输水管线选材的泛主流思考

1、输水管线选材的泛主流思考 沈之基（上海市自来水公司 上海原水股份有限公司，上海200085）摘要：PCCP和输水钢管这二种管材，现在的主流评价及应用实际，是处于不公平的状态。信息不对称和不报忧规则使PCCP处于过分的优势态。美国九十年代实际上已经不看好PCCP，而中国却由此开始成为世界PCCP生产使用量最高的国家。PCCP失效是产品设计理念存在先天隐蔽性缺陷，水泥砂浆保护层裂缝不可避免。输水钢管自取被动，经历了三次被动。现在采用技术相对落后或不合适输水钢管个性，低技术状态下竞争中没有底气。钢管进入主动的已经开始。球铁管竞争力平衡点正在上升。美国球铁管公司已经建立钢管公司生产钢管。球铁管、输水钢

2、管、PCCP都需要在创新中提升。关键词：PCCP 输水钢管 球铁管 不公平 被动 平衡点Extensive Mainstream thinking for Selection of Water Pipeline Materialshen zhi ji （SHANGHAI WATERWORKS CO.,SHANGHAI MUNICIPAL RAW WATER CO.,LTD  200085）Abstract：Currrently,the mainstream evaluation and application for PCCP and steel water delivery pip

3、e is in a state of unfair. PCCP material is at an advangtage situation due to asymmetric information and rules of report only the good news. Actually, from 90's, US started to down on PCCP material, but China began to become the biggest PCCP consumer in the world. The failure of PCCP is due to t

4、he hiding inborn defect in design concept. Cement mortar layer crack is inevitable. Water delivery steel pipe takes passive position, and have experienced three passive times. Now the technology is relatively backward or inappropriate personality for water conveyance pipe.No power and spirit of comp

5、etition in low technology state.Balance point of Ductile iron pipes competitive is on the rise, iron pipe companies in the United States has already set up steel pipe company. Ductile iron pipe, water delivery steel pipe, PCCP , all of them need ascenKeywords: PCCP、water delivery steel pipe、Duc

6、tile iron pipes 、Not fair 、 passiveity 、balance  point0.前言 曾在中国输水管线市场中风光一度的玻璃钢管，因爆裂事故多且其实际输水能力不像介绍时那样好，同行已经都认为它不合适作埋设大口径输水管线，只能在污水排放和强腐蚀介质领域中发挥；球铁管在中国多年来一直是公认的安全性最高、施工最方便的输水管材，但它的用铁量随着管口径的增大，以近似二次函数关系上升，大口径球铁管因用铁量多而价格非常高，当管线口径大于1.2米时，通常会因价格因素而忍痛割爱；对DN2000以上的输水管线来说，钢管与PCCP成为二种最有竞争力的管材。去年开始，PCCP失

7、效事件和美国因失效多而不再生产使用的信息，在中国慢慢地得到传开，球铁管、钢管、PCCP在中国输水管线的市场占有，将发生令人惊讶的变局。1. 目前对二种管材的主流评价及应用实际PCCP是能承受高工压的优质管材，它既具钢管的抗内压、抗渗的优良性能，又有混凝土管的抗外压、耐腐蚀等优点，它可以有50年的设计使用寿命；因为采用了高强度钢丝（设计允许应力为普通钢板的5倍）承担内外负载，故能做到用铁量少，从而达到价格较低；其使用寿命比钢管长一倍以上 。 在我国自引黄工程成功应用起，目前已在全国各地得到广泛使用；其缺点是重量大，运输条件高且费用大，埋设施工也需要配备重型机具。钢管能承受很高内压、外压，是安全性

