预应力钢筒混凝土管(PCCP)分析

魏媛媛

(太原市自来水公司供水设计院，山西太原 030009)

0 引言

城市供水是保障城市经济发展和人民生活的重要基础设施，是提高城市经济发展和生活水平的重要标志。随着城市规模的不断扩大和经济的持续发展，城市供水事业必将随之发展，远距离输水就是解决城市水量剧增的重要方法之一。其中供水管道的材料投资占据整个工程很大比重，因此管材的选择显得尤为重要。选择管材应该考虑水量规模、管径大小、工作压力、地质情况、埋设深度、建设工期、工程投资等多个方面，分析比选后以求性价比最高。在某县城供水工程实例应用中，我院创新采用新型管材——PCCP。

预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe)简称PCCP，是一种新型的钢性管材。预应力钢筒混凝土管是最近几年从国外引进的新型管材，在国外特别是美国已有较长的使用历史。它是由钢筒和混凝土制造而成的复合管，管芯是混凝土，在管外壁或中部埋入厚1.5 mm钢筒，在钢制管芯上缠绕环向预应力高强钢丝，并在管芯外喷涂水泥砂浆保护层。这种管道连接口是钢制承插口，与钢筒焊接，承插口由凹槽和胶圈形成了滑动式胶圈的柔性接头。该管材是钢板、混凝土、高强钢丝和水泥砂浆几种材料组成的复合结构，具有钢材和混凝土各自的特性。PCCP具备较优的力学构造，在承压性能、承插口密封性、抗震能力、防腐性能等方面具有突出的特点，目前已较广泛的应用于远距离输水干线、城市公共供水工程、工业输水管线等。与我们普遍采用的球墨铸铁管、钢管、PE管等相比，PCCP具有运行期长、防渗漏好、抗压能力强、施工安装简便、维护管理运行费用低等技术经济优势。同时DN800 mm以上管径具有明显价格优势。

目前，在我国采用PCCP的输水工程有:山西万家寨引黄工程、深圳东部引水工程、哈尔滨磨盘山引水工程等。

1 PCCP管材有关标准、要求

1.1 设计

PCCP管材的设计应符合GB/T 19685及ANSI/AWWA C304的要求。配件的设计应符合AWWA M9，CECS 141的要求。PCCP管的设计应考虑规范规定的荷载组合、正常运行压力、水锤压力、管道外荷载、活荷载的作用。应对50年正常使用条件下的应力应变作分析计算，同时考虑外部环境条件和所输送介质。

1.2 材料

制造PCCP的材料包括:水泥、混凝土外加剂、砂、粗骨料、钢材、胶圈、环氧煤沥青等。

1.2.1 水泥

用于管芯混凝土及保护层砂浆的水泥应为由大型回转窑生产的水泥强度等级不低于42.5R，满足中国标准GB 175，GB 748的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或抗硫酸盐硅酸盐水泥，碱含量不大于0.6%，C3A含量不大于8%。

1.2.2 水

用于混凝土、水泥砂浆和水泥净浆拌和用水和管道养护用水均应符合JCJ 63混凝土拌和用水标准的相关规定，但还应满足pH值大于6.5，氯离子含量小于100 mg/L，硫酸根离子含量小于350 mg/L的要求。

1.2.3 骨料的选择

骨料应根据优质的原则进行选择。选用的粗、细骨料应符合中国标准GB/T 14684，GB/T 14685和本技术条款的要求。粗、细骨料不得为碱活性骨料。堆存骨料的场地应进行硬化，并应分仓堆放。堆料场应设有坡度，并做好排水。

1.2.4 外加剂

管芯混凝土和保护层水泥砂浆中所用的减水剂应符合GB 8076混凝土外加剂标准中的相关规定。模具用脱模剂应选用对饮用水无污染，且方便生产的液体脱模剂。制管混凝土用掺合料，如粉煤灰、磨细矿渣等，应符合GB 1596的要求，且使用前应根据本工程的具体要求进行专门的试验。

1.2.5 钢材

制造PCCP钢材涉及到预应力钢丝、薄钢板、厚钢板及承、插口环钢材。

1)预应力钢丝。

缠绕于管芯的预应力钢丝应满足ASTM A648及GB/T 5223的规定。预应力钢丝的抗拉强度不允许高于ASTM A648标准中的Ⅲ类钢丝。钢丝直径可选用4 mm～6 mm;预应力钢丝应满足氢脆性灵敏度要求;钢丝在拔制过程中，钢丝表面任何点温度不应超过182℃。

