关于预应力钢筒砼管（PCCP）的推广应用

何维华

1. 概况

　　预应力钢筒砼管是在带钢筒（薄钢筒的厚度约1.5mm左右）的砼管芯上，缠绕一层或二层环向预应力钢丝，并作水泥砂桨保护层而制成的管子。它的开发应用已有半个多世纪的历史，这一技术是法国Bonna公司最先研制的，到上世纪四十年代欧、美竞相开发，目前美、法各国的年产量达数十万公里，其中美国、加拿大是世界上推广使用预应力钢筒砼管最多的国家，广泛应用于城市输配水干管、火电站供水管、水利工程、雨污水干管、工业供水及废水管线等方面，目前世界上规模最大的利比亚"人工河"第一期工程，全长1900km，就是使用直径4m、工压2.8Mpa的预应力钢筒砼管敷设，工程全部完工后运行情况良好。
　　世界上主要制造预应力钢筒砼管的厂家有美国"Ameron"公司(DN1200～4000mm)，美国的"Price Brather"公司(DN1200～4000mm)，法国的"Bonna"公司(DN600～2500mm)，德国的"Dyckerhoff-Widmann"公司(DN600～2500mm)。
　　二十世纪八十年代末，随着我国城市供水、工业用水、农田水利建设的迅猛发展，对于输水管材提出更高的要求，山东电力管道有限公司、无锡华毅管道有限公司先后从美国"Ameron"公司引进技术及关键设备，深圳太阳管道公司从美国的"Price Brather"公司全套引进该公司的制管技术及设备。经过近十年对引进技术及设备的消化，完全己能国产化了，且于1996年此类管材在我国建材行业颁布了《预应力钢筒砼管》行业标准（JC625-1996）。近年由成都市自来水总公司和四川金炜集团公司共同出资兴建的"PCCP"企业-成都金炜制管有限责任公司，就是使用国内的技术与设备装备PCCP生产线的一个范例，它的设计规模为年制造DN800～DN4000mm的预应力钢筒砼管25～35km，管材的检验压力可达2.6-3.0Mpa，该公司从投产至今没有出现一根废管，实现了从管材设计、制造、检测到运输、安装、使用等方面的规范化、系列化服务。
　　与此同时，原生产三阶段预应力管的成都市双流水泥制品厂亦通过技术改造，依靠自身的技术力量，也兴建了一条预应力钢筒砼管生产线，完成了产品更新，这为我国现有预应力管厂家的产品换代开创了先河。
　　近几年来不完全统计，全国巳安装此类管材达200多km，在广东、江苏、江西、山东等省使用情况良好，通常试压检验一次成功，通水后没有发现大的故障。

2. 预应力钢筒砼管的制造

　　此种管材分两个类型：内衬式管及埋置式管。内衬式(Lined Cylinder Type)和埋置式(Embedded Cylinder Type)的区别，前者系指在钢筒内壁成型砼层后，在钢筒外表面上缠绕环向预应力钢丝，并作水泥砂桨保护层而制成的管子；后者系指在钢筒内、外侧成型砼层后，在管芯砼外表面上缠绕环向预应力钢丝，并作水泥砂桨保护层而制成的管子。前者采用离心工艺成型，口径偏小(DN≤1200mm)，后者采用立式振动工艺成型，口径偏大(DN≥1200mm)。此种管材抗渗压力很高，工作压力通常为1.5～3.0MPa，可达5.0MPa。此种管材的 管径范围是DN400～4000mm，最大可达DN7600mm。
　　在行业标准中，产品型号以代号PCCPL表示内衬式结构；以代号PCCPE表示埋置式结构。管子压力级别以静水压力将产品分为九级（0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0Mpa），以大写罗马字母表示。管子的产品标记以管子代号、公称内径、压力等级、行业标准号组成，如公称内径1600mm、静水压力为1.0Mpa、埋置式预应力钢筒砼管，则标记为 PCCPE 1600 Ⅳ JC 625 。
　　埋置式PCCP生产线的关键设备有螺旋制筒设备、钢筒水压检验设备、管芯立式振动成型及蒸养设备、立式差速缠绕预应力钢丝的设备、立式辊射喷浆设备、承插口环成型设备(采用分层手工对接焊)、薄钢板埋弧焊设备。以上设备现国内均能自制，多数厂家仅焊接设备外购。
　　内衬式PCCP生产线，除山东电力管道工程公司有进口的螺旋制筒设备外，均采用平板直缝焊接卷筒设备，其它设备有钢筒卧式水压检验设备、管芯卧式离心成型设备、蒸养设备、卧式差速缠绕预应力钢丝的设备、卧式辊射喷浆设备、承插口环成型设备(采用分层手工对接焊)、薄钢板埋弧焊设备。
　　以上两条生产线的设备，主要是仿制美国"Ameron"公司的工艺。致于美国的"Price Brather"公司的工艺，采用平板直缝焊接卷筒设备，管芯成型、缠绕预应力钢丝、辊射喷浆等均采用卧式设备，承插口环成型采用了高频对接焊设备。
预应力钢筒砼管（"Ameron"公司埋置式制管）的工艺流程如图1。

