預應力鋼筒混凝土管(PCCP)分析

魏媛媛

(太原市自來水公司供水設計院，山西太原 030009)

0 引言

城市供水是保障城市經濟發展和人民生活的重要基礎設施，是提高城市經濟發展和生活水平的重要標志。隨著城市規模的不斷擴大和經濟的持續發展，城市供水事業必將隨之發展，遠距離輸水就是解決城市水量劇增的重要方法之一。其中供水管道的材料投資占據整個工程很大比重，因此管材的選擇顯得尤為重要。選擇管材應該考慮水量規模、管徑大小、工作壓力、地質情況、埋設深度、建設工期、工程投資等多個方面，分析比選后以求性價比最高。在某縣城供水工程實例應用中，我院創新采用新型管材——PCCP。

預應力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe)簡稱PCCP，是一種新型的鋼性管材。預應力鋼筒混凝土管是最近幾年從國外引進的新型管材，在國外特別是美國已有較長的使用歷史。它是由鋼筒和混凝土制造而成的復合管，管芯是混凝土，在管外壁或中部埋入厚1.5 mm鋼筒，在鋼制管芯上纏繞環向預應力高強鋼絲，并在管芯外噴涂水泥砂漿保護層。這種管道連接口是鋼制承插口，與鋼筒焊接，承插口由凹槽和膠圈形成了滑動式膠圈的柔性接頭。該管材是鋼板、混凝土、高強鋼絲和水泥砂漿幾種材料組成的復合結構，具有鋼材和混凝土各自的特性。PCCP具備較優的力學構造，在承壓性能、承插口密封性、抗震能力、防腐性能等方面具有突出的特點，目前已較廣泛的應用于遠距離輸水干線、城市公共供水工程、工業輸水管線等。與我們普遍采用的球墨鑄鐵管、鋼管、PE管等相比，PCCP具有運行期長、防滲漏好、抗壓能力強、施工安裝簡便、維護管理運行費用低等技術經濟優勢。同時DN800 mm以上管徑具有明顯價格優勢。

目前，在我國采用PCCP的輸水工程有:山西萬家寨引黃工程、深圳東部引水工程、哈爾濱磨盤山引水工程等。

1 PCCP管材有關標準、要求

1.1 設計

PCCP管材的設計應符合GB/T 19685及ANSI/AWWA C304的要求。配件的設計應符合AWWA M9，CECS 141的要求。PCCP管的設計應考慮規范規定的荷載組合、正常運行壓力、水錘壓力、管道外荷載、活荷載的作用。應對50年正常使用條件下的應力應變作分析計算，同時考慮外部環境條件和所輸送介質。

1.2 材料

制造PCCP的材料包括:水泥、混凝土外加劑、砂、粗骨料、鋼材、膠圈、環氧煤瀝青等。

1.2.1 水泥

用于管芯混凝土及保護層砂漿的水泥應為由大型回轉窯生產的水泥強度等級不低于42.5R，滿足中國標準GB 175，GB 748的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，堿含量不大于0.6%，C3A含量不大于8%。

1.2.2 水

用于混凝土、水泥砂漿和水泥凈漿拌和用水和管道養護用水均應符合JCJ 63混凝土拌和用水標準的相關規定，但還應滿足pH值大于6.5，氯離子含量小于100 mg/L，硫酸根離子含量小于350 mg/L的要求。

1.2.3 骨料的選擇

骨料應根據優質的原則進行選擇。選用的粗、細骨料應符合中國標準GB/T 14684，GB/T 14685和本技術條款的要求。粗、細骨料不得為堿活性骨料。堆存骨料的場地應進行硬化，并應分倉堆放。堆料場應設有坡度，并做好排水。

1.2.4 外加劑

管芯混凝土和保護層水泥砂漿中所用的減水劑應符合GB 8076混凝土外加劑標準中的相關規定。模具用脫模劑應選用對飲用水無污染，且方便生產的液體脫模劑。制管混凝土用摻合料，如粉煤灰、磨細礦渣等，應符合GB 1596的要求，且使用前應根據本工程的具體要求進行專門的試驗。

1.2.5 鋼材

制造PCCP鋼材涉及到預應力鋼絲、薄鋼板、厚鋼板及承、插口環鋼材。

1)預應力鋼絲。

纏繞于管芯的預應力鋼絲應滿足ASTM A648及GB/T 5223的規定。預應力鋼絲的抗拉強度不允許高于ASTM A648標準中的Ⅲ類鋼絲。鋼絲直徑可選用4 mm～6 mm;預應力鋼絲應滿足氫脆性靈敏度要求;鋼絲在拔制過程中，鋼絲表面任何點溫度不應超過182℃。

2)鋼筒用薄鋼板。

制作鋼筒用薄鋼板應采用熱、冷軋薄鋼板，應符合GB/T 700，GB/T 912，GB/T 11253，GB/T 3274的規定，鋼材的等級為Q235B級，屈服不小于235 MPa、抗拉370 MPa～500 MPa、延伸率不小于22%，薄鋼板公稱厚度符合GB/T 708，GB/T 709。

