km的PCCP管道埋地运行。PCCP管已经广泛使用于我国的水利、电力、市政给排水等各个领域，应用的管径日益增加，范围不断扩大，显现出PCCP大口径、高工压、高抗渗的优越性能。图1为近10年PCCP产量图，可以看出PCCP产量基本呈逐年上升趋势，2013年达到2000km/a，2016年为1600km/a，在我国长距离、跨流域调水工程中独占鳌头。

2016年度混凝土压力管行业发展报告指出：2011—2020年，国家水利建设投资将达到4万亿元，到2015年已完成水利投资1.8万亿元，还有2.2万亿元将在“十三五”期间实现。尤其是南水北调、引黄工程之后，鄂北调水工程、辽宁大伙房抗旱应急供水工程、辽西北二期工程、吉林中部城市调水、新疆生态环境工程等国家重点大型水利项目相继开工，PCCP管道在大型工程带动下出现明显增长趋势。其后，包括珠三角西水东调、滇中引水、引江济淮、各地备用水源建设等工程有望开工建设。由此可见，国家大规模水利建设将使PCCP行业在今后一些年仍然处在高速发展时期，前景看好。

二、国内外相关技术标准对PCCP工程安全的保障

1.设计标准

美国国家标准局（ANSI）和美国供水工程协会（AWWA）在1949年推出第一部规范ANSI/AWWA C301，包括PCCP生产和设计方法，此后几经修改形成目前广泛使用的ANSI/AWWA C304—07设计标准。我国PCCP结构设计规范是2002年中国建设标准化协会颁布的CECS 140—2002。水利行业于2015年发布了SL 702—2015，主要内容包括PCCP材料、管线选择与布置、水力计算、结构计算、构造规定、防腐涂层、阴极保护、施工安装、管道功能性试验、安装检测、工程验收等。

2.生产与施工标准

国际广泛使用的生产标准是ANSI/AWWA C301—99，国内生产标准是GB/T 19685—2005，现修订为GB/T 19685—2017。国际广泛使用的施工标准是AWWA M9手册，混凝土压力管国内标准有《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268—2008），2012年颁布了《埋地预应力钢筒混凝土管道的阴极保护》（GB/T 28725—2012）。

目前影响PCCP工程结构安全的因素主要有：①管道混凝土开裂：导致渗水和腐蚀介质的侵入，寿命急剧降低；②高强钢丝断丝：如果多根钢丝断裂，就会有爆裂危险，高强钢丝断裂而发生PCCP爆裂已成为其主要的事故模式；③管芯混凝土徐变：由于PCCP管道材料加工以及施工安装周期长，在野外堆放270天以上，如此长时间的堆放会造成管芯混凝土的徐变，进而造成管道的预应力损失，从而不能满足PCCP管道的安全使用性能。为此，笔者参与制定的水利行业《预应力钢筒混凝土管道技术规范》(SL 702—2015)，在解决上述安全问题的同时,满足了以下3个安全保障方面的需要:

（1）满足了PCCP安全设计的需要

虽然我国在吸收ANSI/AWWA C304等规范的基础上已经根据GB 50068和GB 50153制定了CECS 140，但由于美国有关PCCP设计、制作、安装的标准除了有ANSI/AWWA C301、ANSI/AWWA C304、AWWA M9手册、AWWA M11手册等主要标准之外，还有与之相关的材料标准、实验标准、安装手册等200多种，这些有关PCCP标准是基于美国国内的原材料质量水平、试验方法、设计理念、生产水平等制定，并引用了众多的美国相关标准，因此基于我国国情考虑要做到完全采用AWWA标准是根本不可能的，往往造成不同工程具有不同质量标准、同一工程不同人员对有关问题的理解不能完全统一，其结果是管道制造质量水平参差不齐，可能造成工程隐患。同时也有一些在我国认为很重要的内容却没有具体规定，这些问题对PCCP的质量和使用非常关键。因此水利规范SL 702—2015满足了PCCP安全设计的需求。