2.1 钢筒的制作和检验：
　　 钢筒是在螺旋制筒机上卷焊制作，制作好的承插口涨圆到规定尺寸后，组装到螺旋制筒机芯模两端，钢带从小车自动送进，自动卷筒、焊接，制好的钢筒经水压检验合格后方可使用。
2.2管芯成型
　　 管芯采用立式振动成型工艺，管模整理好后，将合格的钢筒放入管模内，砼沿钢模内外壁浇入，在浇注砼的同时，开动振动器以利于砼密实，管芯成型后采用蒸汽养护，达到脱模强度后拆模。
2.3缠环向预应力钢丝
　　 脱模后的砼管芯，采用立式缠丝机，使用Φ5～Φ7高强钢丝，按设计的张拉力及螺距进行缠丝，张拉力记录仪连续记录钢丝张力。
2.4砂浆保护层制作
　　 砂浆保护层由辊射机完成，28天后砂浆强度不低于30MPa，喷射好的砂浆保护层采用蒸汽或自然养护。
　　
3.　预应力钢筒砼管的特点

3.1 此类管材由于管芯中嵌入了一层薄壁钢筒，实质上是一种钢板与预应力砼的复合管材，它比一阶段、三阶段预应力管具有较好的抗渗性。
3.2 此类管材由于承插端的工作面是定型钢制口环，几何尺寸误差小，承插工作面间隙仅1-2mm，O型胶圈占满凹型槽内，密封性能良好，在内水压力下，胶圈无法冲脱，往往滴水不漏，从而改善了一阶段、三阶段管胶圈安装不到位则容易冲脱、承插口容易滴水的问题。
　　此类大口径管材的承插口，可设计成双胶圈，在逗管后可在承插口双胶圈之间的小孔处，用小型人工试压的方法检验接口的密封性，有利及早发现问题，及时进行返工。致于接口试压后，管道可免作水压检验的问题，在一些水司目前还有保留看法。
3.3 此类管材的承插接口是半柔性接口，尽管承插钢制口环作了卫生级的环氧树脂刷涂，通常为1道底漆、2-3道面漆，刷涂总厚度≥0.4mm。若是采用非卫生级的带锈防锈漆是欠妥的。
　　刷涂环氧树脂的防腐效果与钢板端面除锈的效果关系密切，防腐作业往往在管材最后一道工序完成，除锈方式受多方面的限制，毕竟会影响效果，因此管材承插逗接后，在接口内外间隙处要用水泥砂浆灌注封口，钢板则在高碱度的钝化区内，从而不易发生腐蚀。
　　但半柔性接口承担不均匀沉降引起接口处的应力集中，将比柔性接口较大，故管道基础及管胸腔的回填，比一阶段、三阶段预应力管要求较严，通常在较硬的沟底应作砂垫层。如同一阶段、三阶段预应力管在逗管前，沟底是要挖接头坑的。
3.4 此类管材承内水压力高、埋土深度大，由于管材是复合管材，承受内水压力可达2-3Mpa，最高可达5Mpa，由于预应力钢丝可多层重叠，故可适应埋土的较大深度。
3.5 此类管材可适应腐蚀性土壤的恶劣环境，在一般性土壤中敷设，由于砼、砂桨使钢筒四周受高碱性环境保护，钢材处于钝化状态，可以减缓腐蚀。若埋设在腐蚀性强的土壤中，通常管外壁应作防腐处理，必要时将管体之间的钢筒端面用导线连接在一起，采取牺牲阳极的阴极保护措施进行更好的保护，此类管材采用阴极保护方法比一阶段、三阶段预应力管更容易实施，这也是此类管材的一个优点。
3.6 此类管材的管件配套齐全、简便、可靠。在推广使用一阶段、三阶段预应力管时，成都水司已成熟地采用相应的专用管件，引接分支管一律使用套管三通后开孔措施，从而使预应力管可用于配水管线上，而不依赖大量金属配套管材转换，既方便、可靠，又节省造价，这一经验在预应力钢筒砼管道上可以同样适用。由于此类管材具有钢板口环及钢筒，使推广复合转换管件的接口性能可靠，若在工厂里管材开孔接分支时，只要在钢筒上作加强处理，可免用套管三通，节省费用，这对此类管材的推广使用将是重要的因素。
3.7 此类管材虽属非金属管材，但它是复合管材，埋于土中容易巡管定位。