2)钢筒用薄钢板。

制作钢筒用薄钢板应采用热、冷轧薄钢板，应符合GB/T 700，GB/T 912，GB/T 11253，GB/T 3274的规定，钢材的等级为Q235B级，屈服不小于235 MPa、抗拉370 MPa～500 MPa、延伸率不小于22%，薄钢板公称厚度符合GB/T 708，GB/T 709。

每批炉号的钢板按50 t一次(不足50 t按50 t计)取一个试样进行屈服强度、极限抗拉强度及断裂伸长率等常规项目检验，钢板化学成分检验应每6个月一次或料源改变时进行。每制作500个钢筒进行一次焊缝抗拉强度试验，试样应从钢筒上直接取样。

3)厚钢板或螺旋焊管。

配件用厚钢板应符合GB/T 699，GB/T 700，GB 3274的规定，且钢材的等级不应低于Q235的B级要求。每批炉号的钢板按200 t一次(不足200 t按200 t计)取样进行屈服强度、极限抗拉强度及断裂伸长率常规项目检验，钢板化学检验应每6个月一次或料源改变时进行。选用螺旋焊管应符合GB/T 9711.1-1997石油天然气工业输送钢管交货技术条件第一部分A级钢管要求，也可以选择同等尺寸的无缝钢管，无缝钢管执行GB 3087低中压锅炉用无缝钢管。

4)接头钢圈用型钢。

制造承、插口接头钢圈所用的承口钢板和插口型钢应符合GB/T 699，GB/T 700，GB 3274，JC/T 1096的规定。钢材的最小屈服强度应不小于235 MPa，标准长度50 mm时的最小伸长率应为20%。每批炉号的钢板分别按500个承口、插口钢圈一次(不足500个按500个计)取样进行屈服强度、极限抗拉强度及断裂伸长率等常规项目检验，钢板化学检验应每6个月一次或料源改变时进行。每制作500个钢圈进行一次钢圈焊缝抗拉强度试验，试样应在成品钢圈上直接取样。

5)钢丝网片。

配件所用焊接钢丝应采用机械制造，钢丝网片用钢丝符合JGJ 19-92冷拔钢丝预应力混凝土构件设计与施工规程中乙级冷拔低碳钢丝φ3 mm，网格尺寸不得大于50 mm×50 mm，钢丝网片符合GB/T 1499.3钢筋混凝土用钢筋焊接网的要求。

1.2.6 承、插口胶圈

橡胶密封圈的基本性能和质量要求应分别符合JC/T 748和JC/T 749的规定，并通过 GB/T 528，GB/T 531，GB/T 1682，GB/T 1690，GB/T 3512，GB/T 3672，GB/T 7759等标准的检验。橡胶应采用聚异戊二烯或合成橡胶。

胶圈应采取整圈模压的成品，胶圈的体积必须按照填满插口橡胶槽容积精确确定，胶圈接头不得超过两个。

胶圈应满足以下要求:

制造直径公差小于±0.5 mm。

聚异戊二烯胶圈抗拉强度不小于18.6 MPa，合成橡胶胶圈抗拉强度不小于13.8 MPa。

断裂伸长率:聚异戊二烯胶圈不小于400%，合成橡胶胶圈不小于350%。

比重:0.95～1.45。

压缩永久变形:以原始变形的百分率表示，不得大于20%。

老化试验后的抗拉强度:不得低于老化前抗拉强度的80%。

邵氏硬度(A):55～60。

胶圈表面不得出现裂纹、裂隙、凹坑、砂眼、气泡及其他缺陷。

2 PCCP的制作

2.1 承插口钢圈

插口钢圈应采用双胶圈接头，用型钢制作。每个钢圈不允许超过两个接头，且接头焊缝间距不小于500 mm。接头要求对接平整，错边不应大于0.5 mm，采用双面熔透焊接，并打光磨平。

2.2 钢筒

钢筒采用不小于1.5 mm厚冷或热钢板制成。焊有承、插口钢环的钢筒端面倾斜度满足GB/T 19685的要求。

钢筒的搭接可采用对焊或搭接焊，不得出现“十”字形焊缝。焊缝应连续平直，焊缝凸起高度不应大于钢板厚度加上1.6 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2.0 mm。

2.3 管芯混凝土及成型

离心混凝土的配合比设计应遵守JGJ 55-2000的有关规定。水灰比不大于0.4，坍落度在40 mm～60 mm，可使用高效减水剂。

混凝土生产应采用强制式搅拌机，称量系统应采用电子设备自动称量;混凝土搅拌出料后进行坍落度、温度、和易性检测。混凝土温度超过32℃时应对骨料采取降温措施加以控制;冬季混凝土温度低于4℃时应对骨料采取保温措施加以控制。