地表撒播与按常规方式播种，在同一播种期内的转基因大豆SHZD32-01、受体材料中豆32、主栽品种皖豆28小区内的杂草覆盖度无显著差异(表5)，且杂草覆盖度在整个调查期内整体呈逐渐增加的趋势。所有试验小区，至7月底杂草覆盖度均达90%左右，8月及以后在继续调查监测时小区中的杂草覆盖度达到100.0%，最终形成以莲子草、葎草、狗尾草、稗草、节节草、小飞蓬、白羊草为优势种的杂草群落，优势群落的杂草高度达100 cm，杂草的竞争使大豆生长处于劣势。

（2）规范提供的PCCP涂料防腐技术能有效减少爆管事故发生的概率

图1 近10年PCCP产量统计

PCCP是在混凝土管芯上缠绕一层或二层环向预应力钢丝，并辊射水泥砂浆保护层而制成的。水泥砂浆保护层厚度约20 mm，它对保护预应力钢丝不受环境腐蚀起到关键作用。一旦因某种原因使水泥砂浆保护层出现裂缝，会严重影响PCCP的使用寿命。利比亚大人工河一期工程运行不到10年发生了至少5次爆管，更换管道达1万多节。从二期工程开始全部采用外防腐涂层管、配合阴极保护和运行监测措施后，避免了爆管发生。目前我国还没有有关预应力钢筒混凝土管道涂料防腐技术规范。为了保证PCCP管线安全正常运行，减少爆管事故发生的概率，一些在建的重大输水工程对PCCP做了防腐涂层，但在选用防腐材料、指标、检测验收等方面标准不统一，因此亟待全面贯彻执行水利PCCP规范SL 702—2015。另外，PCCP阴极保护是防止地下金属构筑物腐蚀行之有效的技术，为了保证PCCP管线长期安全运行，我国制定的水利规范SL 702—2015，满足了我国PCCP阴极保护相关技术要求的需要。

（3）实现了PCCP安装与验收过程质量控制，保证PCCP工程质量

我国已建成PCCP输水管线1.6万km，为此，制定的水利规范SL 702—2015，符合我国国情和现行规范体系的安装及验收规范，有利于加强PCCP安装及验收的管理，保证PCCP工程建设质量。

目前，PCCP行业国内标准体系基本健全，能够控制行业有序发展。当然国内外标准存在差异，相同型号的PCCP由于荷载计算、工况组合、内水压力取值不同等影响，计算结果会有不同，有时还相差较大。有时几种配筋都能满足安全使用条件，国内也多选用偏于安全的计算结果。

三、对PCCP行业发展的思考

在PCCP行业高速发展时期，也要保持清醒认识，1.6万km管道埋地运行，这个庞大的管网体系一定会因各种前期质量、技术、运行管理等考虑不周而暴露出问题，我们需要正视和面对。目前发生的个别爆管和检测出的断丝现象，引起行业中人质疑。比如：我国不该引进或不应该使用PCCP，PCCP国家标准不做水压试验，全力躲避裂缝出现等。这些问题和质疑严重影响PCCP行业健康发展，引发了工程业主和规划设计部门对PCCP运行可靠性的担忧，一些地区和部门开始拒绝使用PCCP。笔者多年从事PCCP结构安全研究，就几点问题表达看法如下。

1.对PCCP爆管问题的理解

美国PCCPL于1942年投入使用，PCCPE于1953年投入使用，分别有75年和64年运行历史，到2006年共有3万km PCCP管道埋地运行，用于2.8万项工程中，100个大中城市有90多个使用PCCP,最大管径达到7.6 m，最大工压达到2.75 MPa，最大覆土深度达到30.5 m。美国创造了PCCP历史上大用量、大管径、高工压、深覆土的世界之最。PCCP经历了美国基础建设高峰时期，仍然在为美国经济发展服役运行。

在美国这样庞大的PCCP应用市场中，其发展过程也不可能一帆风顺，在1996年前的55年中，美国统计的PCCP爆管有390次，主要集中在20世纪70年代。分析一下事故率，3万km、55年、390次，这个事故率在管道工程中并不高，不是美国PCCP用量减少的主要原因。进入21世纪，美国PCCP用量大幅度减少，主要是美国大规模基础建设基本完成所致，绝不是“美国不再使用PCCP”。这一点在我国经过若干年基本建设后，同样会出现PCCP用量减少、维修更换量增加的过程，这是符合规律的。

