美国PCCP管的失效及对中国给水管道应用的警示.pdf

规 划 战略 水利规划与设计 2 0 1 5年第 3期 DOI ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 5 0 3 0 0 1 美国 P C C P管的失效及对 中国给水管道应用的警示 沈之基 ，郑小 明 ( 1 上海 原水股份有限公司 ，上海 2 0 0 0 8 5 ；2 中国城镇供水排 水协会科学技术委员会管道技术部 ，上海 2 0 1 4 0 0 ) 摘 要 ：P C C P管很 高的失效 可能性和 失效的灾难性 ， 已导致 美 国现在 已经 不再 生产 P C C P管。向 中国输 出技 术 的 阿美隆公 司、普赖斯兄 弟公 司已经停 产关闭。 美国的水 务机构 已经对 自己系统 中的 P C C P采取降压 、审核运 行、 内外部检查及修复或更换 管道 等等行 动。P C C P管主要失效模 式是钢 丝腐蚀 管爆 裂 ，保护钢 丝的 水泥砂 浆防护层 自身脆弱 ，运行 中得不 到保 护，它 的寿命 成为 P C C P管寿命 的决 定 因素 ；高 内压 的 大 口径 P C C P管线“ 膨胀 量” 大 ，特 别 危 险 。 关键 词 ：输水管 ；P C C P管 ；失效 ；钢丝腐蚀 中图分类号 ：T V 4 9 文献标识码 ：c 文章编号 ：1 6 7 2 2 4 6 9 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 0 1 0 3 1 P CC P管在 中国的应 用 近 十年 来 ，P C C P管 在 中 国 迅 猛 发 展 ，据 行 业 协会统计 报告 ，2 0 1 0年 ，中国年生产 能力 已突破 3 0 0 0 k m，年生产 量达到 1 5 0 0 k m( 美 国最高 年产量 在 1 9 7 1年 ，为 3 ， 5 6 3 ， 3 2 7英 尺 ，约 1 1 0 0 k m) ， 累 计使 用量 已达 8 0 0 0公 里 。 中 国 现 在 已是 P C C P管 年生产使用量世界最高的国家 。 国家 发 改委 、水 利部 、建 设 部 等七 部 委 ，2 0 0 5 年联 合 发 布 的 “ 中 国 节 水 技 术 政 策 大 纲 ”明 示 ， D N1 2 0 0以上 口径 的输水 管线 优先 采用 P C C P 。 引进这项技术 以来 ，中国几乎所有介绍文章都 接受 这样 的 论 断 ：P C C P是 钢 管 和 混 凝 土 压 力 管 两 者优 势组 合 、经 济且 耐 蚀 。 中 国 P C C P专 家 近年 在 很多篇文章中称 P C C P寿命可达 1 0 0年。 2 P CC P管在美 国的应用及 失效 2 1 P CC P管 的爆 裂损 坏 问题 已经 非 常突 出 美 国是 P C C P管 的先 行 者 ，美 国 自来水 协 会 研 究基 金会 ( A w w a R F ) 在 2 0 0 8年 发 布 了 “ P C C P失 效 ” 专题 报告 ，并 “ 希 望这 个结 果将 应用 于整 个 世界 ” 。 由于 P C C P的较高的失效可能性 ，它的性能在 很长一段时问以来 ，是水务 当局感兴趣 的问题。约 2 0年前 ，美 国 自来 水协会研究基金会 和 国家垦务 局就 曾启 动 了研 究 “ 预 应 力 混 凝 土 管 的性 能 ”的项 目 ，可惜 的是 报告 没 有 公布 ；2 0 0 8年 ，A w w a R F终 于发 布 了“ P C C P失 效 ” 的研 究 报 告 。