关于PCCP设计、制造、使用方面的一些体会

　　无锡华毅管道有限公司创建于1994年，是由中、港共同投资的合资企业，公司地址原位于无锡市青祁路103号，2004年6月迁入新厂址无锡市东亭开发区春晖中路18号。公司主要生产设备从美国Ameron 公司引进，配套了部分国产设备，生产线于1994年建成投产，至今已有十多年，十多年来共生产了各种中大口径PCCP500多公里。产品销售区域有江苏、浙江、上海、江西、安徽、山东、广东、山西、北京、湖南、福建、黑龙江、吉林、辽宁等省市。最大口径为Φ3600，这10多年来我们主要在引进设备的消化吸收方面、国外先进的PCCP标准如美国的AWWAC301、C304的学习、理解、使用方面、新型的管道接口型式的开发方面、产品质量的巩固提高方面做了一些工作。有过教训，也有了一些经验、体会。

 

　　PCCP的裂缝一般都在管内壁，主要是环向及螺旋向裂缝，这些裂缝是必然产生的。原因是内壁混凝土是素混凝土，混凝土中有大量的凝胶体，凝胶体伴有大量结晶水，当周围环境比较干燥时结晶水逸出，混凝土表面由于失水而必然产生收缩应力，进而产生干缩裂缝。有些裂缝产生钢筒的接缝处（指螺旋向裂缝），这不仅与混凝土的干缩有关系，也与混凝土层的厚度有变化、应力应变不一致有关系。关于PCCP管的裂缝，美国的C301标准是这样规定的，“内表面环向裂缝或螺旋状裂缝的宽度不大于1.5mm无需修补可以予以认可。而对于裂缝宽度大于1.5mm的环向裂缝也可以不修补但必须向买方提供令人满意的关于裂缝在长期泡水过程中自愈合的证据。”我们的国家标准GB/T19685比C301稍严格一点，“管内表面出现的螺旋状和环状裂缝不得大于0.25mm，距管端300mm以内的环向裂缝宽度不得大于0.4mm（大于则允许修补）。”尽管裂缝的产生是必然的、标准是允许的、经长期泡水后是会自愈合的，但要把这些东西给业主、监理解释清楚是非常费劲的，业主总希望购买没有裂缝的管子，那么我们就应该努力降低裂缝数量，减小裂缝宽度。根据我们的经验，有以下几个途径可以尽量做到上述目的：①提高管芯混凝土用水泥的强度等级，降低单位体积混凝土的水泥用量，如C40级砼，可以用32.5的水泥配置，但为了降低水泥用量，应优先采用42.5的水泥。②应对拌制混凝土时水泥的的温度和浇筑管芯时混凝土拌合物的温度加以控制，美国的C301标准规定，拌制混凝土时水泥的温度不应超过66°C，浇筑混凝土管芯时混凝土拌合物的温度不应超过32°C。③减少管子的卧放时间，降低管子的通风条件，经常浇水使内表面保持湿润，延缓凝胶体结晶水的逸出过程，减小表面干缩裂缝的数量和宽度。④对于立式振动成型时插口端混凝土由于振动的原因，上部的石子下沉，砂浆上浮，在插口端会形成富含砂浆的区段。这里的水泥含量较高，容易产生较宽的裂缝。应该用配比正确的砼置换掉部分已经形成的砂浆层，也可以用洁净的石子填充砂浆层，石子的数量和填充的工艺应事先确定，确保每颗石子都被水泥砂包裹，石子的填充不应对砼强度产生不利影响。⑤应对拌制混凝土用水泥的C3A含量提出要求，C3A的水化热和收缩率是其他矿物水化热的数倍，因此用C3A含量较大的早强水泥浇筑的混凝土容易因早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂。

 

 

