美国PCCP管的失效及对中国给水管道应用的警示

2015-01-16沈之基郑小明上海原水股份有限公司上海00085中国城镇供水排水协会科学技术委员会管道技术部上海0400

水利规划与设计 2015年3期

沈之基，郑小明（.上海原水股份有限公司，上海 00085；.中国城镇供水排水协会科学技术委员会管道技术部，上海 0400）

沈之基1，郑小明2
（1.上海原水股份有限公司，上海 200085；2.中国城镇供水排水协会科学技术委员会管道技术部，上海 201400）

PCCP管很高的失效可能性和失效的灾难性，已导致美国现在已经不再生产PCCP管。向中国输出技术的阿美隆公司、普赖斯兄弟公司已经停产关闭。美国的水务机构已经对自己系统中的PCCP采取降压、审核运行、内外部检查及修复或更换管道等等行动。PCCP管主要失效模式是钢丝腐蚀管爆裂，保护钢丝的水泥砂浆防护层自身脆弱，运行中得不到保护，它的寿命成为 PCCP管寿命的决定因素；高内压的大口径PCCP管线“膨胀量”大，特别危险。

输水管；PCCP管；失效；钢丝腐蚀

1 PCCP管在中国的应用

近十年来，PCCP管在中国迅猛发展，据行业协会统计报告，2010年，中国年生产能力已突破3000km，年生产量达到1500km（美国最高年产量在1971年，为3，563，327英尺，约1100km），累计使用量已达8000公里。中国现在已是PCCP管年生产使用量世界最高的国家。

国家发改委、水利部、建设部等七部委，2005年联合发布的“中国节水技术政策大纲”明示，DN 1200以上口径的输水管线优先采用PCCP。

引进这项技术以来，中国几乎所有介绍文章都接受这样的论断:PCCP是钢管和混凝土压力管两者优势组合、经济且耐蚀。中国PCCP专家近年在很多篇文章中称PCCP寿命可达100年。

2 PCCP管在美国的应用及失效

2.1 PCCP管的爆裂损坏问题已经非常突出

美国是PCCP管的先行者，美国自来水协会研究基金会（AwwaRF）在2008年发布了“PCCP失效”专题报告，并“希望这个结果将应用于整个世界”。

由于PCCP的较高的失效可能性，它的性能在很长一段时间以来，是水务当局感兴趣的问题。约20年前，美国自来水协会研究基金会和国家垦务局就曾启动了研究“预应力混凝土管的性能”的项目，可惜的是报告没有公布；2008年，AwwaRF终于发布了“PCCP失效”的研究报告。这个研究项目开始于一个调查，美国十余个地区或城市的水务机构参与这个项目调查研究，如:国家垦务局、加州水资源部和休斯敦、达拉斯、圣地亚哥等等大城市水务部门，因此报告能够对北美PCCP性能有代表作用。报告的目标是对失效作统计分析和开发一个评估模型，

调查研究结果，美国自上世纪40年代开始到2006年，累计生产使用PCCP约30000km，项目研究者已经知道的美国PCCP失效事件:

第1类别失效（灾难性破裂和泄漏Catastrophic ruptures and 1eaks），有435个；第2类别失效（严重劣化或结构弱化—通过检查看到的Significant deteriorati on or structura1 weakness discerned by inspection）和第3类别（服务能力减少—暂停服务，完全或部分替代Loss of service-Time out of service、Fu11 or partia1 rep1acement）的失效有35662个。

这些失效发生年份，第1类平均值为 13.95年，第2、3类失效为16.75年。

30000km PCCP管线，发生435个第1类别失效，35662个第2类别和第3类别的失效，从数字上看，同其他管材相比也不是特别严重；不过，考虑到使用的PCCP口径较大，失效管线几乎都在30英寸（相当 DN 750）以上；失效的主要模式是爆裂，失效发生时间在投入运行后十多年，不是很长；所以从后果看，PCCP失效是严重的，需要认真应对。报告对美国PCCP的失效和失效率采用了“令人惊讶”的表达，这应该是合适的，这也就能理解为什么美国水务机构这么重视PCCP失效，理解为什么基金会“希望这个结果将应用于整个世界”。

