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1、,PCCP在中国的现状与未来,PCCP标准结构示意图,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。1900年世界博览会上此项发明获得两项金奖。,PCCP的起源,PCCP的早期发展,1940年以后代，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、德国DyckerhoffWildman公司、意大利Casagrande公司、Vianini公司等。,PCCP在中国
2、的诞生,上世纪80年代末，当时的水电部为解决电厂的冷却水循环管道问题特成立了“大管组”，负责研发生产大口径循环水管。 “大管组”通过对美国的考察一致认为PCCP是最适合中国国情及工程要求的管材。 之后，山东电力管道工程公司和无锡华毅管道公司通过引进部分设备的方法，从美国AMERON引进了生产技术，从此中国有了PCCP。,PCCP在中国的诞生,更有代表性的是1992在深圳成立了中美合资的深圳太阳管道有限公司，全套引进了PRICE BROTHERS 公司生产设备和技术，也标志着中国产PCCP走向了国际水平。,PCCP在中国的诞生,本人参加了我国第一条PCCP生产线的引进工作，并赴美国接受质量管理的
3、培训。 早些时候还参加了南京水泥制管厂研发自己的PCCP。,经过20多年的发展PCCP已经成为应用最广输水管材。据中国水泥制品协会的统计，目前PCCP的年使用量已经超过1500km，几乎所有大型水利调水工程都采用了PCCP。,代表性工程 1.山西省万家寨引黄工程（一期、二期） 2.哈尔滨磨盘山引水工程（一期、二期） 3.辽宁大伙房水库引水工程（一期、二期） 4.北京市南水北调京石段应急供水工程 5.南水北调河北段、河南段配套工程,在施项目和正在启动的项目,1.辽西供水工程 2.鄂西供水工程 3.吉林省中部城市引松供水工程,工程特点,1.输水线路长。上述每一工程都在百公里 以上，最长的达900多
4、公里； 2.管道口径大。PCCP常用的输水口径为DN1600-3000，最大的达DN4000； 3.覆土深。以上工程的平均覆土都在4米以上，有些区段覆土达10米。,轰轰烈烈背后 美国水工协会（AWWA）下面的一个基金会（AWWARF）曾对PCCP在美国的运行状态进行了调研，结果是60年（从1940年代开始）累计30000km PCCP中发生爆管或渗漏需要更换管道的事故435次。假设爆管和渗漏各占50%，爆管频率大约每百公里0.7次。还有传言说美国已经全面停用PCCP等。,PCCP能够承受高工压和深覆土其中的高强预应力钢丝起着至关重要的作用，PCCP爆管必然与钢丝有关，也是需要引起高度重视的部件
5、。,美国混凝土压力管协会统计资料 （ACPPA）,1970年代由于使用一种被称为级的高强预应力钢丝，使爆管频率大幅增加。这种钢丝的强度很高，同时拉拔温度也很高。后期的研究发现，过度的拉拔虽然使钢丝的强度大幅度增加，同时也使韧性下降。级钢筋出现氢脆的可能性是级钢丝的20-40倍。,在1984年版AWWA C301和ASTM A648标准中不允许再将级钢丝用于PCCP管的生产，同时增加了相应的试验程序，如增加了钢丝扭转、径缩等试验内容。,美国 AWWA组织及标准,AWWA是American Water Works Association的简称，在中国称美国水工协会。 AWWA C301就是PCCP
6、的生产标准，相当于我国的协会标准。 AWWA C301标准第一版是1949年制定的，随后52年、55年、63年、72年、79年、84年、92年、99年、2007年、2014年，目前最新版是2014版,除去由于劣质钢丝引起的爆管因素，PCCP在美国的爆管率大约为0.45次/100km，与其他类型的管道相比并不高。我国绝大部分管厂都是90年以后的，应该说免费享用了别人用代价换来的福利。,2013年加拿大PURE TECHNOLOGIES公司应邀来华对某工程的管道进行检测，所采用的方法是电磁回波法。发现一条使用了近10年的PCCP管线部分管节纲丝出现了腐蚀。为了证实检测结果将一根腐蚀严重的管道挖出，