那么美国55年中爆管有390次，多集中在20世纪70年代，这是为什么？美国华盛顿水务局资深专家总结说：“美国最早（也是最大）的PCCP厂使用了4级、3级高强钢丝，应力太高，容易氢脆断裂，造成爆管。这家管厂因爆管造成大额损失而破产。后来美国改用2级钢丝（1 570 MPa）,氢脆问题得到了很好改善，爆管明显减少了；另外，管道水锤、外部环境腐蚀、一些综合因素共同作用，都可能造成PCCP失效。美国华盛顿水务局管理340 km主管网，多数是PCCP管道，运行40年，95%的管道没有问题，有3%～7%的管道出现问题，也有爆管的”。经过大量调查和资料查询，我们认为这是符合美国PCCP真实评价的，应引起我国高度重视。

2.对高强钢丝脆断、腐蚀问题的思考

PCCP缠绕的高强钢丝是主要受力体系，应力1 570 MPa，钢丝控制应力70%。高强钢丝因腐蚀或脆断积累到一定数量，PCCP受力结构就受到破坏，爆管风险就在所难免。

根据PCCP爆管现场以及维修更换管道时清除破损保护层后对钢丝的观察，断丝有两种形态：一是腐蚀，保护层下有较多腐蚀残渣，钢丝面积减小或已锈断；二是脆断，钢丝断面无明显锈蚀，有些还有光泽，没有缩径现象，但发生了齐茬断裂或顺丝劈裂。多数钢丝是断裂或劈裂并伴随着严重锈蚀。分析这些现象出现的原因，脆断是主因。钢丝断裂，使保护层变形增加，造成保护层空鼓裂缝，腐蚀随即发生。脆断在前，腐蚀在后，齐茬断裂并伴随腐蚀这种现象才成立。将脆断的钢丝取样检验，强度还大于1670MPa，弯曲和扭转均不合格，因此这些失效的PCCP追求钢丝高应力和钢丝拉拔质量不合格造成了氢脆发生，才是PCCP失效的主要原因。

高强钢丝是PCCP的生命线，对钢丝的氢脆问题必须高度重视，严格控制。我国PCCP在使用高强钢丝的问题上已经吸取了美国的教训，规定高强钢丝的应力等级为1 570 MPa，在这个应力条件下，如果拉拔质量合格，基本不会出现氢脆问题，这已经被国内外PCCP几十年的运行实践所证明，也就是说高强钢丝的氢脆是可以控制的。控制高强钢丝氢脆的主要措施是:严格控制应力等级；加强氢脆性检验，不使用氢脆不合格的钢丝；弯曲、扭转等力学指标应满足标准要求；制定相关标准，规范高强钢丝拉拔质量，改变制造厂被动使用氢脆钢丝的现象等。一些“高强钢丝一定氢脆，氢脆一定断丝，断丝一定爆管”的说法是不符合PCCP工程实际情况的。

3.保护层问题

PCCP保护层是辊射砂浆，厚度一般小于25 mm。因辊射砂浆与管芯及光面钢丝的粘接力较低，造成结构上的薄弱点。保护层发生空鼓裂缝除与上述钢丝脆断有关外，与干湿交替环境造成砂浆收缩裂缝也有关。还有制造安装中的问题，如生产制造时辊射砂浆的质量控制不好，保护层吸水率不合格，运输、安装中发生碰撞、损伤；生产后长期不安装露天存放，温差造成的胀缩；施工时埋深不足，使管道上半部处在冻土层中，保护层被冻结在冻土层中，随着冻胀变形，造成保护层大面积空鼓。也可能是上述因素综合作用的结果。实践证明，在我国南方或气候湿润地区，总体使用情况是好的，还有许多相对湿润地区PCCP已使用20年左右，也没有出现裂缝空鼓现象，这些地区的PCCP保护层完整，使处在碱性环境中的钢丝得到有效保护，没有发生锈蚀断裂现象。还有在宁夏一山洪沟内敷设的DN800 PCCP管，因沟内有煤矿常年排水，水质很差，管道在水下运行，最担心它会因保护层腐蚀造成爆管，但现在已运行12年，并未出现任何问题。而同期敷设在山坡上的管道就出现了保护层裂缝空鼓、钢丝腐蚀问题。这说明PCCP保护层在干燥地区、干湿交替环境下是最不利的使用条件，发生空鼓裂缝、造成钢丝腐蚀的问题也较多。

