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预应力钢筒混凝土管损伤破坏及防治措施

文档作者：张海鹏1 程冰清2 3 窦铁生2 3 赵丽君2 3 董晓农2 文档来源： 1.北京市南水北调干线管理处袁1001952曰水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100038曰 3.中国水利水电科学研究院袁		点击数：	更新时间： 2022年10月19日
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0 前言
预应力钢筒混凝土管渊Prestressed Concrete
Cylinder Pipe袁简称PCCP冤是一种大口径尧能承受高
工压和深覆土的输水管袁其凭借预应力钢丝为管芯
提供预压应力从而提高管道承载能力袁结构形式分
为院内衬式预应力钢筒混凝土管渊PCCPL冤渊离心工艺
成型冤袁埋置式预应力钢筒混凝土管渊PCCPE冤渊立式
振动工艺成型冤[1]遥PCCP在输水系统中已经使用了
70 多年袁由于其优点特出袁已成为美国尧加拿大尧墨
西哥和中国许多输水及引水系统中大口径尧高工压
和深覆土的主选管材袁同时袁也正因为PCCP口径
大尧内压高袁其一旦发生破坏袁可能会造成灾难性的
后果遥美国Mehdi S. Zarghamee 等人通过对PCCP
断丝管的现场试验和有限元分析袁总结了与断丝数
量尧使用年限有关的用于评估管道剩余承载力的风
险压力曲线袁并提出了PCCP 断丝管的修复方法[2]遥
Gregory J. Henry等人总结了美国休斯顿市PCCP破
坏的原因袁发现主要是由于钢丝氢脆或腐蚀尧内部
腐蚀尧接头过紧以及外荷载过载等现象引起了氢脆
性断丝破坏[3]遥窦铁生尧燕家琪将PCCP 的破坏模式
分为环向和纵向破坏袁分别从设计尧制造尧安装尧环
境和运行等方面分析了PCCP破坏的原因[4]遥窦铁
生尧胡赫通过有限元模拟研究了PCCP 断丝数量对
内压承载力的影响袁发现随着断丝率的升高袁PCCP
承载能力降低袁断丝区混凝土首先出现受拉开裂[5]遥
本文总结美国PCCP 统计数据袁分析PCCP 各环节
发生破坏的原因袁归纳针对性的保护措施遥
1 PCCP 破坏模式
PCCP 破坏模式有环向破坏和纵向破坏两种[4]袁
其主要破坏模式如下院
环向破坏院超压寅涂层开裂寅钢丝暴露在水环
境中寅钢丝腐蚀并断裂寅压力转移至钢筒寅管芯
开裂寅钢筒暴露在水环境中寅钢筒腐蚀寅PCCP 破
坏至失效遥
纵向破坏院管道移动寅管道连接处破坏寅管芯
混凝土环向开裂寅钢筒腐蚀寅钢筒屈服或破坏寅
PCCP渗漏和破坏遥
2 PCCP 破坏分类与样本统计
2.1 PCCP破坏分类
美国给水工程协会AWWA RF 报告[6]为了统计
PCCP破坏事故的数据袁将已发生的PCCP 破坏按管
道损伤程度分为三类院
破坏类别1院管道发生严重破裂和泄漏袁管道基
本完全失效遥
预应力钢筒混凝土管损伤破坏及防治措施
张海鹏1袁程冰清2袁3袁窦铁生2袁3袁赵丽君2袁3袁董晓农2袁3
渊1.北京市南水北调干线管理处袁1001952曰水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100038曰
3.中国水利水电科学研究院袁北京100038冤
摘要院由于预应力钢筒混凝土管渊PCCP冤具有耐久性尧抗老化尧防腐性能好等优点袁近几年在国内大型引水尧调
水工程中得到了广泛应用遥但随着使用年限的增加袁管道发生损伤破坏的风险也会增加遥无论是设计尧制造尧运行等环
节出现问题袁都可能对PCCP 正常运行造成安全隐患遥本文总结了美国PCCP 破坏样本统计数据袁对PCCP各环节
可能的破坏原因进行了分析袁归纳了针对性的保护措施袁可为管道的安全评价和修复/更换方案提供参考遥
关键词院预应力钢筒混凝土管渊PCCP冤曰统计数据曰破坏原因曰措施
Abstract: As PCCP has excellent qualities, such as durability, anti-aging and anti-corrosion performance, in recent
years, it is widely used in large-scale water diversion projects in China. But like other pipes, with its service life increasing,
the risk of damage to pipelines increases too. Whether there is a problem in each part, such as design, manufacturing,
inspection, operation, etc., it may cause safety hazards to the normal operation of PCCP. To provide a reference for pipeline
safety evaluation and repair/replacement solutions, the PCCP failure sample statistics are summarized, the causes of PCCP
damage from each part are analyzed and the corresponding effective measures to prevent PCCP damage are concluded.