4. 预应力钢筒砼管村使用中的注意事项

　　尽管在前面述及了此类管材的特点，使用它的工程造价虽比三阶段预应力管高，但它的综合质量比后者强得多；它的工程造价比钢管低，它的敷设速度、防腐性能等方面比后者好，它是大口径输水管材中比较理想的管材。在选用此类管材时希能关注以下问题：
4.1 采购须知
　　采购合同中明确以下技术参数及要求：
管径、管材长度、工压、覆土深度、地面荷载、土壤类别、土壤腐蚀性、密封胶圈具体要求（单条或双条）、运输中的护管措施（包括二次搬运）、到货日期、数量、价格、验管细则等。
4.2 验管质控要点
　　在管材运至目的地时应进行以下质检：
　　管径、管材长度、工压、标记、制管日期、管内外表面质量（应包括平整度，无残缺、裂缝、空鼓、剥落、浮渣、露石，承插口金属面防腐良好及光洁、无脏物）、砼与钢筒之间无裂隙现象。
　　此类管材的空鼓问题是至关重要的，若钢筒与砼之间出现空鼓或裂隙，将会使接触钢筒面砼中的碱析出，最终导致钢筒锈蚀，管材报废。
　　砼与水泥砂浆表面出现裂缝是常见的，若管子内表面出现的纵向裂缝宽度小于0.1mm，裂缝轴向长度小于150mm；螺旋状和环状裂缝宽度小于0.25mm；距管端300mm以内的环向裂缝宽度小于0.4mm时通常是容许的。若管子外表面裂缝宽度小于0.8mm，裂缝轴向长度小于管子周长且小于2m时是允许的。它在管道覆土及通水后会自行愈合，否则应修补 ；若管子内表面出现的纵向裂缝宽度大于0.5mm时，该管应报废。
4.3 管材苯重不是管道安装的重大障碍
　　此类管材的重量类同三阶段预应力管，比其它管材重，在山区人工安装时是困难的，但在平原地区采用机械化安装时，问题就不那么严重，这是由于大口径管道安装都得用起重机械的 。
4.4 管沟基础是重要条件
　　此类管材是半柔性接口，它要求管道基础局部变形不应过大，在砂夹石的管基上应作砂垫层，在松软粘土层上应作砂夹石过渡层，使管道敷设过程中较少产生局部应力集中。因此在敷设此类管材时，不重视管基处理是不好的，当然其它管材敷设中，管基处理同样也不可忽视。
4.5 管材不应闲置过久
　　购置的管材应力求尽早敷设，闲置于堆场数月时，应定期用水喷洒，不使砂浆与砼干裂；闲置过久又未喷水养护，管材质量会受严重影响，甚至报废。
　　复合式钢板、砼管件运至工地以及安装过程中，均应用湿麻袋遮盖保护，定期洒水养护。
4.6 主管道水平向引出分支短管时，应配法兰盘，以便与分支管的平承柔性接口组合，通过柔性接口，使分支管道局部沉降时不使主管分支开孔部位承受过大的弯矩应力与剪切应力。对于较大的分支管，主管分支口部位的背向应作挡墩。
4.7 此类管材类同一阶段、三阶段预应力管，在敷设中每根管材可弧形借转一定角度，DN600-1000mm时允许相对转角1.5°；DN1200-2000mm时允许相对转角1.0°；DN2200-3000mm时允许相对转角0.5°。借转时，亦是轴向逗管，然后借转。借转角度过大，使承插口环相碰，在受力状况下容易产生应力腐蚀，管道损坏。

5. 后记

　　在推广使用预应力钢筒砼管的同时，并不认为自应力管、一阶段预应力管、三阶段预应力管应立即退出市场。
　　自应力管虽易折断、承口易发生二次膨胀等缺点，但它价廉，它在村镇供水及农田改水工程上有广阔的适用前景。
　　一阶段预应力管、三阶段预应力管管道在多次大地震中经受了考验，只要不断提高制管质量、精心敷管，供水故障是可减少的，在中小城市供水、农田改水工程等方面仍有用武之地。

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作者单位：成都市自来水总公司
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2001年9月10日