預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)分析

魏媛媛

(太原市自來水公司供水設(shè)計(jì)院，山西太原 030009)

0 引言

城市供水是保障城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是提高城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的重要標(biāo)志。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，城市供水事業(yè)必將隨之發(fā)展，遠(yuǎn)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(jù)整個(gè)工程很大比重，因此管材的選擇顯得尤為重要。選擇管材應(yīng)該考慮水量規(guī)模、管徑大小、工作壓力、地質(zhì)情況、埋設(shè)深度、建設(shè)工期、工程投資等多個(gè)方面，分析比選后以求性價(jià)比最高。在某縣城供水工程實(shí)例應(yīng)用中，我院創(chuàng)新采用新型管材——PCCP。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe)簡(jiǎn)稱PCCP，是一種新型的鋼性管材。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是最近幾年從國(guó)外引進(jìn)的新型管材，在國(guó)外特別是美國(guó)已有較長(zhǎng)的使用歷史。它是由鋼筒和混凝土制造而成的復(fù)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(huán)向預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲，并在管芯外噴涂水泥砂漿保護(hù)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(dòng)式膠圈的柔性接頭。該管材是鋼板、混凝土、高強(qiáng)鋼絲和水泥砂漿幾種材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有鋼材和混凝土各自的特性。PCCP具備較優(yōu)的力學(xué)構(gòu)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(diǎn)，目前已較廣泛的應(yīng)用于遠(yuǎn)距離輸水干線、城市公共供水工程、工業(yè)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(yùn)行期長(zhǎng)、防滲漏好、抗壓能力強(qiáng)、施工安裝簡(jiǎn)便、維護(hù)管理運(yùn)行費(fèi)用低等技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)DN800 mm以上管徑具有明顯價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

目前，在我國(guó)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)、要求

1.1 設(shè)計(jì)

PCCP管材的設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB/T 19685及ANSI/AWWA C304的要求。配件的設(shè)計(jì)應(yīng)符合AWWA M9，CECS 141的要求。PCCP管的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮規(guī)范規(guī)定的荷載組合、正常運(yùn)行壓力、水錘壓力、管道外荷載、活荷載的作用。應(yīng)對(duì)50年正常使用條件下的應(yīng)力應(yīng)變作分析計(jì)算，同時(shí)考慮外部環(huán)境條件和所輸送介質(zhì)。

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(huán)氧煤瀝青等。

1.2.1 水泥

用于管芯混凝土及保護(hù)層砂漿的水泥應(yīng)為由大型回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的水泥強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5R，滿足中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(yǎng)護(hù)用水均應(yīng)符合JCJ 63混凝土拌和用水標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，但還應(yīng)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(yīng)根據(jù)優(yōu)質(zhì)的原則進(jìn)行選擇。選用的粗、細(xì)骨料應(yīng)符合中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14684，GB/T 14685和本技術(shù)條款的要求。粗、細(xì)骨料不得為堿活性骨料。堆存骨料的場(chǎng)地應(yīng)進(jìn)行硬化，并應(yīng)分倉堆放。堆料場(chǎng)應(yīng)設(shè)有坡度，并做好排水。

1.2.4 外加劑

管芯混凝土和保護(hù)層水泥砂漿中所用的減水劑應(yīng)符合GB 8076混凝土外加劑標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定。模具用脫模劑應(yīng)選用對(duì)飲用水無污染，且方便生產(chǎn)的液體脫模劑。制管混凝土用摻合料，如粉煤灰、磨細(xì)礦渣等，應(yīng)符合GB 1596的要求，且使用前應(yīng)根據(jù)本工程的具體要求進(jìn)行專門的試驗(yàn)。

1.2.5 鋼材

制造PCCP鋼材涉及到預(yù)應(yīng)力鋼絲、薄鋼板、厚鋼板及承、插口環(huán)鋼材。

1)預(yù)應(yīng)力鋼絲。

纏繞于管芯的預(yù)應(yīng)力鋼絲應(yīng)滿足ASTM A648及GB/T 5223的規(guī)定。預(yù)應(yīng)力鋼絲的抗拉強(qiáng)度不允許高于ASTM A648標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ類鋼絲。鋼絲直徑可選用4 mm～6 mm;預(yù)應(yīng)力鋼絲應(yīng)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(diǎn)溫度不應(yīng)超過182℃。

2)鋼筒用薄鋼板。

制作鋼筒用薄鋼板應(yīng)采用熱、冷軋薄鋼板，應(yīng)符合GB/T 700，GB/T 912，GB/T 11253，GB/T 3274的規(guī)定，鋼材的等級(jí)為Q235B級(jí)，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(hào)的鋼板按50 t一次(不足50 t按50 t計(jì))取一個(gè)試樣進(jìn)行屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率等常規(guī)項(xiàng)目檢驗(yàn)，鋼板化學(xué)成分檢驗(yàn)應(yīng)每6個(gè)月一次或料源改變時(shí)進(jìn)行。每制作500個(gè)鋼筒進(jìn)行一次焊縫抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試樣應(yīng)從鋼筒上直接取樣。