8、很高的管材，它用材经济又重量轻，在运输、施工、价格多方面有吸引力；它可切割焊接，能较方便地成型，可胜任场地条件复杂的工程，PCCP的管件就是用钢管加工制作的；其缺点是防腐要求高，现场焊接难度大、工期长、费用高，通常认为它的寿命仅二、三十年。当管线建设在广阔野外，PCCP管线因管材的价格较低，工程量也大，其综合造价通常也就低于钢管线，所以近年许多长距离引水管线就选用PCCP，如南水北调工程中很多口径4.0米管线用了PCCP；在城市化地区建设管线，常常因PCCP重量大,运输条件不达标而难以选用PCCP，结果更多地选用钢管。 上述的主流评价和应用实际可以大概地表明输水管材现在的市场占有实际，可是可以

9、说，这样的评价和应用是不公平的状态。2.信息不对称和不报忧规则使PCCP处于过分的优势态2.1信息不对称2.1.1九十年代美国已经不看好PCCP到上世纪八十年代，美国众多的PCCP爆裂失效事件，已经使人们不得不对它再研讨；九十年代初，美国自来水协会研究基金会（AwwaRF）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(1)。报告表明，二十年来，PCCP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13.6公里）；美国现在基本上已经不再生产PCCP，向中国和大人工河输出

10、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（1.2）。 所以九十年代在美国，实际上PCCP已经不为大城市水务机构看好；例如，笔者96年有机会到美国加利福尼亚水资源部访问，当提出学习PCCP应用经验时，接待的工程部长就表示，应该优先考虑使用钢管，并提供一个大口径PCCP管线爆裂材料（3）。 2.1.2 中国只听美国开发商的叫好声音，优先采用PCCP。 种种原因，直到新世纪，中国专家和有关决策者还是没用听到北美、欧洲大用户的意见或没有重视这些大用户的意见，听到只有美国开发商的叫好声音；山西万家寨引水工程应用PCCP成功的示范、南水北调决策应用4

11、.0米PCCP的引导，发改委文件明确表示DN1200以上输水管材优先采用PCCP，一系列自然行进的过程，使几年前曾有PCCP公司破产被收购案例的中国，一下子成为世界PCCP生产使用量最高的国家。2.2 不报忧规则 中国有很多管线发生爆裂，但少有报道。中国不报忧规则到处发挥作用。例如一个发生PCCP严厉爆裂的供水工程，管理者希望知道事件的专家，如发表有关文章不要提及，因为领导会不高兴，群众会注意而引起麻烦。2.3 PCCP失效是产品设计理念存在先天隐蔽性缺陷2.3.1 水泥砂浆保护层裂缝不可避免，510年后就发生管爆裂PCCP标准规定，砂浆保护层不允许有任何可见裂缝，实际情况砂浆保护层种种裂缝不

12、可避免。保护层是在管芯缠绕钢丝后，在无内压状态下成形、养生、定型的 ；运行或试压时，这个绕钢丝管芯将承受内压，有内压时同无内压时相比，整个构造应该有小小的“膨胀”，这个膨胀有将保护层涨裂倾向，是保护层裂缝生成源头且无法避开。标准规定，管芯的最小厚度是内径的1/16，按圆管管壁环向应力理论计算公式，同砂浆抗拉极限强度相应的管道内压承压约为0.625MPa，管道内压超出0.625MPa，就有可能引起水泥砂浆保护层产生微裂缝。变形迭加原理认为，最薄弱处将产生最大变形；一旦开裂，最薄弱处就成为其他部分变形能释放优先部位，微裂缝渐渐合并最终形成表面裂缝或较大裂缝。也就是说，微细裂缝、可见裂缝在运行内压作

13、用下，很快归合为有害裂缝。当土壤为有腐蚀性场合，钢丝腐蚀发生，510年后就发生管爆裂，美国、非洲、中国，都经历了这样的结果(1，2).2.3.2 产品设计理念存在先天隐蔽性缺陷对防护层裂缝，美国标准AWWA C304的附录中是这样提及的：文献对混凝土和砂浆的裂缝有二种观点，一是变形量假设，另一是变形迭加。该标准对二种观点未经充分展开，就采信变形量假设观点来校核裂缝。 6.48倍虚拟抗拉应力不符合实际 美国采用了变形量假设观点，这种观点认为保护层受高于砂浆抗拉强度的拉伸就产生肉眼不能见的微裂缝，而可见裂缝变形量为微裂缝8倍，此时保护层虚拟抗拉应力为砂浆抗拉强度8倍；标准规定保护层裂