7、证明了检测结果的正确。,电磁波无损检测技术以前这种技术就被广泛应用于钢管的检测中，现在已属于比较成熟的检测方法。但是把这种技术应用于PCCP的检测乃是近几年的事，准确率也还不能令人满意。PCCP中的钢筒、双层缠丝、阴极保护钢带、钢丝接头和锚固、以及承插口附近电磁信号的不连续性都会造成测量错误。,为了验证电磁无损检测断丝的准确率，特邀请加拿大PURE TECHNOLOGIES公司到北京韩建河山管业股份有限公司北京事业部进行实地测量。具体做法是：在测量人员不知情的情况下将几根作为样品陈列的PCCP预先在不同的位置切断钢丝，之后用水泥砂浆覆盖。,测量结果显示电磁回波方法的检测的断丝准确率约70-80
8、%，断丝位置的的准确率还要低一些，这种方法还在不断的该进和提高当中。下图是一个典型的检测图形，箭头指出为断丝部位。,预应力钢丝断丝对PCCP究竟有多大影响？,据PURE TECHNOLOGIES公司介绍，2010年新疆一条正在使用PCCP管道发现有断丝现象，并在2年之后再次测量，发现断丝现象有缓慢进展，在此期间管道一直处于运行状态。,2008年在国家科技部“十一五”的一个攻关项目中对PCCP的断丝数量及对管道的影响进行了研究。,将成品管的保护层剔除一部分，让钢筋外露，在管道受外（内）压力的条件下逐根切断钢丝，通过检测管体整体变形情况判断钢丝断丝数量对管体的影响。,结论 钢丝被切断25根以后，管
9、内壁出现了一条细小的裂缝。,2014年在另外一个科研项目中进行的内水压断丝试验得到了相同的验证,2014年中国水泥与混凝土制品协会组织相关企业去美国考察PCCP的生产情况，据美国混凝土压力管协会主席Richard L. Mueller先生介绍，美国也有不少正在运行的管道被查出有断丝现象，但一般并不被重视。只有两种情况才需要特别重视，1.断丝数量很多；2.连续断丝（发展很快）。,钢丝腐蚀（断丝）微观机理的研究,为了弄清纲丝腐蚀的原因，特邀了国家新材料领域“863”专家、钢铁研究总院专家、特殊钢研究所和中国建筑材料研究总院的几位专家对有关问题进行了会诊，并进行了相应的实验。 所有腐蚀钢丝的样品均取
10、自前面提到的那条使用了近十年的管道。,问题钢丝腐蚀外观,新旧钢丝横截面金相照片,新旧钢丝纵截面金相照片,钢丝腐蚀（断裂）微观原因分析,综合考虑钢丝服役环境对其断裂原因进行推断，氢致延迟断裂的可能性最大。,什么是氢致延迟断裂,氢不仅在晶格间隙存在，还以原子形态存在于空位、位错、晶界、第二相微粒和微孔洞等组织缺陷处，这些缺陷位置作为氢陷阱捕获侵入材料内部的氢，钢中的位错等缺陷浓度越高吸氢量越大,氢原子在缺陷处聚集结合将形成氢分子，氢原子结合成氢分子时体积急剧增加，从而产生很大内压，当该压力超过材料强度极限时，将在该处形成裂纹核，由于氢致裂纹存在这种氢的扩散、聚集，需要一定的时间，因此这种氢导致的开
11、裂被称为氢致延迟断裂。,预应力钢丝化学成分（wt%）,当处于张应力作用下时，氢的扩散将被加速，将进一步促进和加速氢致延迟断裂的发生。,钢丝腐蚀（断丝） 宏观成因分析,一、砂浆保护层,1.水泥砂浆的高碱度是防止钢丝 锈蚀非常有效的保护措施； 2. 防止钢丝机械损伤。 缺点： 砂浆保护层置于钢丝之外，没有预压应力，属于PCCP最薄弱的部分，在制作、运输和安装过程中都有可能损坏，使其失去功能。,二、土壤中的腐蚀介质,完好的高碱度砂浆保护层在干净的地下水环境能够给PCCP提供非常好的保护，却无法抵御带有酸性的腐蚀性介质，因为酸性能够与砂浆中的碱发生反应，破坏砂浆自身致密结构和钢丝所处的碱性环境，钢丝很
12、快就暴露在腐蚀环境中。 通常酸根离子浓度超过2000ppm就需要采取除保护层以外的防腐措施了。,三、杂散电流,管道铺设在干燥的土壤中或在地面之上、或管道上面有高压线或走电车等情况都是容易产生杂散电流的环境。在这种环境下PCCP中的金属与土壤形之间产生电势差，从而形成电流。电流会带走金属中赖以平衡的电子，即金属被氧化。这是一种电化学腐蚀，与保护层是否完好基本无关。,四、管道安装,每一节PCCP都是根据设计参数设计出来的，其中的某些参数是对管道安装提出的要求，如管沟的支撑角。如果管沟垫层厚度不够或管“腋下”不能有效回填都可能达不到设计要求的支撑角度，结果就是PCCP两侧90度处砂浆被拉裂，失去对钢
