埋置式预应力钢筒混凝土管插口环向裂缝形成机理及防治措施

2018-02-05杨昌国

智能城市 2018年19期

杨昌国

三河京龙新型管道有限责任公司，河北廊坊 065201

PCCP管道在生产期间，生产质量容易受到多种因素影响会出现纵向、环向裂缝问题，两种裂缝的生成原因有着较大差异，要求生产厂家能够在把握相关原因基础上，找出控制裂缝出现的有效方法，以此在对PCCP管材生产工艺以及结构作以调整的前提下，生产出品质优良的PCCP管道。本文以PCCP管道的环向裂缝为研究对象，对造成此种裂缝的机制、防治措施进行了综合探讨，以此为管材环向裂缝的预防与控制提供助益。

1 PCCP插口环向裂缝生成机理分析

PCCP管道自身具有较强的耐腐蚀性和刚度，而且管道接口处有着良好的密封效果，轻易不会发生管道中水的渗出渗漏情况，所以在引水工程中的应用效果非常好。此种管道对于生产工艺、运输条件有着较高的要求，如果这两个环节发生问题将会对管材质量造成不良影响，促使管道在拉应力的作用下形成插口环向裂缝，严重影响PCCP管材的质量与使用期限，该问题发生位置多在靠近插口端附近的300mm以内。具体原因包括以下几个方面。

1.1 混凝土因素

PCCP管道生产过程中，会在管芯内壁浇筑混凝土，如果该材料的强度不达标，会促使管材内壁拉应力的生成，继而逐渐造成管道环向裂缝发生。该因素的作用机理为：在对管材采用立式浇筑法进行混凝土浆料浇筑处理以及密实度提升处理期间，位于插口端的砂石会在振动力影响下出现直接的下沉作用，因此处于该位置管芯中的石子数量非常少，而处于管芯中的混凝土砂浆含量较多，并且位于管芯中下层的混凝土强度会略高于最上层的混凝土强度，继而在材料强度不一致因素干扰下的上层管芯混凝土抗拉能力出现了巨大的变化，与标准的抗拉能力值作以对比明显下降。在之后对管材进行钢丝缠绕加工时，该部位截面受钢丝材料紧固的影响，会出现截面变形应力，该种应力与表面拉应力直接接触且发生顶压时，会诱发抗拉能力差的插口端上层管芯直接出现环向裂缝。此外，基于混凝土材料的PCCP管材在制造完毕后，需要在温湿度适宜的场所进行保存以及运输，但是很多厂家为了节省生产成本，直接忽略了管材的存放要求，导致大量管材在干燥的环境中长时间存储，混凝土材料严重脱水出现干缩裂缝，此种干缩效应连同管道的预应力便会发生管道内壁靠近插口端处的环向裂缝[1]。

1.2 加工工艺因素

PCCP管道生产期间，需要接受预应力钢丝缠绕工艺的处理，在该过程中管道会受到钢丝材料给予的环向压，进而管道管芯在此种压力的干预之下便会致使此处的混凝土发生变形，多以环向状呈现。同时该管道的插口钢环位置处（钢筒），会在内向的变形作用下发生截面突变表现，此种截面会对管芯混凝土造成压迫力，最终会形成集中的应力，对内壁靠近插口端的混凝土进行顶压干预，以此处抗拉强度作为重要指标进行混凝土承拉力分析，如果拉应力承受能力远远超过该标准时，环向裂缝问题就会在发生截面突变的位置出现[2]。

1.3 结构因素

PCCP管道结构设计时，需要在相应位置进行薄钢筒的嵌埋设计，多在管芯处设置。设计期间需要把握好此种钢筒的厚度，要求筒壁厚度为1.5mm；同时要控制插口钢环材料尾部厚度，该值不少于7.5mm，之后需要借助于螺旋焊机卷制工艺进行材料尾部、钢板卷的搭接处理，要求长度需要控制在20mm左右，焊接处理完毕后要对材料尾部厚度进行测量，如果该处的环向截面厚度差未达到标准时（一般情况下的厚度值为7.5mm），就会出现截面突变，进而导致环向裂缝。结合诸多PCCP管材生产工厂以往的生产经验可以了解到，截面突变情况发生概率非常高，多是在搭接焊接处理时产生，所以结构因素导致的环向裂缝问题需要引起厂家技术人员的高度重视。