14、缝校核方法，采用相当6.48倍水泥砂浆抗拉强度的变形量或虚拟抗拉应力，只要内外负载产生的变形量或抗拉应力小于这个假设变形量或虚拟抗拉应力，保护裂缝校核就可以通过。按这种观点推算，内压在实体管上要达到4.0Mpa以上保护层才出现可见裂缝。通常外压产生的应力相当内压应力总是低于1.5 Mpa，设计内压总是远低于2.5Mpa，所以在这样的假设条件下，计算校核总是通过。 中国标准采用保护层应变量设计参数4.0或5.0. 中国行业标准 CECS140:2011 给水排水工程埋地预应力混凝土管和钢筒混凝土管管道结构设计规程，采信美国标准观点，参照美国标准，设计了保护层应变量设计参数4.0及5

15、.0。这个系数虽然较美国提高了门槛，但多数情况下计算校核同样总是通过。2.3.3 中国PCCP保护层实际。 中国最早引进美国生产线的PCCP公司，曾经对内压同保护层裂缝做过专门的研究，结果是试验内压达到1.8Mp时，在试压验过程中保护层就将出可见裂缝。美国、中国采信这个变形量假设观点是不切合事实的. PCCP只有在运行和试验内压都低于0.625MPa或非腐蚀性土壤条件下，钢丝才可以不发生腐蚀，有100年寿命。2.4 先行者做了什么最近一位在美华人学者告诉我，在2012年土木工程学会（ASCE ）管道会议的PCCP 论坛中，参会的各PCCP大用户供水公司的工程师都说，PCCP已经不再在他们考虑中

16、。主要的考虑因素：过高的失效后果（对第三方的破坏会涉及高昂的赔偿问题），管道生命后期的检测和维修费用过高。还有一个因素就是PCCP 破坏的不可预测性和突发性。虽然PCCP预应力钢筋的断裂可以用AFO系统实时监测，但有时候即使发现了也来不及反应，而且监测系统昂贵。相比而言，steel pipe(钢管)的破坏模式相对简单，比较可控。相应的维修也简单。所以现在新的主干管道考虑钢管。最近美国土木工程学会的网站发布论文中，就有最先进的实时在线检测技术没有能给予风险指示而突然发生爆裂的报告。一个报告说，接口附近的钢丝断裂检测系统不能反映，所以一个在实时在线检测系统监测下的管线突然发生爆裂；一个报告说，如果

17、PCCP没有充分预应力, 断线时就不能产生明显的、AFO系统能捕捉到的噪声，一个 60-in. PCCP，安装了AFO系统，但还是突然发生爆裂，没有给予予警（4）。 向中国输出PCCP技术的阿美隆公司，在停产PCCP后，很快开发了预应力混凝土钢管，也是带柔性接口的，这是钢管的升级产品，也是PCCP升级产品。3.输水钢管自取被动 输水钢管因其安全经济特性，现今在中国输水工程中得到广泛应用；但同其他管材，如球铁管、PCCP，油气钢管相比较，其安全经济特性和得到的应用程度是不相称的。3.1 三次被动3.1.1自以为是、放弃引进学习，这是第一次被动。上世纪八、九十年代，是中国大量引进国外技术

