预应力钢筒混凝土管施工工艺及操作要点

2012-07-30李莹宁富刚

综合智慧能源 2012年7期

李莹，宁富刚

(中国水利水电建设集团辽宁工程局有限公司，辽宁沈阳 110179)

0 引言

预应力钢筒混凝土管PCCP(Prestressed Concrete Cylinder Pipe)是一种技术先进、应用广泛的新型压力介质输送管材。它与一般的预应力混凝土输水管相比具有抗渗性能优越、承压能力高的特点，既具有混凝土压力管刚性好、耐防腐的优点，又兼备钢管承压高、安全性好的优点。预应力钢筒混凝土管按其结构分为内衬式预应力钢筒混凝土管(PCCPL)和埋置式预应力钢筒混凝土管(PCCPE)。预应力钢筒混凝土管自20世纪90年代引入我国以来，被广泛用于水利、电力、市政和自来水供水主管线项目上。本文以大伙房水库输水(二期)工程DN 2 400 PCCPE管材制造为例，总结出一套PCCP管材制造工艺及质量控制措施，为以后的PCCP管材生产提供指导与借鉴。

1 施工方法

(1)承插口钢圈采用胀拉法施工，精度高，尺寸稳定。

(2)钢筒制作采用螺旋焊接成型技术，生产效率高，焊接质量好。

(3)管芯浇筑采用立式振捣成型工艺，管芯密实度高。

(4)缠丝工序采用应力自动控制系统，保证了应力均匀。

(5)采用了加强型生产线，关键工序设备为双套布置(如螺旋焊机、缠丝机、喷浆机均为双套配置)，确保了各工序的产能均匀流畅。

2 工艺原理

PCCPE型管材结构如图1所示，PCCP制管工艺流程如图2所示。

预应力钢筒混凝土管制管工艺过程为:采用承插口钢圈及薄钢板卷制并焊接成筒体，然后浇灌混凝土成为管芯并在管芯外圆上缠绕高强度预应力钢丝，最后喷射沙浆保护层。

首先制作承口钢圈和插口钢圈，钢筒制作采用承、插口钢圈与薄钢板一次性自动螺旋卷焊成型的方法，钢筒经水压试验合格后放入管模内浇灌混凝土。

PCCPE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，混凝土沿钢模内、外壁浇入，在浇筑混凝土的同时，开动振动器以利于混凝土密实。管芯成型后采用蒸汽养护，达到脱模强度后拆模。

管芯经养护达到缠丝强度后，采用立式缠丝机，用7mm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。

缠丝后的管芯用立式喷浆机喷沙浆保护层，再经养护、修理、成品水压试验、成品检验后为合格产品。

3 施工操作要点

3．1 钢筒成型

3．1．1 钢筒组成

PCCP管的内衬钢筒由承口钢圈、插口钢圈及钢板在螺旋焊机上卷焊成型。3．1．2 承口钢圈、插口钢圈

承插口由轧制好的型材卷焊成钢圈并在胀圆机上胀至设计尺寸。

(1)承口钢圈。按设计要求的长度下料，在卷圆机上卷成圆环并焊接。焊缝应打磨平整，经扳边机扳成所需的角度。

(2)插口钢圈。按设计要求的长度下料，在卷圆机上卷成圆环并焊接。焊缝应打磨平整，然后在胀圆机上胀至设计直径。

(3)每个承插口钢圈不允许超过2个接头且接头焊缝间距不应小于500mm。接头应对接平整，错边不应大于0．5 mm，采用双面熔透焊接并打光磨平。

3．1．3 筒体

(1)钢筒用钢板多为冷轧钢板，其厚度应符合设计要求，最小厚度不得小于1．5 mm;对于限制性接头的管材，根据设计亦可采用厚度大于1．5mm的钢板。宜采用宽度为1250mm钢板。

(2)制造钢筒用的钢板应分别符合GB/T 700—2006《碳素结构钢》、GB 912—1989《碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板及钢带》及GB 11253—2007《碳素结构钢冷轧薄钢板及钢带》的规定，其最小屈服强度为235MPa。