3)厚鋼板或螺旋焊管。

配件用厚鋼板應(yīng)符合GB/T 699，GB/T 700，GB 3274的規(guī)定，且鋼材的等級(jí)不應(yīng)低于Q235的B級(jí)要求。每批爐號(hào)的鋼板按200 t一次(不足200 t按200 t計(jì))取樣進(jìn)行屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率常規(guī)項(xiàng)目檢驗(yàn)，鋼板化學(xué)檢驗(yàn)應(yīng)每6個(gè)月一次或料源改變時(shí)進(jìn)行。選用螺旋焊管應(yīng)符合GB/T 9711.1-1997石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件第一部分A級(jí)鋼管要求，也可以選擇同等尺寸的無縫鋼管，無縫鋼管執(zhí)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(yīng)符合GB/T 699，GB/T 700，GB 3274，JC/T 1096的規(guī)定。鋼材的最小屈服強(qiáng)度應(yīng)不小于235 MPa，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度50 mm時(shí)的最小伸長(zhǎng)率應(yīng)為20%。每批爐號(hào)的鋼板分別按500個(gè)承口、插口鋼圈一次(不足500個(gè)按500個(gè)計(jì))取樣進(jìn)行屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率等常規(guī)項(xiàng)目檢驗(yàn)，鋼板化學(xué)檢驗(yàn)應(yīng)每6個(gè)月一次或料源改變時(shí)進(jìn)行。每制作500個(gè)鋼圈進(jìn)行一次鋼圈焊縫抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試樣應(yīng)在成品鋼圈上直接取樣。

5)鋼絲網(wǎng)片。

配件所用焊接鋼絲應(yīng)采用機(jī)械制造，鋼絲網(wǎng)片用鋼絲符合JGJ 19-92冷拔鋼絲預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)與施工規(guī)程中乙級(jí)冷拔低碳鋼絲φ3 mm，網(wǎng)格尺寸不得大于50 mm×50 mm，鋼絲網(wǎng)片符合GB/T 1499.3鋼筋混凝土用鋼筋焊接網(wǎng)的要求。

1.2.6 承、插口膠圈

橡膠密封圈的基本性能和質(zhì)量要求應(yīng)分別符合JC/T 748和JC/T 749的規(guī)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(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)。橡膠應(yīng)采用聚異戊二烯或合成橡膠。

膠圈應(yīng)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(gè)。

膠圈應(yīng)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(qiáng)度不小于18.6 MPa，合成橡膠膠圈抗拉強(qiáng)度不小于13.8 MPa。

斷裂伸長(zhǎng)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(yàn)后的抗拉強(qiáng)度:不得低于老化前抗拉強(qiáng)度的80%。

邵氏硬度(A):55～60。

膠圈表面不得出現(xiàn)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(yīng)采用雙膠圈接頭，用型鋼制作。每個(gè)鋼圈不允許超過兩個(gè)接頭，且接頭焊縫間距不小于500 mm。接頭要求對(duì)接平整，錯(cuò)邊不應(yīng)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(huán)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(duì)焊或搭接焊，不得出現(xiàn)“十”字形焊縫。焊縫應(yīng)連續(xù)平直，焊縫凸起高度不應(yīng)大于鋼板厚度加上1.6 mm，外觀缺陷處或水壓試驗(yàn)檢出的缺陷處的補(bǔ)焊焊縫凸起高度不應(yīng)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(shè)計(jì)應(yīng)遵守JGJ 55-2000的有關(guān)規(guī)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(chǎn)應(yīng)采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，稱量系統(tǒng)應(yīng)采用電子設(shè)備自動(dòng)稱量;混凝土攪拌出料后進(jìn)行坍落度、溫度、和易性檢測(cè)。混凝土溫度超過32℃時(shí)應(yīng)對(duì)骨料采取降溫措施加以控制;冬季混凝土溫度低于4℃時(shí)應(yīng)對(duì)骨料采取保溫措施加以控制。

2.4 管芯養(yǎng)護(hù)及脫模

管芯模具設(shè)計(jì)、制造必須滿足GB/T 19685，AWWA C301標(biāo)準(zhǔn)要求。

管芯混凝土應(yīng)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，生產(chǎn)時(shí)必須按照AWWA C301標(biāo)準(zhǔn)中管芯養(yǎng)護(hù)要求進(jìn)行。

采用蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，加速養(yǎng)護(hù)期間養(yǎng)護(hù)罩(窯、坑)內(nèi)的升溫速度不得超過22℃/h，養(yǎng)護(hù)罩(窯、坑)內(nèi)的溫度應(yīng)保持在32℃～52℃之間，最高恒溫溫度不應(yīng)超過60℃;養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)維持12 h，脫模溫差(管芯表面溫度與環(huán)境溫度)應(yīng)控制在20℃以內(nèi)。