2.2 世界最大的PCCP管工程已经发生多次爆裂，大量管段急需积极的修复

上世纪九十年代利比亚的“非洲大人工河”工程采用4.0m口径PCCP，工作压力为2.8Mpa，总长3300km（双线），由美国和韩国合作建造；这个巨大工程，是国际上PCCP技术经济优秀的最有力案例。该工程于1984年启动，1996年完成。是号称世界奇迹的大工程。

2001年到2005年时，这个“运行良好”工程已经发生5次爆裂；对部分管线（大约1000km）经过检测，2011年已经发现钢丝断裂35000根，急需制定积极的修复计划。现在这个工程，数千节管段需要维修或更换，余下的管道需要进行状态评估。自1991年的第一期工程完成并运行到2001年爆裂发生，只有10年；到2011年数千节管段需要维修或更换，是20年。

2.3 中国PCCP管也已有爆裂事件

中国PCCP管已经有多个运行仅仅几年就发生爆裂的案例，但这些失效事故没有引起用户、开发商和设计单位的重视；有关责任部门也许认为这是发展过快、品质失控造成个别特例，也没有给予应有的关注；只有不多的深受其害的爆裂用户，对自己的经过发表了文章（2）。

宁夏某水务公司八年前使用了几十公里的DN 800PCCP管，已经发生了多次爆裂，经检测已有五十多处出现钢丝断裂，发生爆裂停水事故的概率大大上升，已经严重影响该水务公司的安全运行。

3 美国已经重新认识PCCP管并采取行动

美国，世界上使用最多的国家，也是中国P CC P技术的引进源头，已经对PCCP管有了新的认识和行动，

3.1 生产商逐步停产或关闭

二十年来，PCCP管生产量逐年减少，到2006年，年产量不到高峰时 2%，仅 44.535英尺（约13.6km）；美国现在基本上已经不再生产PCCP管，向中国和大人工河输出技术的阿美隆公司（Ameron）、普赖斯兄弟公司（Price Brothers），已经停产或关闭。图1显示了美国PCCP生产量逐年减少情况。

图1 美国PCCP生产量逐年减少情况

3.2 水务机构对系统中PCCP管采取的补救行动

虽然有十多个水务机构是参与了项目，但他们对于项目的目标——对失效统计分析和开发评估模型并不满足，他们的实际行动是:

（1）开发一个基于风险的评估方案，以确定用户的PCCP最大失效风险。

（2）降低操作压力到低于被钢筒约束管芯的开裂应力。

（3）审查该PCCP用户的管线运行实践，以确保由于流量变化和阀门关闭时，不发生压力骤变。

（4）进行无损评价。如内部检查寻找裂纹和分层等等。

（5）进行管的外部检查，通过挖掘和视觉检查管子。

通过调查和风险评估，再结合腐蚀和其他评估结果，对需要矫正的管道考虑:

（a）选择部分的管道做结构性恢复；（b）选择部分的管道，移除或替换；（c）更换这条管道。

上面行动第一条是研究项目的目标，水务机构同项目目标一致并接受；而降压、审核运行、内外部检查及修复或更换管道等等行动是远远超过项目目标的，这样的积极主动行为，显示了美国水务机构的责任心。

现在向PCCP管内衬里钢管或碳纤维的技术得到发展，不仅美国城市水务采用，北美的墨西哥大口径PCCP管线也已经进行这样的修复工作。

4 对PCCP管的失效原因解析

因信息有限，难以明白美国不再生产使用P CC P的全面情况和细节，难以对美国的这个变化做出切实的深入理解。这里从中国实际出发，在对中国PCCP发展过程了解的基础上，以管道技术工作的经验、供水业主立场视角，对PCCP的性能和未来作出分析。

PCCP具有经济和耐腐蚀特点，其核心手段是采用高强度钢丝和预应力技术。钢丝的设计应力是钢管钢材的5倍以上，由此节约了钢材而取得经济性；混凝土和砂浆包裹钢丝和钢筒，由此取得了耐腐蚀。这些是发展这个产品时开发人员的期望，也是这个产品投入运行一段时间内的表现；但是随着时间推移，PCCP的实际表现同期望有很大的差异，原来的耐腐蚀方面的优势并不如设计理想。