每批爐號的鋼板按50 t一次(不足50 t按50 t計)取一個試樣進行屈服強度、極限抗拉強度及斷裂伸長率等常規項目檢驗，鋼板化學成分檢驗應每6個月一次或料源改變時進行。每制作500個鋼筒進行一次焊縫抗拉強度試驗，試樣應從鋼筒上直接取樣。

3)厚鋼板或螺旋焊管。

配件用厚鋼板應符合GB/T 699，GB/T 700，GB 3274的規定，且鋼材的等級不應低于Q235的B級要求。每批爐號的鋼板按200 t一次(不足200 t按200 t計)取樣進行屈服強度、極限抗拉強度及斷裂伸長率常規項目檢驗，鋼板化學檢驗應每6個月一次或料源改變時進行。選用螺旋焊管應符合GB/T 9711.1-1997石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件第一部分A級鋼管要求，也可以選擇同等尺寸的無縫鋼管，無縫鋼管執行GB 3087低中壓鍋爐用無縫鋼管。

4)接頭鋼圈用型鋼。

制造承、插口接頭鋼圈所用的承口鋼板和插口型鋼應符合GB/T 699，GB/T 700，GB 3274，JC/T 1096的規定。鋼材的最小屈服強度應不小于235 MPa，標準長度50 mm時的最小伸長率應為20%。每批爐號的鋼板分別按500個承口、插口鋼圈一次(不足500個按500個計)取樣進行屈服強度、極限抗拉強度及斷裂伸長率等常規項目檢驗，鋼板化學檢驗應每6個月一次或料源改變時進行。每制作500個鋼圈進行一次鋼圈焊縫抗拉強度試驗，試樣應在成品鋼圈上直接取樣。

5)鋼絲網片。

配件所用焊接鋼絲應采用機械制造，鋼絲網片用鋼絲符合JGJ 19-92冷拔鋼絲預應力混凝土構件設計與施工規程中乙級冷拔低碳鋼絲φ3 mm，網格尺寸不得大于50 mm×50 mm，鋼絲網片符合GB/T 1499.3鋼筋混凝土用鋼筋焊接網的要求。

1.2.6 承、插口膠圈

橡膠密封圈的基本性能和質量要求應分別符合JC/T 748和JC/T 749的規定，并通過 GB/T 528，GB/T 531，GB/T 1682，GB/T 1690，GB/T 3512，GB/T 3672，GB/T 7759等標準的檢驗。橡膠應采用聚異戊二烯或合成橡膠。

膠圈應采取整圈模壓的成品，膠圈的體積必須按照填滿插口橡膠槽容積精確確定，膠圈接頭不得超過兩個。

膠圈應滿足以下要求:

制造直徑公差小于±0.5 mm。

聚異戊二烯膠圈抗拉強度不小于18.6 MPa，合成橡膠膠圈抗拉強度不小于13.8 MPa。

斷裂伸長率:聚異戊二烯膠圈不小于400%，合成橡膠膠圈不小于350%。

比重:0.95～1.45。

壓縮永久變形:以原始變形的百分率表示，不得大于20%。

老化試驗后的抗拉強度:不得低于老化前抗拉強度的80%。

邵氏硬度(A):55～60。

膠圈表面不得出現裂紋、裂隙、凹坑、砂眼、氣泡及其他缺陷。

2 PCCP的制作

2.1 承插口鋼圈

插口鋼圈應采用雙膠圈接頭，用型鋼制作。每個鋼圈不允許超過兩個接頭，且接頭焊縫間距不小于500 mm。接頭要求對接平整，錯邊不應大于0.5 mm，采用雙面熔透焊接，并打光磨平。

2.2 鋼筒

鋼筒采用不小于1.5 mm厚冷或熱鋼板制成。焊有承、插口鋼環的鋼筒端面傾斜度滿足GB/T 19685的要求。

鋼筒的搭接可采用對焊或搭接焊，不得出現“十”字形焊縫。焊縫應連續平直，焊縫凸起高度不應大于鋼板厚度加上1.6 mm，外觀缺陷處或水壓試驗檢出的缺陷處的補焊焊縫凸起高度不應大于2.0 mm。

2.3 管芯混凝土及成型

離心混凝土的配合比設計應遵守JGJ 55-2000的有關規定。水灰比不大于0.4，坍落度在40 mm～60 mm，可使用高效減水劑。

混凝土生產應采用強制式攪拌機，稱量系統應采用電子設備自動稱量;混凝土攪拌出料后進行坍落度、溫度、和易性檢測?；炷翜囟瘸^32℃時應對骨料采取降溫措施加以控制;冬季混凝土溫度低于4℃時應對骨料采取保溫措施加以控制。