　　PCCP的承插口尺寸无疑是PCCP产品质量方面的最重要的技术指标，PCCP成品的承插口精度越高，安装越是方便。承插口的质量控制有以下几点内容：①承口板板厚的测量必须测量3点以上，避免由于承口板两端板厚尺寸变化而影响承口环内径的精度；②必须充分考虑到由于缠绕预应力钢丝而使管芯混凝土产生应力应变，这样的应变会对管子的承插口尺寸产生较大的影响，特别是对于承口内径，工作压力越高，缠丝面积越大，承口内径缩小的量也越大，有些高工压的管子承口内径单层缠丝的回缩值可达2mm，这样的量值必须在制造承口圈时就预先放大，缠丝回缩后使承口内径刚好在范围之内。承口的缠丝回缩值与管芯砼的强度也有关系，强度越高回缩值越小，缠丝回缩值必须事先计算，计算方法可以按材料力学的应力应变计算公式进行。除承口会变形外，插口外径也会因缠丝而变化。与承口内径不同的是插口外径会因缠丝而变大，变化的量较小，没有承口那么有规律，也不是所有的管子插口都会因缠丝而变大，这种变化一般发生在管子缠丝面积较大、离管子插口端面160ـــ200mm范围内产生的较大的环向裂缝，这时插口外径就有变大的趋势，其量一般不超过0.5mm。

 

　　近几年来一些供水工程由于项目较大，业主同时选用了两家或两家以上的PCCP制造商同时供货，这样就发现几家的PCCP插口型钢是采用相同尺寸的型材，接口直径也相同，但胶圈尺寸差了很多，在此我把我们公司的胶圈的计算方法介绍一下。我们知道PCCP胶圈必须具有足够的体积充分填满管子接头在安装就位后由插口凹槽和承口工作面形成的槽腔，使胶圈处于三维受压状态，具备较好的密封性能。那么如何确定插口凹槽的断面面积，固然可以通过理论计算、通过AutoCAD的面积计算功能求得凹槽的断面面积，但往往轧钢厂根据图纸轧出的型钢与图纸相比有一定的误差，我们是采用一定长度的型钢（40cm长）两端磨平后用钢板封住，在凹槽中填充橡皮泥，模拟橡胶圈在插口凹槽中的状态，表面修平后取出橡皮泥，用量筒或李氏瓶等类似器具测定橡皮泥的体积，进而求得插口凹槽的断面面积，再考虑适当的承插口间隙。从而可以求得所需要的橡胶圈的体积。通过确定胶圈的断面直径（一般为20mm）可以确定所需胶圈的周长。进货后应该检验胶圈的周长和断面直径，同样采用上述的体积法来测定胶圈断面的平均直径，从而求得整个胶圈的体积。这个体积应该填满前面所涉及的插口胶槽。

 

 

　　PCCP的预应力钢丝无疑是PCCP管体强度的保证，PCCP能用多少年关键是取决于预应力钢丝的寿命。因此预应力钢丝的保护是非常重要的。我们一般是采取以下几个措施来保护钢丝的：①缠丝及喷浆时在管芯表面喷射一层高浓度的水泥净浆，使预应力钢丝被完全包裹在高碱性的环境中，使钢丝表面出现钝化膜，从而保护预应力钢丝。②采用专用的锚具，使钢丝应力在第一圈内就从0增至全张力，避免钢丝密绕现象，确保每一圈钢丝都得到水泥砂浆的充分保护。③水泥砂浆保护层的制作也是保护预应力钢丝的一个重要环节。水泥砂浆的配比直接关系到砂浆保护层保护钢丝的效果，富含水泥的砂浆不仅能长久保持钢丝所在的高碱性环境，也是砂浆强度满足标准要求的必要条件。同时，根据C301标准规定新拌水泥砂浆的含水率必须保证在7%以上。这样制成的砂浆保护层不仅能满足C301标准规定的强度要求，也能满足其吸水率的要求。④缠丝及制作保护层时砼管芯的表面温度不应低于2ºC，我们有时在安装现场能发现一些兄弟单位制造的管子承插口两端砂浆保护层和砼管芯之间存在一整圈的裂缝，裂缝宽度在0.2mm左右，这种裂缝的存在会极大影响管子的耐久性。当管芯的表面温度低于0ºC时喷到管芯表面的水泥净浆中的水份会结冰，影响了水泥砂浆和砼管芯之向的粘结力。这种情况在我们南方不多见，在北方的制管厂应注意到这个问题。

 