这些问题一部分可以从制造、安装环节得到控制，一部分则在设计时要考虑使用环境，采取对应措施，特别是在我国西北和北方干燥环境下。另外，还需要进行创新研究，从结构、材料方面改善保护层性能。

四、PCCP技术创新与进步

随着PCCP工程应用增加，从业人员不断实践思考，PCCP技术创新取得了明显进步，如SL 702—2015标准实施；张社荣等2009年对PCCP进行了结构数值仿真分析；笔者在2011年对PCCP结构进行了破坏性试验，PCCP出现裂缝、断丝、应力松弛对承载能力的影响分析以及PCCP结构安全评价等，这些标准和专著对PCCP的理论研究及实践应用都产生了重要影响，推动了PCCP技术进步。

在PCCP运行监测方面，引进国外先进技术，对我国部分运行管线进行监测，为PCCP断丝提供了依据，使PCCP管线维护有了比较明确的目标。这对运营部门极为重要。我国苏州水泥制品研究院也已研发出PCCP断丝检测设备，使这一技术国产化，以更好地服务于PCCP运行维护。

针对PCCP高强钢丝潜在脆化、保护层空鼓裂缝及由此产生的腐蚀等问题，宁夏青龙管业联合南京水科院合作研发了“钢筋缠绕钢筒混凝土压力管”（简称“BCCP”）新型管型与BCCP设计分析软件,它使用冷轧带肋钢筋代替高强钢丝，将钢筒适当加厚，组成受力体系，在较粗预应力带肋钢筋上二次浇筑C50粗纤维细石混凝土保护层，使得粘接力大幅度提高，结构整体性能加强，同时对承插口和管身防腐做了改进。这是对PCCP结构的重大创新，有效解决了高强钢丝脆化和保护层空鼓裂缝问题，将使管道耐久性大大提高。这个结构创新产品研发两年多已经在我国宁夏、山西等10个项目上使用64 km，其管径500～2000mm，工压0.8～2.0 MPa、管径3000mm的BCCP已经研发出来，并经过第三方质量检验合格。

还有一批关于PCCP的研究成果在“混凝土与水泥制品行业技术革新奖”和水利学会“PCCP管道技术创新与发展”中公布出来。多家科研院所和制造商取得大量PCCP研究成果和专利技术，这些关于PCCP的技术进步都将有效促进这个行业的健康发展。

五、结语

在PCCP快速发展时期，一定会暴露出前期技术引进、设计制造、安装运行等方面因技术经验不足而造成的问题，甚至出现断丝爆管。如现在运行管道检测发现一些管道有断丝现象并出现个别爆管事故，PCCP相关设计、施工、运行管理部门都应该认真总结经验，吸取教训。对大口径管道选型，PCCP仍然是性价比优越的管材，不能因为个别爆管和断丝现象就失去信心。对于一些质疑，也应该以科学、求实的态度正确面对，自律前行。对埋地运行的PCCP管进行分析评估，找出有可能最先失效的段落进行无损检测，处理风险点是非常必要的。加强PCCP技术创新，加强全行业质量管控，共同维护和竖立PCCP品牌形象，以期让PCCP更好地服务于国民经济建设。■

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Considerations on practice and problem s of PCCP in China

//Hu Shaowei

The application of PCCP at home and abroad and its unique advantages were described firstly.And then,some PCCP relevant technical standards were present,especially the technical specifications of pres tressed concrete cylinder pipe(SL702-2015)which is the first technical standards of PCCP proposed by ministry of water resources of china.In addition,some thoughts were present,such as the explosion of PCCP,brittle fracture of high strength steel wire,corrosion and spalling of cover concrete and so on.At last,the innovation and progress related PCCP technologies are summarized.

Pres tressed Concrete Cylinder Pipe(PCCP);engineering application;technical standard;PCCP industry development;thoughts

TV332.3责任编辑B

1000-1123（2017）18-0025-05

2017-08-19

胡少伟，所长，教授级高级工程师。

国家自然科学基金项目——复杂地质环境下输调水工程的灾害预警与快速抢险（批准号：51739008）。

责任编辑 张瑜洪