13、丝的保护作用。（例),五、钢丝的质量,84版AWWA C301不允许再将级钢丝用于PCCP管的生产后同时对钢丝增加了氢脆试验的内容，目的在于促使钢丝的生产厂家对其原材料、生产过程进行严格控制。造成金属容易发生氢脆有很多原因，用于拉拔钢丝的原材料、拉拔过程造成的金属晶格变形的严重程度（过度拉拔）、拉拔钢丝时的温度等。 另外，金属在高应力状态对氢离子特别敏感，氢脆速度也较无应力状态快得多。,防止钢丝腐蚀的基本对策,提高砂浆保护层的制作质量,通过改进喷射辊轮结构、提高电机功率的方提高了砂浆保护层的密实度； 保护层砂浆的配合比建议不要大于1:2.5（标准规定不大于1:3），水泥用量增加不但有利于提高保
14、护层的密实度，还能提高钢丝外部的碱性环境，加厚钝化膜的厚度； 尽量避免在低温下进行保护层的制作；坚决杜绝使用硫铝酸盐水泥制作保护层。,强化管道安装的质量要求,沟槽的平整稳定、垫层的厚度、回填土的均匀及夯实都必须严格要求。 施工现场的质量监管比工厂更难实施。因此，有些工程会把施工中的一些无法控制的因素变成对管道的过度要求，这是一种非常错误的做法。（例）,最先进的管沟基础制作方式,增加环氧煤沥青防腐涂层,在有腐蚀介质存在或土壤条件可能变坏的情况下强烈建议增加环氧煤沥青防腐涂层。 环氧煤沥青涂层具有比较高的机械强度，附着力好，极限延伸率是水泥砂浆的十几倍到几十倍。高质量的环氧煤沥青涂层在管外能够形成
15、一个完整的隔离层，将腐蚀介质与高强钢丝隔离开。,关于阴极保护措施的采用,阴极保护是一种电化学的防腐措施,在金属管道中已经普遍采用，但在PCCP中使用还不成熟。在这种情况下阴极保护措施要慎重采用，因为，不妥的阴极保护非但不能防止钢丝腐蚀还有可能加速腐蚀。,提高钢丝本身质量,几乎所有招标文件中都详细写明了钢丝氢脆试验的方法及判定标准，但很少有人了解其真正含义，执行时也存在偏差。 建议有关钢丝生产厂家与管道生产厂家联合组成专题研究小组对钢丝的氢脆性能进行研究.,使用了30年后PCCP中的钢板,2019/6/29,管道运行及维护综合成本比较,2019/6/29,中国的PCCP工业在不断的进步中,1.标
16、准的进步 作为指导PCCP生产的国家标准GB/T 19685 “预应力钢筒混凝土管”从92年第一版行业标准开始就摈弃了以往国家产品标准的书写方法，注重了过程控制的环节，并跟随了国际先进标准的“步伐”，非常有效地避免了PCCP曾经走过的弯路。（此标准获国标委和质监总局联合颁发的“中国标准创新贡献将”）,中国的PCCP工业在不断的进步中,2.钢丝品质的提升 由于国家标准的引导，我国绝大部分PCCP厂从一开始就执行相当于92版的AWWA C301的要求，摈弃了过去“三阶段”管所用的调直回火钢丝，要求钢丝必须通过扭转试验和颈缩试验。 钢丝标准GB/T5223中增加了拉拔温度180的要求。同时增加了氢脆
17、试验的内容。,中国的PCCP工业在不断的进步中,3.砂浆质量提高 AWWA C301要求保护层砂浆的吸水率9%，这一指标在初期生产PCCP很难达到，现在通过设备的改进已经没有问题了。,中国的PCCP工业在不断的进步中,4.检测手段的进步 前面提到的PURE TECHNOLOGIES公司已经在中国安装了第一台管道断丝检测设备（SoundPrint）能够有效地检测PCCP的断丝情况，及时预警，避免灾难发生，这一点PCCP比其他管道更有优势。据我所知目前国内厂家也在开发相应设备。,中国的PCCP工业在不断的进步中,5.其他进步 例如缠丝机的进步。标准中规定缠丝机应力波动10%，我们现在的缠丝机已经能
18、够做到3%了。 高效外加剂的进步。作为管芯混凝土使用高效外加剂后达到C60已经是很容易的事了。 承插口精度的提高。由于PCCP产量的增加，较大型轧钢厂介入承插口生产，使轧制精度大幅度提高，达到了同类国外产品的质量标准。,2014年10月中国水泥与混凝土制品协会组织相关企业去美国考察PCCP的生产情况，代表团一行在美国混凝土压力管协会主席Richard L. Mueller先生的陪同下参观了位于纽约州的VIANINI PIPE的生产厂.,Mueller先生说： PCCP的承受高覆土和低成本的优势是其他管道无法比拟的； 直径大于1800mm的管道，PCCP仍然是最有竞争力的管材； 如果考虑寿命周期成本（the life-time costs）大口径PCCP是最好的选择。,任何管道都有质量好坏之分，无论是PCCP还是钢管，或者塑料管和玻璃钢管，也都有他的长处和缺点，没有一种材料（管材）能够保证永不失效，中国PCCP经过20多年的检验被证明还是十分可靠和经济的，今后也仍将输供水项目中起到重要作用。,谢谢 北京韩建河山管业股份有限公司 刘江宁 jiangning-,