18、时期。球铁管、PCCP、油气钢管引进了国外技术设备，同时也自然地接受了国外的标准规范和理念。消化并发展，中国很快就成了世界球铁管、PCCP、油气钢管年生产使用量最高国家。输水钢管当时有点自以为是，自认为我自己能做，没有引进技术设备，也就没有接受国外的标准规范和理念，失去了同球铁管、PCCP，油气钢管同步发展的机会。3.1.2借鉴学习油气钢管时期缺乏自主思考，这是第二次被动。油气钢管技术的全面引进和消化，使中国已油气钢管技术同世界先进水平接轨。输水钢管在借鉴学习油气钢管技术时，对二者的共性认可有点过分，对二者的不同个性却缺乏必要关注，结果就忽视了输水钢管技术近二十来年的最重要发展。3.1.3对被

19、过分贬低少有底气应对，这是第三次被动。信息高度不对称造成不公平的竞争环境，PCCP加强了对钢管的贬低，造价被抛高、寿命被低估。3.2 现在用技术相对落后或不合适输水钢管个性，3.2.1 中国输水钢管的短板没有重视自己个性油气钢管技术的全面引进和消化，使中国油气钢管已经同世界先进水平接轨。输水钢管技术借力油气钢管技术也得到了提升，油气钢管技术许多技术在输水钢管得到应用，成型焊接和防腐方面几乎是整体借用；但有关输水钢管个性的技术，油气钢管是不可能提供的，这就是接口技术中的承插焊接和柔性接口技术。由于油气粘度高，输送距离长，油气钢管的工作压力远远高于输水钢管，所以油气钢管的管厚非常厚，管端形状较固定

20、，管线连接只有对接焊接才是合适的。非常高工作压力也只有焊接密封能适应。输水钢管工作压力相对较低，口径又更大，因此管厚相对薄，管端容易变形，对口困难。管线连接如果采用对接焊接虽然可以，但难度远高于油气钢管。正因为输水钢管管端容易变形，也就提供了可以将管端较方便地加工成承插口的机会，可以采用承插焊连接或柔性接口连接。3.2.2 对接焊接在高内压时才采用下面图4、5取于美国自来水协会编制的钢管设计安装手册(AWWA M11)。协会成员，一个以输水钢管为主打产品的钢管公司，对这做了更具体的说明。对接焊接，在工作压力等于或高于2.8Mpa，管厚等于或高于19毫米情况下才采用；这个界限下的钢管连接，是承插

21、焊接或柔性接口；对口径2.0米以下、管厚9.5毫米以下、工作压力1.72Mpa以下（瞬时压可以2.59Mpa）的输水钢管，柔性接口（滚槽式）是首选连接。对管厚较高者，冷加工成型较费力者，用承插焊或卡内基柔性接口。图4 承插焊接口 图5 滾槽式柔性接口和卡内基接口 英国输水钢管标准，二十年前就将接口技术专列一章；新世纪，欧盟标准，专门制订了一个输水钢管接口标准，并将柔性接口列入。3.3低技术下没有底气3.3.1 不敢采用中国标准规范的设计管厚国外大口径输水钢管，在同样工况下，设计厚度是中国传统厚度的一半到三分之二，中国不敢牟然接受这样理念这是完全正常的；可是按中国规范设计计算得到厚度，至今也没有

22、在设计中采用过；例如：DN2200、工作压力0.6Mpa、覆土2.0米，按中国规范计算得到厚度是1012毫米，这个计算厚度中国工程师也不敢或不愿意采用；这种保守倾向也就为唱好PCCP的经济性提供了机会；在一个PCCP开发商的上市公司可行性报告中，这样工况下钢管厚度是1820毫米，将钢管用材较规范计算厚度抛高约80%，由此得到PCCP的价格是钢管的60%，较钢管经济，PCCP也得到了可观的利益空间。3.3.2 对寿命问题不敢说50年。中国的城市供水实践已经非常确实地表明，水泥砂浆混凝土的铸铁管、球铁管、钢管，有50年以上寿命，这不是理论设计寿命，是有几千、几万公里的大大小小运行管线证明的。可是面