Key words: Prestressed Concrete Cylinder Pipe(PCCP)曰Statistics曰Damage causes曰Measures
中图分类号院TU528.73 文献标识码院A doi:10.19761/j.1000-4637.2019.05.036.04
圆园19年第5期混凝土与水泥制品圆园19 晕燥.5
5 月悦匀陨晕粤悦韵晕悦砸耘栽耘粤晕阅悦耘酝耘晕栽孕砸韵阅哉悦栽杂May
- 36 -
破坏类别2院通过定期检查或监测设备发
现的显著结构性老化或结构存有缺陷遥
破坏类别3院因超过使用年限仍在使用的
管道破坏袁需通过检测之后进行全部或部分
的管道替换遥
2.2 PCCP样本统计
美国最早在1940~1979 年执行ASTM
A227叶机械弹簧用冷拉钢丝规格曳袁其中袁规定
了PCCP制造采用的预应力钢丝袁在1979 年
以后袁执行了ASTM A648叶预应力混凝土管用
冷拉钢丝的标准规范曳袁根据预应力钢丝的成
分含量袁以及不同直径的抗拉强度将预应力
钢丝分为三个等级袁分别是玉尧域尧芋等级遥
Interpace 公司开发了郁等级钢丝袁并用于
PCCP 生产制造袁郁等级钢丝虽具有较高的抗
拉强度袁但比等级域尧芋钢丝更容易发生脆性
破坏遥在1942~2006 年间袁美国共发生399 次爆管
事故袁事故率达到十万分之五袁这些事故给美国
PCCP 行业造成沉重的打击遥图1 为AWWA RF 报
告[6]中根据钢丝等级分类的PCCP 破坏统计数据直
方图遥该直方图类别1 和类别2 和3破坏的样本数
量分别是397 和25809遥左边轴的白色柱体代表类
别1 破坏频率袁右边轴的花纹柱体代表类别2 和3
破坏频率袁X 轴为钢丝等级遥由图可知出袁破坏类别
1 最高频率出现在郁等级钢丝袁第二高的破坏频率
出现在域等级钢丝遥对于破坏类别和2 和3袁最高频
率也出现在郁等级钢丝袁第二高的破坏频率出现在
芋等级钢丝遥报告中破坏类别2 和3出现频率最小
的是域等级钢丝遥
图2 为按制造年代分类的PCCP失效率袁左边
轴的白色柱体代表类别1 破坏导致的PCCP 失效
率袁右边轴的花纹柱体代表类别2 和3 破坏导致的
PCCP 失效率遥由图2 中失效率的趋势可知袁
Interpace 管破坏类别1 导致的失效率最大值出现在
1972~1978 年时期袁所有样本的类别2 和3 导致的
失效率最大值也出现在1972~1978 年时期遥20 世纪
70 年代袁Interpace 公司生产的PCCP管道因钢丝和
砂浆保护层质量问题袁在美国东部造成了多起管道
失效事故遥与此同时袁在美国西部袁部分PCCP 的安
装环境为野干冶尧野湿冶交替的环境袁由于设计人员没
有考虑到此类环境条件的影响袁也出现了一些
PCCP 管道失效事故遥
3 PCCP 破坏原因
PCCP 需同时承受较高的内水压和外荷载袁为
保证其在寿命使用期的正常运行袁必须从设计尧制
造尧检查尧安装尧运行尧周围环境等方面层层把关袁以
下是可能会造成PCCP破坏的六大原因遥
3.1 设计
设计问题一般包括设计使用不适合的标准袁不
符合实际工程需求袁设计荷载组合选取不当袁以及
选取不当的设计或工作荷载尧不合理的安全系数
等袁设计的防腐措施达不到要求袁造成预应力钢丝
断裂袁管道过早破坏遥
另外袁设计也需要考虑端部的细节问题袁如接
头的缺陷也会直接导致PCCP的破坏袁接头处砂浆
涂层开裂会将接头钢环暴露于腐蚀性土壤中遥一旦
接头钢环开始腐蚀袁就会造成PCCP出现膨胀袁从而
使砂浆涂层开裂加剧袁使钢丝和钢筒暴露于同样的
土壤和地下水环境中遥静水压试验中压力超过规定
的设计压力和设计冲击压力也会导致砂浆涂层裂
缝不能自然愈合遥
3.2 制造
制造问题主要包括选用的材料达不到设计要
图1 按钢丝等级分类的PCCP破坏统计数据直方图
渊AWWA RF 4034 报告统计数据冤
图2 按制造年代分类的PCCP失效率统计数据直方图
渊AWWA RF 4034 报告统计数据冤
破坏类别1渊样本数量=397冤
200 破坏类别 2和 3渊样本数量=25 809冤
160
120
80
40
0
10 000