1.4 起吊因素

厂家按照PCCP管道的制造要求进行标准化的作业生产期间，不可避免的要使用吊具进行管芯等材料的吊装运送，此种吊具通常为圆盘式。吊具使用时，会采用卡具将管芯插口钢圈凹槽进行卡死处理，一般为第二个凹槽，之后吊具借助于环向压力便可以将管芯吊起。常规使用的管芯重量约为50t，以此吊起时的压力会直接作用在截面突变位置，促使此处有着较多应力；与此同时，在管芯自重的影响下，管道内部的混凝土会出现拉力，在两种作用力的互相作用之下会出现力的叠加，造成插口端环向裂缝。

所以上述四个方面的因素为导致此种裂缝出现的重要影响因素，技术人员要求对以上因素进行详细研究，从混凝土强度、工艺、结构等方面进行PCCP管的优化设计与生产，有效提升管道性能质量，实现管道的安全且高质量的生产。

2 预防控制环向裂缝的对策分析

现阶段对该问题在解决时，一般不会对管材内壁厚度尺寸进行更改，以免造成PCCP管道加工成本升高、环向裂缝控制效果不佳的情况出现。因此，从加工工艺、管材结构两个方面进行的裂缝防治效果理想，生产出的管材经过出厂验收几乎没有再次出现插口环向裂缝，管道的外观精美，没有划痕、焊接痕、裂缝以及油渍等异常情况，观察管芯内壁也有着较好的生产品质，所以这两种解决措施值得在PCCP管道生产中多加应用。

2.1 工艺方面

该方面重点需要做好插口端混凝土施工，保证管道内部相应位置的混凝土材料可以均匀的分布，强度等级符合管道生产标准。从工艺方面预防环向裂缝的具体方法有三方面：其一，提升原材料的质量。管道插口端施工时会使用到减水剂、水泥等材料，如果这些材料的质量性能较差会严重影响混凝土的浇筑质量，出现管芯上、中、下层抗拉强度失衡的情况，所以在加工管材时，工厂的作业人员需要按照PCCP管材加工的质量标准，选购优质的原材料，要求所有的原材料均要有国家质量检验合格证书，之后将其放置在工厂内遮阳遮雨的地方，防止材料质量受影响；在搅拌混凝土浆料时，工作人员要按照标准的水灰比选取、配比原材料，将材料放置在搅拌机中即可进行均匀的搅拌，在此期间工作人员要控制好搅拌的时间，在规定的时间内搅拌完毕后需要及时运送到管道加工现场进行插口端混凝土浇筑作业；搅拌结束后须注意使用时间，不可长时间放置，以免出现泌水现象影响材料质量。

其二，合理应用振动成型工艺。在混凝土浇筑完成之后，工作人员还要应用立式振动成型工艺做好材料成型处理工作，常规成型处理后常会有上部管芯石子严重下沉的情况出现，导致插口端位置处的石子数量不够，仅有大量的砂浆。为了解决该问题，工作人员需要了解振动器的结构与操作方法，之后按照管道插口端的加工需要，对于振动成型的时间、顺序进行合理的调节，要求在浇筑混凝土砂浆时，依照浇筑的顺序进行成型加工。材料浇筑时会先浇筑下方的混凝土层，之后为中部、上部，所以振动器的开启顺序即为下、中、上，以便在完成中下层的材料浇筑与振动成型作业后，再对经常出现石子下沉问题的上部作以浇筑、振动处理，规避此种问题的多次发生。上层振动成型快结束时，需要注意在浇筑完毕后对于设备的延后振动时间科学的控制灌浆材料的浮浆层厚度。

其三，重视管芯养护。要求工作人员在管芯加工的后期，对内部的混凝土材料做好湿润度的养护，每天定时在材料上洒水，保证材料有着充足的水分，并且对管芯进行预应力钢丝缠绕处理期间，要求对混凝土强度进行测试，经检测若强度处于45MPa或以上时，表明材料的抗拉强度符合要求，材料抗裂能力会显著提高。

2.2 结构方面

从管道结构的角度可以对插口端拉应力进行降低，来实现环口裂缝发生率的有效控制，具体加工生产时需要对钢丝网片直径做增加处理，φ5为直径最佳值；要求使用的钢丝网片宽度值不低于300mm，钢环上部边缘处焊接时需要提高焊接尺寸，以此采用钢网片来对钢丝缠绕操作时生成的截面突变应力进行分散处理，避免应力过度集中，降低环向裂缝严重程度。