(3)钢筒应按要求的尺寸精确卷制，钢筒端面倾斜度≤9 mm。承插口两端的距离公差不能超过±3mm。

(4)螺旋搭接焊焊缝高度不得超过(1．6+板厚)mm。外观缺陷处或水压试验检出的缺陷处的补焊焊缝凸起高度不应大于2．0mm。

3．1．4 钢筒水压试验

(1)每节钢筒都必须持续进行不少于3min的静水压检验，以检验所有焊缝。如发现有渗水处，应做好标记，待卸压后补焊并在补焊后再次进行水压检验，直到钢筒所有焊缝无渗漏为止。

(2)焊缝同一部位补焊不得超过2次。

3．2 管芯成型

3．2．1 管芯混凝土成型

PCCPDE型管芯采用立式振动成型工艺成型。

3．2．2 模具要求

(1)模具应有足够的强度、刚度和抗冲击韧性，以便抵抗变形并很好地传递激振力。

(2)内、外模的圆度偏差应小于ANSI/AWWA C301—1999《预应力钢筒混凝土压力管设计标准》对管材圆度的要求。内、外模各自的合缝处要严密并有良好的平整度。

(3)承插口轮廓对中心线的偏差应小于3mm，对接后的管材内壁应平整、光滑。

(4)每次脱模后应仔细清除模板上的污垢、杂质并涂刷非油性脱模剂;成品管芯模具表面不允许有凹坑、浮皮和其他异物。

(5)模具进厂后必须严格进行尺寸检测、调整、编号统计;应定期对模具进行检测，对偏差超过允许值的模具，必须立即进行修整，以保证管芯混凝土、钢筒和承插口的几何尺寸和公差要求;经过修整仍不能满足要求的模具应予以报废。

3．2．3 拆、装模的要求

(1)拆、装模应重点检查模具接缝、锚固块位置。

(2)装模时应检查底模是否放置平稳，然后将内模吊放在底模上锁紧定位;再用专用吊具将钢筒吊放在底模上，检查钢筒与内模之间、钢筒承口与底模之间的间隙是否一致;然后将外模吊放在底模上;最后将顶盖合放在内模和钢筒插口端面上，将合缝螺栓依次对称拧紧。

(3)拆模时先松开管模合缝螺栓，先将顶盖吊出，再从上到下依次打开内模紧固扳手，松开底模定位销;将内模慢慢地垂直吊起移开，再将外模垂直吊起移开。

(4)达到蒸汽养护要求时间后才能拆除模具。管芯混凝土脱模不能有明显的损坏，管芯混凝土内、外表面不得出现粘模和剥落现象。

3．2．4 立式振动成型

(1)混凝土管芯采用立式浇筑振动成型。管芯浇筑前应认真检查合缝螺栓和振动器连接螺栓有无松动现象，无异常情况方可启动;成型过程中采用合适的振捣频率和振动成型时间，以保证管芯获得足够的密实度;成型过程中钢筒不得出现变形、松动、移位。

(2)管模顶部装好下料锥，混凝土料斗缓慢地套入料锥，开动振动器，边下料边振动，注意卸料节奏。应充分振捣，使混凝土密实、泛浆和排气。浇筑过程中必须控制钢筒内、外侧混凝土均匀上升且高度差(内高外低)不超过500mm。

(3)混凝土浇筑时必须记录环境温度。每根管芯的全部成型时间不得超过管芯底部混凝土的初凝时间。

(4)为保证混凝土的均匀性，宜采用连续喂料的方式，喂料结束后继续振动一段时间。成型完毕后，应及时清除插口端面多余的混凝土料并用专用抹刀抹平。

(5)当环境温度低于4℃时，不应进行PCCP管芯浇筑工作。

3．2．5 管芯养护

(1)管芯混凝土应采用蒸汽养护，蒸汽养护温度及升温速度应严格按规范执行，建立科学的养护制度，每根管芯都要做好养护记录。

(2)在自然条件下放置时应进行洒水养护，或覆盖保护材料防止混凝土水分过度损失。3．2．6 管芯的检验

(1)脱模后应检查每个管芯是否存在接缝错台、孔隙、碎屑、裂缝、水泥浮皮、表面缺陷和外部物质。对表面出现的深度或直径大于5．0mm的凹坑或空隙、高于3．0mm的凸起以及超过1．6mm的接缝错台应进行修整。