8 000
6 000
4 000
2 000
0 等级玉等级域等级芋等级郁
钢丝等级
类别1破坏
类别2和3破坏
35
30
25
20
15
10
50
20
16
12
8
4
0
制造年代
张海鹏袁程冰清袁窦铁生袁等预应力钢筒混凝土管损伤破坏及防治措施
- 37 -
求和制造操作达不到技术要求遥如配套接头的尺寸
不匹配引起的接头处的泄漏曰焊接技术粗糙导致钢
筒接缝处与钢筒和连接环之间的缺陷遥
渊1冤砂浆
砂浆保护层是保护预应力钢丝免受外界环境
腐蚀的屏障袁低密度尧低厚度和低水泥含量的砂浆
都会导致钢丝腐蚀遥若砂浆出现多孔或厚度不够的
问题会大大增加腐蚀性介质过早接触到钢丝的概
率袁提高钢丝的腐蚀率袁从而影响管道的使用寿命遥
渊2冤钢丝
在预应力钢丝加工制造过程中袁钢丝在短时间
完成抽拉需达到300~371 益的高温袁若设备冷却能
力不够尧磷化质量不佳尧润滑不好袁工艺顺序或是操
作不当都会造成拉拔力过大尧线材过热等问题袁使
钢丝线材产生有害拉拔应力袁易使钢丝因氢脆问题
发生突然脆断遥钢丝等级越高越易发生脆性破坏遥
渊3冤管芯混凝土
管芯混凝土蠕变和收缩过度会导致管芯混凝
土开裂袁造成管芯蠕变和收缩过度的原因较多袁如
水灰比过高尧细骨料含量过多尧在施加预应力前混
凝土管芯的硬化不够或不适当遥
3.3 检查
在管道出厂前袁厂家需按标准要求检查管道的
各向指标是否达标遥管道运到现场后袁需进行现场
检查袁检查管道是否存在明显的结构破损尧管道的
预应力损失值是否在允许范围内尧接头涂层是否受
损尧接头的配套垫圈是否合格等遥
3.4 安装
安装步骤需严密遵守安装手册上的要求和规
定袁且需考虑实际工程条件补充其他必要措施袁保
证管道的成功安装遥通常出现的安装问题有垫层和
回填土的压实度没有达到要求曰另外袁管道的错误
安装袁如管道安放位置的设计安全系数或强度不足
渊指每根PCCP需按特定位置的要求设计袁而不适合
安装在其它任何地方冤遥
3.5 运行
运行不当引起的压力过快变化袁土荷载尧活荷
载尧瞬时压力超载都可能会造成多根管道破坏袁对
管线产生不良影响遥对于已存在断丝的PCCP袁小于
设计水锤压力的瞬态波也会对其造成破坏遥
预应力钢丝发生氢脆破坏的两个主要原因如
下院淤阴极野过度保护冶袁在钢丝表面析出氢原子曰于
钢丝表面接触到腐蚀性介质发生化学腐蚀袁造成氢
原子析出遥钢丝的一般腐蚀会导致钢丝断口截面减
小袁而氢脆破坏一般从微小的裂纹/缺陷开始发展袁
钢丝断口截面大小基本保持不变遥
3.6 其他周围环境问题
对PCCP中的钢丝而言袁其主要环境介质是混
凝土遥由于混凝土不能完全隔离钢丝与外部环境中
的水接触袁当环境介质满足以下三个条件时钢丝发
生脆性破坏概率将提高[7]院淤有水存在曰于氯离子含
量超过7伊10-6渊引起钢丝敏化作用冤曰盂单体氧充足遥
对于PCCP而言袁其周围环境是土壤袁不同地区的土
壤尧地表/地下水渗透尧生活污水尧农业化肥尧温度尧湿
度差别都较大袁当土壤中氯离子含量较大尧硫酸盐
含量较高尧存在杂散电流等情况时都可能加速促使
钢丝的失效遥
4 防治措施
PCCP 的破坏通常从外表面开始袁即砂浆保护
层开裂之后袁钢丝暴露于周围环境腐蚀性介质中袁
钢丝发生断裂袁从而造成管道损伤遥例如处于沙漠
地区的利比亚大人工河工程袁虽然其含水率较低袁
但氯离子也会通过渗漏进入砂浆袁使得管道发生腐
蚀遥为保证管道在使用寿命期间安全尧稳定地运行袁
需对各个环节严格监控袁同时袁根据工程的实际需
求袁需采取相应地措施延缓PCCP进一步的劣化遥
4.1 设计
设计需充分考虑实际工程现场的需求袁选择合
理的设计荷载组合和安全系数袁对于腐蚀性环境袁
需采取针对性的设计防腐措施袁如在有腐蚀性介质
存在的环境中袁建议增加环氧煤沥青防腐涂层袁由
于其附着力较好袁极限延伸率大于砂浆涂层袁相当
于在管道外侧的隔离层袁加强砂浆对钢丝的保护效
果遥对于存在杂散电流的土壤环境袁可在管道表面
涂抹特殊的绝缘层袁将管道和外界可能的电流通路
隔离开袁防止外界电流的干扰遥
4.2 制造
生产制造管道的厂家都应使每个单位长度的
管道达到最高质量水平袁并与设计要求保持一致遥
4.2.1 砂浆