这 个研 究 项 目 开始 于一 个调 查 ，美 国 十余 个 地 区或 城市 的水务 机 构参 与这 个项 目调查研 究 ，如 ：国家 垦务 局 、加 州 水资源部和休斯敦、达拉斯、圣地亚哥等等大城市 水务部门，因此报告能够对北美 P C C P性能有代表 作用 。报 告 的 目标 是对 失 效作 统计 分 析和 开 发一 个 评估 模 型 ， 调查研究结果 ，美国 自上世纪 4 O年代开始到 2 0 0 6年 ，累计 生 产使 用 P C C P约 3 0 0 0 0 k m，项 目研 究者 已经知道 的美 国 P C C P失 效事 件 ： 第 1类别 失 效 ( 灾 难 性 破 裂 和 泄 漏 C a t a s t r o p h i c r u p t u r e s a n d l e a k s ) ，有 4 3 5个 ；第 2类别失效 ( 严 重劣 化或 结构 弱化 一通 过 检查 看 到 的 S i g n i f i c a n t d e t e r i o r a t i o n o r s t r u c t u r a l we a k n e s s d i s c e r n e d b y i n s pe c t i o n ) 和第 3类别 ( 服务能力减少一暂停服务 ，完全 或部分替代 L o s s o f s e r v i c e T i me o u t o f s e r v i c e 、F u l l o r p a r t i a l r e p l a c e me n t ) 的失 效有 3 5 6 6 2个 。 这些失 效发 生年 份 ，第 1类平 均 值为 l 3 9 5 年 ，第 2 、3类 失效 为 1 6 7 5年 。 3 0 0 0 0 k mP C C P管 线 ，发 生 4 3 5个 第 1类 别 失 效 ，3 5 6 6 2个 第 2类 别 和 第 3类 别 的 失 效 ，从 数 字上 看 ，同其他 管材 相 比也 不是 特 别 严 重 ；不 过 ， 考虑到使用 的 P C C P口径较 大 ，失效 管线 几乎 都 在 3 0英 寸 ( 相 当 D N 7 5 0 ) 以 上 ；失 效 的 主 要 模 式 是爆裂 ，失效发生 时间在投入运行 后 十多年 ，不 是很 长 ；所 以 从 后 果 看 ，P C C P失 效 是 严 重 的 ， 作者简介 ：沈之基( 1 9 4 1年一 ) ，男 ，高级工程 师。 规 划 战略 水利规划与设计 2 0 1 5 年第 3 期 4对 P C CP管的失效原 因解析 因信 息有 限 ，难 以 明 白美 国不 再 生 产 使 用 P C C P的 全 面情 况 和 细 节 ，难 以对 美 国 的 这个 变 化 做 出切实 的深 入 理解 。这 里从 中 国实 际 出发 ，在对 中 国 P C C P发 展过 程 了解 的基 础 上 ， 以管 道技 术 工 作 的经验 、供 水业 主立 场 视 角 ，对 P C C P的性 能和 未 来 作 出分 析 。 P C C P具有经济和 耐腐蚀特点 ，其核心手段是 采用高强度钢丝和预应力技术。钢丝的设计应力是 钢 管钢 材 的 5倍 以上 ，由此 节约 了钢 材 而 取得 经 济 性 ；混 凝 土和砂 浆 包裹 钢丝 和钢 筒 ，由此 取 得 了耐 腐蚀 。这些 是发 展 这个 产 品时开 发 人 员 的期 望 ，也 是 这个 产 品投入 运行 一段 时 间 内 的表现 ；但 是 随着 时间推 移 ，P C C P的 实际 表现 同期 望有 很 大 的差 异 ， 原来的耐腐蚀方面的优势并不如设计理想 。 