(2)任何情况下不得对管芯内表面采用涂刷方式处理或遮蔽缺陷。管芯混凝土内、外表面出现的凹坑、气泡的宽度或深度大于5mm时，用水泥沙浆或环氧水泥沙浆予以填平并用镘刀刮平。

(3)管芯混凝土在制造、搬运过程中因碰撞造成的掉角或凹坑应进行修补，修补用的混凝土、水泥沙浆或无毒树脂水泥沙浆采用的水泥材料应与制管材料一致。

(4)管芯表面不允许出现蜂窝麻面，对内、外表面出现纵向裂缝的管芯应做报废处理。

3．3 缠丝

(1)钢丝应采用预应力混凝土用冷拉钢丝，钢丝公称直径不得小于5mm。同层配筋设计最小螺距不得小于钢丝直径的2倍，最大螺距不得大于38 mm。管芯轴线方向任意0．6m长度内的环向钢丝数量不得少于设计要求。

(2)缠丝前管芯混凝土抗压强度不应低于设计抗压强度的70%;同时，在缠丝过程中，管芯混凝土上施加的初始压应力不应超过缠丝时混凝土抗压强度的55%;预应力钢丝内总的设计缠绕应力不得超过钢丝规定的最小抗拉强度的70%。

(3)缠丝过程中张、拉力与平均值偏差不得超过±10%。

(4)缠丝过程中单节管材每层钢丝的接头不应超过1个，钢丝接头必须保持平直;在管芯轴线方向上，钢丝接头距缠丝初始位置的距离不应小于300mm。

(5)每周应对缠丝机应力装置进行1次检测;每周应对钢丝接头进行1次抗拉强度试验，拉力不应小于钢丝抗拉强度的75%。钢丝锚固块抽取0．2%进行进厂质量检测，锚固力不应小于规定钢丝最小极限抗拉强度的75%。

3．4 沙浆保护层制作

(1)制作保护层的沙浆中不得含有石块等杂质，以免损伤钢丝。

(2)每天测定1次沙的含水率(阴雨天加大测定频率)并进行实际生产配比计算，确保喷射水泥沙浆含水量不小于拌和物干总质量的7%。

(3)沙浆配合比(按质量计)不低于1．0∶2．5(水泥∶沙)。沙浆保护层拌合物中水溶性氯离子的质量分数不得超过0．06%。

(4)预应力钢丝上的最外层净沙浆保护层自预应力钢丝外侧边缘不得低于25mm。

(5)制作完成的水泥沙浆保护层应采用适当方法进行养护、采用自然养护法时，在保护层水泥沙浆充分凝固后，应间歇喷水保持湿润至少4 d。

3．5 修补、防腐

达到养护时间的管子用翻管机放倒进行修补和承插口钢圈防腐。

(1)达到报废条件的管材不准修补。

(2)修补的材料可以选用混凝土、水泥沙浆和无毒树脂等。

(3)承插口钢圈的外露部分均需进行防腐处理。

(4)防腐前应将金属表面的油污、锈迹及杂物等清理干净，然后均匀喷涂无毒防腐涂料。

4 效益分析

(1)大伙房水库输水二期工程PCCP管线制作工程由辽宁龙泉管道有限公司承揽，该工程厂房、设备总投资4 500万元，年产DN 2 400 PCCP管材46 km，年产值1．28 亿元。

(2)近几年，PCCP在水利、电力、市政和城市供水等主管线项目上已成为大口径输水管道的首选管材，产品完全符合国家的能源政策、产业政策和行业发展规划，具有明显的经济效益和社会效益。以DN 2 400管径为例，PCCP用钢量约占同规格钢管的18%，每延米管材单价约为同规格钢管的35%，其性能指标可以代替铸铁管、钢管。PCCP的应用大大降低了工程造价，在当前较高的钢材价格、能源价格和节能减排压力面前，PCCP产品的优势更加凸显。