砂浆保护层是保护预应力钢丝免受外界环境
腐蚀的屏障袁需选用密实度高尧抗渗性好的砂浆遥可
通过改进喷涂设备提高砂浆保护层的密实性袁降低
其渗透能力袁以阻止或延缓环境侵蚀介质渊如氯化
物等冤对预应力钢丝的侵蚀遥砂浆的配合比不应大
于1颐3袁增加水泥用量可增强钢丝的碱性环境袁并加
厚钝化膜的厚度遥砂浆涂层厚度需达到设计要求袁
且涂抹均匀袁禁止使用硫铝酸盐水泥制作保护层遥
4.2.2 钢丝
为了防止在钢丝中产生有害拉拔应力袁在预应
圆园19年第5期混凝土与水泥制品总第277 期
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力钢丝缠丝过程中袁需保证工艺和操作步骤规范袁
控制好钢丝的冷拉过程袁防止抽拉过快袁同时袁需避
免热量过高尧抗拉强度过高袁且注意缠丝均匀袁不能
缠丝过密遥另外袁为了防止预应力钢丝的腐蚀袁可对
预应力钢丝表面进行人工钝化处理遥
4.2.3 管芯混凝土
通过在拌合物中使用掺合料及外加剂来提高
混凝土性能袁以降低混凝土的氯离子的渗透性袁增
加混凝土电阻率袁从而延缓预应力钢丝的腐蚀遥
4.3 检查
按规范要求做好管道的出厂前检查和现场检
查袁针对钢丝的氢脆问题袁做好氢脆化灵敏性测试袁
避免钢丝氢脆化问题袁同时袁从源头减少PCCP 中钢
丝的氢原子侵袭问题袁采取稳定化处理消除或明显
减轻钢丝的氢脆敏感性倾向遥
4.4 安装
提高管道的安装质量要求袁严格控制沟槽的平
整度尧垫层的厚度尧回填土的夯实要求等袁严格要求
施工现场的质量袁监管不过关可能会使管道日后的
运行存在安全隐患遥
4.5 运行
运行过程中禁止管道超载遥对于预应力钢丝的
电化学腐蚀问题袁可采用阴极保护的方式袁阴极保
护是金属管道中使用较广的防止电化学腐蚀的有
效措施袁但采用阴极保护措施应谨慎确定阴极保护
的电位范围袁不适当的阴极保护可能会加速钢丝的
腐蚀袁增加钢丝的恶化率遥
5 结论
渊1冤PCCP 的破坏模式分为环向破坏和纵向破
坏两种袁造成环向破坏的主要原因是超压袁纵向破
坏的主要原因是管道移动遥
渊2冤美国AWWA RF 报告按照管道损伤程度
将PCCP 破坏分为三类遥美国PCCP 样本统计数据
显示袁美国PCCP 三种类别破坏的最高频率都出现
在郁等级钢丝袁三种类别破坏的最高频率都发生在
20 世纪70 年代遥
渊3冤PCCP 破坏原因主要包括设计尧制造尧检
查尧安装尧运行尧周围环境等方面袁需从各个方面仔
细分析袁采取针对性的防治措施遥
参考文献院
[1] 中华人民共和国水利部.SL 702要2015 预应力钢筒混凝
土管道技术规范[S].北京:中国水利水电出版社,2015.
[2] Mehdi S Z,Rasko P O.Risk Assessment and Repair Priority
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[3] Gregory J H.Condition Assessment Priorities for City of
Houston[J].Pipelines,2007,73:1-10.
[4] 窦铁生,燕家琪.预应力钢筒混凝土管(PCCP)的破坏模式
及原因分析[J].混凝土与水泥制品,2014(1):29-33.
[5] 窦铁生,胡赫,杨进新,等.PCCP 断丝数量对内压承载力的
影响[J].混凝土与水泥制品,2015(7):35-37.
[6] AWWA.Failure of Prestressed Concrete Cylinder Pipe [R]援
AWWA Research Foundation,2008援
[7]胡坚石.预应力钢丝的应力腐蚀[J].金属制品,2002,28(2):5-8.
收稿日期院2018-10-15
作者简介院张海鹏渊1972-冤袁男袁博士尧高级工程师遥
联系电话院13701390623
E-mail:492795133@qq.com
张海鹏袁程冰清袁窦铁生袁等预应力钢筒混凝土管损伤破坏及防治措施
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