　　PCCP是我们从国外引进的一项技术。至今已差不多有20年，PCCP这个产品我们认为还有很多新的东西值得我们去探索、研究。在此我列举两个问题，抛砖引玉，希望能和大家一起交流。

 

　　一是关于PCCP的内水压抗裂试验的问题，我们大家都做过不少PCCP的内水压抗裂试验，PCCP外壁的纵向裂缝一般都在插口端首先产生，随着压力的增大，裂缝慢慢地从插口端向承口端延伸。当完全伸展至承口端时的内水压力要比插口端刚产生裂缝时的内水压力高3～4kg/cm²左右，我们认为这是由于插口外露部分（160mm长）没有缠预应力钢丝，水压试验时插口外露部分的变形要比管身大，这个变形量就要叠加到插口端的管身上，使插口端的保护层应力增大，提前开裂，实际上整个管子就处于这种不等强状态。从某种意义上说这个管子或者说是不安全或者说是浪费了材料，这种现象的存在会影响管道的耐久性。那么是否可以采取措施不让插口端保护层提前开裂。我们做了相关的对比试验。试验采取了两根Φ2200的PCCP，采用Φ7高强丝，螺距23.3mm ,其中的第一根管子全管长钢丝螺距均为23.3mm，第二根管子插口端400mm 左右缠丝螺距改为20.3mm。做内水压试验时两根管子都在1.8MPa左右在插口端端面砼表面及保护层上首先出现裂缝。但两根管子随着压力的增高.裂缝的扩展速度不一样，当压力升至2.0MPa时，插口螺距加密的管子保护层上的裂缝长度约为300 mm，未加密的管子裂缝长度已超过1000mm。试验尽管没有达到阻止插口端保护层提前开裂的目的，但至少证明了插口螺距加密可以延缓裂缝的伸展速度。我们应该在这方面继续做一些工作，找出插口螺距加密的合适的量，螺距加密到多少比较合适，应该加密多少管身长度等等。关于内水压抗裂检验，按管道的放置形式可以分立式和卧式两种，需要注意的是立式进行时水压检验压力必须按顶部插口端的压力为准，这样底部承口端的压力实际上要比顶部多出0.5~0.6kg/cm²；卧式进行时一般来说管道都是放置在水平的混凝土梁上，相当于管重、管内水重及水压试验机重的支承角度是0°，这样必须充分考虑到这些荷载在管壁内产生的拉应力叠加到内水压力在管壁内产生的拉应力后对水压试验结果准确性的影响，特别是当管道仅由两个点支承时影响更大，这也是水压检验时裂缝的产生通常都是在管壁水平方向先开始的主要原因，可以考虑用弧形支座来减小这种不利影响。

 

　　二是铠装式抗拉接头的使用。2001年我们为山西省万家寨引黄工程设计了DN3000的PCCP铠装式抗拉接头，并且在我们公司做了1:1的模拟试验，试验采用2节DN3000mm的PCCP铠装管，管芯壁厚190mm，钢筒壁厚10mm，模拟实际情况将两节管子安装好，两端设置钢制堵盘，堵盘之间不用拉杆固定，靠三个铠装环把两节试验管和两个堵盘连接起来，最大试验压力达到1.06MPa，最大轴向拉力达到825吨。试验结果表明这样的铠装式抗拉接头其强度、刚度等性能都能满足工程使用要求。后来在引黄工程中也使用了400多节铠装管，钢筒壁原分3mm、2mm、1.5mm三种规格，这条管线已通水六年多时间，这表明铠装接头在工作压力下能够正常工作。但是我们不提倡在工程中大量使用铠装管，特别是一些工作压力较高或者是转弯角度太大的场合，应该在管线设计方面尽量地减小管线的转弯角度，减小轴向力。尽量使用止推墩或镇墩以及土壤的抗力来抵消管线的侧向推力，当实在因地形条件限制等情况下无法浇筑止推墩时才考虑使用铠装管，并且我们应尽快研究开发带纵向预应力的铠装管，特别是在要求钢筒厚度大于3mm的场合，更应予以考虑使用带纵向预应力的铠装管，以避免管身因纵向拉力过大而出现环裂的可能性。