在蒸汽養(yǎng)護(hù)期外，自然條件下放置時(shí)應(yīng)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，或覆蓋保護(hù)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(jìn)行。管芯混凝土脫模不應(yīng)對(duì)管芯混凝土產(chǎn)生明顯的損壞，管芯混凝土內(nèi)外表面不得出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

2.5 纏絲

纏絲前管芯混凝土抗壓強(qiáng)度不應(yīng)低于設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度的70%，同時(shí)纏絲過程在管芯混凝土上施加的初始?jí)簯?yīng)力不應(yīng)超過纏絲時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)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(zhǎng)內(nèi)的環(huán)向鋼絲數(shù)量不得少于設(shè)計(jì)要求。鋼絲除管芯兩端可以按設(shè)計(jì)張拉力的1/2纏絲外，其余均應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)拉力。纏絲過程應(yīng)采用拉力自動(dòng)記錄儀全過程記錄鋼絲纏繞過程預(yù)拉力變化。

預(yù)應(yīng)力鋼絲內(nèi)總的設(shè)計(jì)纏繞應(yīng)力不得超過鋼絲規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度的70%。

纏絲前都應(yīng)對(duì)管芯表面噴涂一層水泥凈漿，水泥凈漿用水泥應(yīng)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(yīng)連續(xù)噴涂水泥凈漿。

2.6 砂漿保護(hù)層

制作水泥砂漿保護(hù)層應(yīng)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(hù)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(jì)不低于水泥∶砂為1∶3。輥射時(shí)管芯的表面溫度應(yīng)不低于2℃。

預(yù)應(yīng)力鋼絲上的最外層凈砂漿保護(hù)層自預(yù)應(yīng)力鋼絲外側(cè)邊緣不得低于20 mm。水泥砂漿保護(hù)層應(yīng)采用合適的養(yǎng)護(hù)方法，加速養(yǎng)護(hù)是將輥射后的管放入養(yǎng)護(hù)罩(窯、坑)內(nèi)，按照與管芯相同的養(yǎng)護(hù)方法，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得小于12 h。自然養(yǎng)護(hù)時(shí)，需待保護(hù)層水泥砂漿充分凝固后，間歇噴水至少4 d，使保護(hù)層保持濕潤(rùn)。在最初24 h環(huán)境溫度若低于10℃，則每有1 h環(huán)境溫度低于10℃噴水養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)增加1 h，必須及時(shí)噴水保證濕潤(rùn)。

3 PCCP施工要求

鋼筒混凝土管(PCCP)安裝應(yīng)按照GB 50268-2008給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范中的有關(guān)要求進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合GB/T 19685-2005。

溝槽開挖應(yīng)按GB 50268-2008給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范中4.3條的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。溝槽回填應(yīng)嚴(yán)格保證胸腔填土的質(zhì)量，不得回填有機(jī)土和淤泥等不合格土質(zhì)，按施工規(guī)范，管道兩側(cè)應(yīng)均勻地分層夯實(shí)，其壓實(shí)度要求詳見GB 50268-2008中4.5條和4.6條的相關(guān)規(guī)定，施工中應(yīng)確保管體穩(wěn)定，豎向變形應(yīng)控制在允許的范圍內(nèi)，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格要求。

管道需進(jìn)行壓力管強(qiáng)度及嚴(yán)密性試驗(yàn)，采用水壓試驗(yàn)，試壓應(yīng)做好堵板、后背、加壓設(shè)備和進(jìn)、排水管路等工作。管道水泥砂漿襯里浸泡時(shí)間不小于72 h。鋼筒混凝土管(PCCP)試壓前，其接頭雙膠圈應(yīng)先分別試壓，可通過兩膠圈中間的試壓孔用水進(jìn)行接頭檢查，試驗(yàn)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(yīng)按照GB 50268-2008給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范中9.2條的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

PCCP管鋼制承口、插口處內(nèi)外防腐均采用水泥砂漿填充，承插口內(nèi)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(guī)范規(guī)定，砂漿用砂宜使用中砂并過篩，稠度根據(jù)實(shí)際情況確定。

PCCP管管道平面和縱向轉(zhuǎn)彎利用彎頭(轉(zhuǎn)彎角度大于5°)和管節(jié)承插口借轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用借轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時(shí)，每次借轉(zhuǎn)角度按不大于0.5°控制。

4 結(jié)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(wǎng)也多采用球墨鑄鐵管，其設(shè)計(jì)、施工對(duì)于我們尚無成熟經(jīng)驗(yàn)可循。其設(shè)計(jì)計(jì)算軟件也由國(guó)外引進(jìn)，國(guó)內(nèi)僅有為數(shù)不多的幾家設(shè)計(jì)院完全掌握其計(jì)算方法，因此有待我們進(jìn)一步研究與開發(fā)。