23、对PCCP专家、开发商的输水钢管寿命只有二、三十年的贬低，不声不响。小口径镀锌钢管确实腐蚀厉害，有的寿命十年也不到，但不能将两者混同。 钢管是PCCP的不可少的支持 ，PCCP管线中配件和特殊管，都是用钢管或钢管再加工的。几十公里长的管线，只要一个管件出问题，整个管线都得停下，中国的PCCP开发商和专家，将钢管说成寿命只有二、三十年，忘记了自己管线中的配件和特殊管是什么，实际上是在伤害自己。3.3.3 不敢说我是更安全的八十年代大口径输水钢管在中国引水工程大量采用，自以为是的粗放操作，使现场对接焊缝难以全部做好，现场焊缝开裂的事故不少，于是输水钢管就蒙上了容易爆裂的阴影。输水钢管在近20年中吸

24、收了许多新技术，特别是吸收并发展了球铁管的滑入式柔性接口技术，现场对接焊缝可以完全不用，如需要采用也有条件化更高代价精心制作，现场焊缝开裂的事故已经成为过去。现在美国输水钢管首选连接是柔性接口，欧盟近年为输水钢管单独制订了一个接口标准，将柔性接口列入并规范。采用新技术的钢管，它的失效模式不可能是爆裂，只能是穿孔漏水，这已经为国内外大量采用性能较低老技术钢管运行实践所证明的；对主要失效模式是爆裂的PCCP，钢管完全有底气说，我更安全。3.4 输水钢管进入主动的已经开始给水排水工程管道结构设计规范（征求意见稿）已经出台，看来定稿实施不长时间就会到来。新稿增加许多新条文，对钢管经济管厚、寿命、安全性

25、作了更明确肯定。如5.1.5 柔性管“可不考虑外压荷载产生的轴压力荷载效应”， 这样管厚将更经济。5.2.8对于柔性接口的管道“规定可只验算管道环向荷载效应”，这不仅肯定了柔性接口的应用，也有利于更经济管厚。3.0.5 确定“地下干管的管道结构设计使用年限不应低于50年 ”，这对钢管只有二、三十年的贬低作了最好回答。中国大钢管公司很多，一直只注意利益较高的油气管。其中有些公司对发展新型输水钢管也有兴趣，主要担心没有规范支持，不敢领先冲出。当征求意见稿出台，担心没有规范支持的问题得到解决，2米以上大口径钢管可以采用比现在经济很多的管厚。只要有一个公司认识到，做出一个工程，那一定会发生PCCP的发

26、展情况，2003年一个大工程（山西引黄）成功，处于困境甚至有公司宣布破产的PCCP行业，一下子就有几十个新公司出现。钢管这个发展更容易发生完成，因为已经有很多有生产能力的公司。4.球铁管竞争力正在提升4.1 球铁管竞争力平衡点4.1.1美国的平衡点 美国早在几十年前，一些大城市供水系统DN900以上口径管线，从经济性考虑，不采用球铁管而采用PCCP或钢管，有的城市全部为PCCP，有的城市全部为钢管，也有城市二者都用（3）；这表明在美国，DN900是当时的平衡点。4.1.2 中国的平衡点2005年国家发改委文件发布“节水技术政策大纲，其中有“DN1200以上口径输水管材优先采用PCCP”条款，可以认为这是中国当时的平衡点。4.1.3最新的平衡点去年来，中国PCCP失效事件和美国因PCCP失效而不再生产使用的信息，在中国慢慢传开.由此，PCCP必须增加环氧煤沥青外保护层、阴极保护等附加措施、还要考虑在线监测，PCCP管线价格上升，这给球铁管在较大口径管线应用提供了机会。通过提高管基的支持能力，可以采用更经济的管厚的实践已经开始，据说，最近已经有DN1800工程，球铁管同PCCP竞争中，球铁管已经以价格优势胜出。4.2球铁管需要创新突破球铁管是浇注工艺制作的，口径越大，尺寸公差就越大且难达到要求，这是造成大口径球铁管用材多的一个最重要原因，是必须创