2.4 管芯養護及脫模

管芯模具設計、制造必須滿足GB/T 19685，AWWA C301標準要求。

管芯混凝土應采用蒸汽養護，生產時必須按照AWWA C301標準中管芯養護要求進行。

采用蒸汽養護時，加速養護期間養護罩(窯、坑)內的升溫速度不得超過22℃/h，養護罩(窯、坑)內的溫度應保持在32℃～52℃之間，最高恒溫溫度不應超過60℃;養護時間應維持12 h，脫模溫差(管芯表面溫度與環境溫度)應控制在20℃以內。

在蒸汽養護期外，自然條件下放置時應進行灑水養護，或覆蓋保護材料防止混凝土水分過度損失。

無論任何情況，模具的拆除須在混凝土管芯澆筑6 h后才能進行。管芯混凝土脫模不應對管芯混凝土產生明顯的損壞，管芯混凝土內外表面不得出現剝落現象。

2.5 纏絲

纏絲前管芯混凝土抗壓強度不應低于設計抗壓強度的70%，同時纏絲過程在管芯混凝土上施加的初始壓應力不應超過纏絲時混凝土抗壓強度的55%。

同層鋼絲間距不得小于鋼絲直徑的2倍，最大中心間距不得超過38 mm。

管芯軸線方向任意0.6 m長內的環向鋼絲數量不得少于設計要求。鋼絲除管芯兩端可以按設計張拉力的1/2纏絲外，其余均應達到設計拉力。纏絲過程應采用拉力自動記錄儀全過程記錄鋼絲纏繞過程預拉力變化。

預應力鋼絲內總的設計纏繞應力不得超過鋼絲規定的最小抗拉強度的70%。

纏絲前都應對管芯表面噴涂一層水泥凈漿，水泥凈漿用水泥應與管芯混凝土相同，水灰比為1∶0.7，涂覆量為0.41 L/m2。纏絲過程應連續噴涂水泥凈漿。

2.6 砂漿保護層

制作水泥砂漿保護層應采用輥射法，使用水泥品種宜與管芯混凝土相同。水泥砂漿保護層拌合物中的水溶性氯離子，以占水泥重量百分比表示，不得超過0.06%。砂漿配合比按重量計不低于水泥∶砂為1∶3。輥射時管芯的表面溫度應不低于2℃。

預應力鋼絲上的最外層凈砂漿保護層自預應力鋼絲外側邊緣不得低于20 mm。水泥砂漿保護層應采用合適的養護方法，加速養護是將輥射后的管放入養護罩(窯、坑)內，按照與管芯相同的養護方法，養護時間不得小于12 h。自然養護時，需待保護層水泥砂漿充分凝固后，間歇噴水至少4 d，使保護層保持濕潤。在最初24 h環境溫度若低于10℃，則每有1 h環境溫度低于10℃噴水養護時間應增加1 h，必須及時噴水保證濕潤。

3 PCCP施工要求

鋼筒混凝土管(PCCP)安裝應按照GB 50268-2008給水排水管道工程施工及驗收規范中的有關要求進行。

鋼筒混凝土管(PCCP)采用承插連接，雙膠圈柔性橡膠圈接口，其標準應符合GB/T 19685-2005。

溝槽開挖應按GB 50268-2008給水排水管道工程施工及驗收規范中4.3條的相關規定執行。溝槽回填應嚴格保證胸腔填土的質量，不得回填有機土和淤泥等不合格土質，按施工規范，管道兩側應均勻地分層夯實，其壓實度要求詳見GB 50268-2008中4.5條和4.6條的相關規定，施工中應確保管體穩定，豎向變形應控制在允許的范圍內，施工過程中應嚴格要求。

管道需進行壓力管強度及嚴密性試驗，采用水壓試驗，試壓應做好堵板、后背、加壓設備和進、排水管路等工作。管道水泥砂漿襯里浸泡時間不小于72 h。鋼筒混凝土管(PCCP)試壓前，其接頭雙膠圈應先分別試壓，可通過兩膠圈中間的試壓孔用水進行接頭檢查，試驗壓力為工作壓力的1.5倍，恒壓15 min，壓力降不超過0.03 MPa為合格，否則必須檢查膠圈、承插口，處理好后重新安裝，直至合格。管道試壓應按照GB 50268-2008給水排水管道工程施工及驗收規范中9.2條的相關規定執行。

PCCP管鋼制承口、插口處內外防腐均采用水泥砂漿填充，承插口內外防腐水泥砂漿要求如下:灰砂比1∶2，砂的含泥量不超過5%，拌和用砂必須符合施工規范規定，砂漿用砂宜使用中砂并過篩，稠度根據實際情況確定。

PCCP管管道平面和縱向轉彎利用彎頭(轉彎角度大于5°)和管節承插口借轉角度來實現。當采用借轉角度實現轉彎時，每次借轉角度按不大于0.5°控制。

4 結語

PCCP管仍屬于一種新型管材，還有很大的探索空間。在我省，PCCP管多用于萬家寨引黃輸水工程，在我市城市輸配水管網也多采用球墨鑄鐵管，其設計、施工對于我們尚無成熟經驗可循。其設計計算軟件也由國外引進，國內僅有為數不多的幾家設計院完全掌握其計算方法，因此有待我們進一步研究與開發。