4.1 水泥层耐腐蚀、寿命长的解读—衬里层同外保护层有不同

4.1.1铸铁水管采用水泥砂浆衬里层有50～100年的寿命。

水泥砂浆衬里层对输水铸铁管、钢管提供50年以上的安全服务，可以有50～100年的寿命，这是已经有众多事实证明并得到公认的；水泥砂浆衬里涂层，在同它接触的铁、钢表面形成PH 12的环境，铁钢钝化，所以能确保铁钢不发生腐蚀；这里要指出，这样环境能形成并保持，首先条件是涂层稳定，不发生裂缝、脱离；铸铁管、钢管运行时，所有的内外负载都由铁钢筒体承担，筒体传递给衬里层的应力非常之小；筒体在外，涂层在内，筒体保护着涂层，内压有利于水深入涂层细部，水泥颗粒的水化作用继续，涂层更加致密，细小裂缝还可自己愈合；内压还有利于涂层同管壁结合。衬里层保护了管道内壁，管道保护了衬里，这就是内衬水泥砂浆层能长期保护管道内壁的原因。

4.1.2PCCP管水泥保护层自身得不到保护，难以为钢丝提供可靠保护

水泥砂浆衬里层对铸铁管、钢管可以提供50年以上的安全服务，但水泥砂浆保护PCCP钢丝、钢筒，也可以提供50年以上的寿命，是值得推敲的。

这是由于PCCP管线运行时虽然内外负载主要都由钢丝、钢筒承担，但因钢丝钢筒在内，脆性的水泥保护层在外，保护层自身得不到保护，所有的内外负载以及运输、吊装时的震动、碰撞，全部都是产生裂缝和发展裂缝的诱因，伤害保护层；保护层外部环境复杂，如干湿交替、土壤含有伤害保护层成分等等，不一定能为钢丝形成保护环境。衬里层和保护层，虽然同样是水泥砂浆覆盖钢材表面，但二者的处境不一样，能够发挥的作用也就不一样。实践表明，PCCP管保护层同铸铁管衬里层所处条件不同，难有同样寿命。

4.2 高内压、大口径的管线应用风险

PCCP管的水泥保护层是管芯、钢丝在无内压状态下成形、养生的，运行时高内压会使管道有小小的“膨胀”，这个膨胀有将保护层胀裂倾向，是裂缝生成的主要源头且无法避开；膨胀量同内压成正比关系，同口径也成正比关系，所以高内压大口径的PCCP管特别危险。在保护层外做环氧树脂等涂层，对因膨胀而产生的裂缝，也很难起到阻止作用；同样，阴极保护也对膨胀而产生的裂缝，不能有阻止作用。大人工河工程设计内压达到2.8Mpa，对水管来说是较高的内压，上海供水系统的水厂出厂管，内压都在0.5Mpa以下，所以高内压应该是大人工河工程出现多次爆裂和几万根钢丝断裂的主要原因。

美国失效研究报告中提到，美国水务机构一致认为“水压试验”和“水击”是PCCP管线失效的二个“肇事者”，这也就是水务机构对自己系统中的P CC P管线采取降压、校核运行措施的原因。这也表明高内压对大口径PCCP这样的产品是不合适的。

4.3 保守设计的低内压管线可以有较长使用寿命

如果一定要使PCCP管使用寿命达到100年，早期设计要留有余地。钢丝设计应力不宜大于极限强度45%、运行内压低、埋设环境好，这样条件下的PCCP管，其保护层就会大大减少发生有害裂缝，管线就可以有很长寿命。国内在管表面涂装环氧煤沥青，也是保护外层水泥的一种方法。

但案例只能说明可能性存在，不能因为有了10年就发生爆裂的案例，就将它作为寿命只能是10年依据或证明；也不能因为可能有运行100年的案例，就坚持寿命可以有100年的说法。就P CC P这个产品来说，美国的 PCCP失效研究报告，做了这些深入和了解工作，最后得到结果是:失效的核心原因是钢丝腐蚀断裂，这样的结果应该是可以成立的，可以拿来借鉴的。大人工河案例，也将失效的核心原因指向了钢丝断裂。我们认为，认真深入研究PCCP的钢丝断裂，是有实际意义的。

虽然美国失效报告中没有直接说，美国水务机构今后不再用PCCP了；但是他们的降压、审核运行、内外部检查及修复或更换管道等等行动，实际上表达他们对PCCP管的态度，这也是阿美隆公司（Ameron）、普赖斯兄弟公司（Price Brothers），停产关闭的最重原因之一。