4 1 水 泥层 耐腐 蚀 、寿 命长 的解 读一 衬 里层 同外 保 护层 有 不 同 4 1 1 铸铁 水 管采 用水 泥砂 浆衬 里层 有 5 01 0 0 年 的寿命 。 水泥砂浆衬 里层对输水 铸铁管 、钢管提供 5 0 年 以上 的 安全 服务 ，可 以有 5 01 0 0年 的寿 命 ，这 是 已经 有众 多事 实证 明并得 到公 认 的 ；水 泥砂 浆 衬 里 涂层 ，在 同它 接 触 的铁 、钢 表 面形 成 P H1 2的 环 境 ，铁 钢钝 化 ，所 以能 确保 铁钢 不 发生 腐 蚀 ；这 里 要指 出 ，这 样环 境 能形成 并保 持 ，首 先 条 件是 涂 层 稳定 ，不发生裂缝 、脱 离；铸铁 管、钢管运行 时， 所有的内外负载都由铁钢简体承担 ，筒体传递给衬 里层 的应力非常之小 ；筒体在外 ，涂层在 内，简体 保护着涂层 ，内压有利于水深入涂层细部 ，水泥颗 粒 的水化 作 用继 续 ，涂层 更 加致 密 ，细 小 裂缝 还 可 自己愈合 ；内压还有利于涂层 同管壁结合。衬里层 保 护 了管道 内壁 ，管 道保 护 了衬 里 ，这 就是 内衬 水 泥砂浆层能长期保护管道 内壁 的原 因。 4 1 2 P C C P管水 泥保 护层 自身得 不到 保 护 ，难 以 为钢 丝提供 可 靠保 护 水泥砂 浆衬里层 对铸铁 管 、钢管可 以提 供 5 0年 以上 的安全 服 务 ，但 水 泥 砂 浆 保 护 P C C P钢 丝 、钢 筒 ，也 可 以提供 5 0年 以上 的寿命 ，是 值得推敲 的 。 这是 由于 P C C P管线 运 行 时虽 然 内外 负载 主要 都由钢丝 、钢筒承担 ，但因钢丝钢筒在 内，脆性的 水泥保护层在外 ，保护层 自身得不到保护 ，所有的 内外 负载 以及 运输 、吊装 时 的震 动 、碰 撞 ，全 部 都 是 产 生裂缝 和 发展 裂缝 的诱 因 ，伤 害保 护 层 ；保 护 层外 部环 境复 杂 ，如 干湿 交替 、土 壤 含有 伤 害保 护 层 成 分等 等 ，不一 定能 为钢 丝形 成 保 护环 境 。衬 里 层 和 保护层 ，虽 然 同样 是 水 泥 砂 浆 覆 盖 钢 材 表 面 ， 但 二 者 的 处 境 不 一 样 ，能 够 发 挥 的 作 用 也 就 不 一 样 。实践 表 明 ，P C C P管 保 护 层 同铸 铁 管 衬 里 层 所 处条 件不 同 ，难有 同样 寿命 。 4 2高 内压 、大 口径 的管 线应 用风 险 P C C P管 的水 泥保护层是 管芯 、钢丝 在无 内压状 态下成形 、养生的，运行时高内压会使管道有小小 的“ 膨胀 ” ，这 个 膨胀 有 将保 护 层胀 裂倾 向 ，是 裂缝 生成 的主要 源头 且无 法避 开 ；膨 胀 量 同 内压 成 正 比 关 系 ，同 口径 也成 正 比关 系 ，所 以高 内压 大 口径 的 P C C P管特别 危 险 。在 保 护 层外 做 环 氧树 脂 等涂 层 ， 对 因膨胀 而 产 生 的裂缝 ，也很 难 起 到 阻止 作 用 ；同 样 ，阴极保护也对膨胀而产生的裂缝 ，不能有阻止 作用。大人工河工程设计内压达到 2 8 M p a ，对水管 来说是较高 的内压 ，上海供水 系统 的水厂 出厂管 ， 内压都在 0 5 M p a以下 ，所以高内压应该是大人工河 工程 出现 多次爆裂 和几万根 钢丝断裂 的主要原 因。 