2.4 管芯养护及脱模

管芯模具设计、制造必须满足GB/T 19685，AWWA C301标准要求。

管芯混凝土应采用蒸汽养护，生产时必须按照AWWA C301标准中管芯养护要求进行。

采用蒸汽养护时，加速养护期间养护罩(窑、坑)内的升温速度不得超过22℃/h，养护罩(窑、坑)内的温度应保持在32℃～52℃之间，最高恒温温度不应超过60℃;养护时间应维持12 h，脱模温差(管芯表面温度与环境温度)应控制在20℃以内。

在蒸汽养护期外，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。

无论任何情况，模具的拆除须在混凝土管芯浇筑6 h后才能进行。管芯混凝土脱模不应对管芯混凝土产生明显的损坏，管芯混凝土内外表面不得出现剥落现象。

2.5 缠丝

缠丝前管芯混凝土抗压强度不应低于设计抗压强度的70%，同时缠丝过程在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%。

同层钢丝间距不得小于钢丝直径的2倍，最大中心间距不得超过38 mm。

管芯轴线方向任意0.6 m长内的环向钢丝数量不得少于设计要求。钢丝除管芯两端可以按设计张拉力的1/2缠丝外，其余均应达到设计拉力。缠丝过程应采用拉力自动记录仪全过程记录钢丝缠绕过程预拉力变化。

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%。

缠丝前都应对管芯表面喷涂一层水泥净浆，水泥净浆用水泥应与管芯混凝土相同，水灰比为1∶0.7，涂覆量为0.41 L/m2。缠丝过程应连续喷涂水泥净浆。

2.6 砂浆保护层

制作水泥砂浆保护层应采用辊射法，使用水泥品种宜与管芯混凝土相同。水泥砂浆保护层拌合物中的水溶性氯离子，以占水泥重量百分比表示，不得超过0.06%。砂浆配合比按重量计不低于水泥∶砂为1∶3。辊射时管芯的表面温度应不低于2℃。

预应力钢丝上的最外层净砂浆保护层自预应力钢丝外侧边缘不得低于20 mm。水泥砂浆保护层应采用合适的养护方法，加速养护是将辊射后的管放入养护罩(窑、坑)内，按照与管芯相同的养护方法，养护时间不得小于12 h。自然养护时，需待保护层水泥砂浆充分凝固后，间歇喷水至少4 d，使保护层保持湿润。在最初24 h环境温度若低于10℃，则每有1 h环境温度低于10℃喷水养护时间应增加1 h，必须及时喷水保证湿润。

3 PCCP施工要求

钢筒混凝土管(PCCP)安装应按照GB 50268-2008给水排水管道工程施工及验收规范中的有关要求进行。

钢筒混凝土管(PCCP)采用承插连接，双胶圈柔性橡胶圈接口，其标准应符合GB/T 19685-2005。

沟槽开挖应按GB 50268-2008给水排水管道工程施工及验收规范中4.3条的相关规定执行。沟槽回填应严格保证胸腔填土的质量，不得回填有机土和淤泥等不合格土质，按施工规范，管道两侧应均匀地分层夯实，其压实度要求详见GB 50268-2008中4.5条和4.6条的相关规定，施工中应确保管体稳定，竖向变形应控制在允许的范围内，施工过程中应严格要求。

管道需进行压力管强度及严密性试验，采用水压试验，试压应做好堵板、后背、加压设备和进、排水管路等工作。管道水泥砂浆衬里浸泡时间不小于72 h。钢筒混凝土管(PCCP)试压前，其接头双胶圈应先分别试压，可通过两胶圈中间的试压孔用水进行接头检查，试验压力为工作压力的1.5倍，恒压15 min，压力降不超过0.03 MPa为合格，否则必须检查胶圈、承插口，处理好后重新安装，直至合格。管道试压应按照GB 50268-2008给水排水管道工程施工及验收规范中9.2条的相关规定执行。

PCCP管钢制承口、插口处内外防腐均采用水泥砂浆填充，承插口内外防腐水泥砂浆要求如下:灰砂比1∶2，砂的含泥量不超过5%，拌和用砂必须符合施工规范规定，砂浆用砂宜使用中砂并过筛，稠度根据实际情况确定。

PCCP管管道平面和纵向转弯利用弯头(转弯角度大于5°)和管节承插口借转角度来实现。当采用借转角度实现转弯时，每次借转角度按不大于0.5°控制。

4 结语

PCCP管仍属于一种新型管材，还有很大的探索空间。在我省，PCCP管多用于万家寨引黄输水工程，在我市城市输配水管网也多采用球墨铸铁管，其设计、施工对于我们尚无成熟经验可循。其设计计算软件也由国外引进，国内仅有为数不多的几家设计院完全掌握其计算方法，因此有待我们进一步研究与开发。