美 国失效 研究 报告 中提 到 ，美 国水 务 机 构一 致 认为“ 水压试验 ” 和“ 水击” 是 P C C P管线失效 的二个 “ 肇事 者 ” ，这 也就 是水 务 机构 对 自己系 统 中 的 P C C P管 线采 取 降 压 、校 核 运 行 措 施 的原 因 。这 也 表 明高 内压对 大 口径 P C C P这 样 的产 品是 不合适 的 。 4 3 保 守设 计 的低 内压 管线 可 以有较 长 使用 寿命 如果一定要使 P C C P管使用寿命达 到 1 0 0年 ， 早 期设 计要 留有余 地 。钢丝 设计 应 力不 宜 大 于极 限 强度 4 5 、运行 内压低 、埋设环境 好 ，这样 条件 下 的 P C C P管 ，其 保护 层 就会 大大 减 少发 生有 害 裂 缝 ，管线就 可 以有很 长 寿命 。国 内在管 表 面涂 装 环 氧 煤 沥青 ，也是 保 护外 层水 泥 的一种 方法 。 但 案 例 只 能 说 明可 能 性 存 在 ，不 能 因 为 有 了 1 0年就发 生爆 裂 的案例 ，就将它作为寿命 只能是 l 0年 依据 或 证 明 ；也 不 能 因 为 可 能 有 运 行 1 0 0年 的案例 ，就坚持寿命 可以有 1 0 0年的说法 。就 P C C P这 个 产 品 来 说 ，美 国 的 P C C P失 效 研 究 报 告 ， 做 了这 些深 入 和 了解 工 作 ，最后 得 到结 果 是 ：失 效 的核心 原 因是钢 丝腐 蚀 断裂 ，这 样 的结 果 应该 是 可 以成立 的 ，可 以拿来 借鉴 的。大 人 工河 案 例 ，也将 失效的核心原因指向了钢丝断裂 。我们认为 ，认真 深 入研 究 P C C P的钢 丝 断裂 ，是有 实 际意 义 的。 ( 下转 第 l 7页 ) 3 规划 战略 水利规划与设计 2 0 1 5年第 3期 新 科路 、解放 路 一水桥 沟 、羊 渠沟 一永 康 路 四段 共 5 3 1 3公里渠道进行清淤加 固维修 ，在甘沟 、羊渠 沟 、小岔河修建泄水闸 3座 ，维修野猫沟、水桥 沟 泄水闸 2座 ，其余 1 1 7 7 1 K m渠道维持现状不变 。 6结论 与建议 6 1 结 论 通 过对 总干 渠 、南干 渠两 种不 同组 合功 能 及 改 造方 案 的经 济 和 技 术 比较 ，综 合 评 估 泾 河 灌 区农 业、工业园区、平凉城 市生 活用水 及经 济发展 需 要 ，做 出现状 渠道 只 承担排 泄 雨洪 功 能 ，崆峒 水 库 至工业园区段埋设专用管道 向工业园区供水 ，采用 扩大管径的方式解决农业和城市生活输水的方案是 比较切合实际的。 6 2 建 议 加强 渠 道 13常维 护 ，坚 决 杜 绝 破 坏灌 区 设施 、 人 为倾倒 垃 圾 、污水 入渠 等现 象 ，保 持 良好 的工 程 运行秩序 ，最大限度发挥综合效益 。 ( 上 接第 3页 ) 虽 然 美 国失 效 报 告 中没 有 直 接 说 ，美国水务机构今后不再用 P C C P了 ；但是他们 的降压 、审核运行 、内外部检查及修复或更换管道 等等行动 ，实际上表达他们对 P C C P管的态度 ，这 也是阿美隆公司( A m e r o n ) 、普赖斯兄弟公 司( P r i c e B r o t h e r s ) ，停 产 关 闭的最 重原 因之 一 。 5 对 中国管材应用的警示 2 0年前 中 国从 美 国引进 了 P C C P管 技术 ， 目前 生产量已经是世界第一 ，大量 的 P C C P管应用于供 水 、( 给 ) 排 水 和 水 力 电力 系 统 ，并 且 以 其 经 济 性 和资源型的特点在大力推广 ，但前人之辙理应成为 我们的宝贵财富，今天美国对 P C C P管的新认识 和 态度 对 中 国业 界 是一 个很 好 的警示 。 ( 1 ) 对于正在设计建设 的高 内压大 口径 P C C P 管线 ，建议在信息对称的条件下 ，再度评估工程决 策 和设计 ，决定 继续 原来设 计 还 是重 新 设计 ，把握 好设 计 关 。 ( 2 ) 对于已建 设运行 的 P C C P管线 ，特别是高 内压大 口径 管线 ，建 议抓 紧进 行设 计 复核 、校核 运 行条件 、开展内外部检测 ，按检测结果采取相应 的 防范和补救措施 。这是确保已经建设管线正常安全 运 行一 个必 要 的环节 ，把 握好 应用 关 。 ( 3 ) 应重视向中国提供技术 的美国公司已经停 产 关 闭的事 实 ，深入 对其 停产 关 闭原 因及 细 节 的 了 解 ，全 面 比照 中 国的现状 条件 ，才 能对 自己产 品 的 完 善 、提升 做 出正确 判定 ，把 握好 产 品质量 关 。 ( 4 ) 设 计 研 究 单 位 应 该 对 美 国 P C C P管 的应 用 现状 、大人工河案 例开展 研究 讨论 ，收集更 多信 息 ，关心中国工程应用 ，为用户 、开发商提供更多 的信息支 持 。 参 考 文献 1 A w w a R e s e a r c h F o u n d a t i o n F a i l u r e o f P r e s t r e s s e d C o n c r e t e C y l i n d e r P i p e C o p y r i g h t 2 0 0 8 b y Awwa Re s e a r c h F o u n d a t i o n 2 沈之基P C C P在 中国的发展 和讨论一应给钢 管一些 注意 J 给水排水 ， 2 0 0 5 ( 1 2 ) ( 上 接第 7页 ) 综 合利 用农 业节 水 的每 一项 技术 ，实 现科 学 节水 、高效 利 用 的 目的 。 那种 片面 发展 节 水灌 溉 技 术 ，只能 够停 留在 区 域层面，没有综合考虑整体系统方面因素 ，造成节 约灌溉水但 没有实际效 果。应根据 当地实际情 况， 做好组 装配套 ，使节水 与作 物 的使用 有效 结合 起来 。 比如很多地方使用 的保墒技术 ，可以保证土壤疏松 度 ，在 雨水 丰沛 的 季节 ，增 加雨 水 入 渗 速度 以及 入 渗量 ，降低 雨水 的流 失 ，减 少 水 分 大量 蒸 发 ，达 到 增加蓄集雨水的效果 ，减少土壤 的蒸发 ，从而降低 灌溉频率，辅助提高农业抗旱灌溉水的利用率。 4 结语 我 国 是一 个 农 业 大 国 ，农 业 的 重要 地 位 ，水 资源的现状决定了我们必须实施农业节水灌溉 ，新 的 技术 以及新 的理念是 实 现这 一 目的途径 ，只有 对 农业节水灌溉作出全面调查研究 ，熟悉每一种方法 的优点以及缺点 ，才可以结合本地 区的实 际，做 出 合适 的选择。在生产的应用中，抗旱节水技术措施 应该与时俱进，不断完善工程配套建设 ，在未来很 长 一段 时间 内 ，借 助 于信 息技 术 ，在农 业 节 水灌 溉 管 理 中实现 自动化 、智能化 将 是一 个 趋势 ，这对 于 推动农业健康高效快速发展是很有利的。 参 考文 献 1 安庆飞推广节水农业势在必行 J 河南农业 ， 2 0 1 0 ( 0 5 ) 2 毛云青浅析如何推广节水农业 J 现代农村科技 ， 2 0 1 0 ( 0 9 ) 3 崔粉 玉发展高效农 业与节水灌溉有关 问题 的探讨 J 吉林蔬 菜 ， 2 0 1 0( O 2 ) - 1 7