美国标准一个细节出错PCCP失效解析

1、 PCCP失效解析美国结构设计标准一个细节有错 沈之基 (上海市自来水公司, 上海原水股份有限公司 200085) 摘要： PCCP主要失效模式是钢丝腐蚀管爆裂，防护层裂缝是钢丝腐蚀主要原因；防护层裂缝不可避免，产品结构设计中存在先天隐蔽性缺陷；高内压的大口径PCCP管线“膨胀量”大，特别危险。信息高度不对称，造成不公平的竞争环境和结果。美国主流的管道设计已经不再考虑PCCP。失效信息在中国慢慢传开，输水管线市场将出现大变局。关键词： PCCP 、失效 、钢丝腐蚀 、砂浆防护层、防护层裂缝、断裂 、爆裂、 钢管 Parsing of PCCP failure- A mistake in det

2、ail of American structure design standardShen Zhi ji (SHANGHAI WATERWORKS CO., SHANGHAIMUNICIPALRAWWATERCO.,LTD 200085）Abstract：The main failure mode of PCCP is main pipe burst due to fracture of the prestressing wires caused by corrosion. Thecracking of mortar coating which is used to protect prest

3、ressing wire is inevitable. It is inherent and hidden defects in design concept. High internal pressure and large diameter pipeline is particular dangerous. Highly unbalanced information, caused the unfair competition environment and results. In the United States has, PCCP is no longer in the consid

4、eration for mainstream design of transmission mains. The failure information spread slowly, water pipeline market will begin to change。Keywords: PCCP, failure, steel wire corrosion, mortar protective layer , protective layer crack, fracture, burst, steel pipe0.前言 PCCP能够经济，其核心手段是采用高强度钢丝和预应力技术。钢丝的设计应力

5、是钢管钢材的5倍以上，由此节约了钢材而取得经济性。 PCCP能够耐腐蚀，是因为主要受力元素-钢丝，有砂浆保护层保护。砂浆保护层能充分保护钢丝，这是发展这个产品时开发人员的期望，也是这个产品投入运行一段时间内的表现；但是随着时间推移，大量的管线运行实践表明，PCCP中钢丝容易腐蚀，其结果是管爆裂（1、2）。新构造的实际表现同开发期望有极大的差异。1.主要失效模式是钢丝腐蚀管爆裂，防护层裂缝是钢丝腐蚀主要原因。PCCP主要失效模式是爆裂，是钢丝腐蚀断裂引起，这已经得到大量运行实践证明并为行业公认。钢丝腐蚀断裂原因，可以列举很多。因为腐蚀本质上是腐蚀电池或杂散电流运动结果，所以通常总会自然地将“土壤

6、有腐蚀性介质（含杂散电流）、保护层裂缝”看成是钢丝腐蚀的二个必要条件和主要原因，是二者交集才发生腐蚀，这二个主要原因实际作用是怎么样的，哪一个实际作用更大一些，现在有二种观点。1.1. 腐蚀性介质说 这种观点紧紧抓住腐蚀断裂是腐蚀电池或杂散电流运动结果这个事实，对土壤有腐蚀性介质、杂散电流特别看重，认为土壤有腐蚀性介质时，才需要采取对应措施。如果土壤没有腐蚀性介质等，那保护层即使有裂缝，裂缝处因砂浆提供了高碱性环境，钢丝表面被钝化而不会腐蚀，就不需要采用防腐蚀措施。对策的重心也就自然针对腐蚀性介质：如采用环氧煤沥青涂覆管道外壁，加阴极保护措施；这种观点无论在理论上还是实践上，都可以认为是有效果

7、、可操作的；但其最大不足是效力不高而且不彻底，做了这么多的努力，结果还是对钢丝的腐蚀不放心，还要再对运行中PCCP钢丝状况, 采取实时监测的措施，而这个实时监测的进行也需要化很大力气和费用。中国现在以南水北调工程为主导的水利系统，就接受这样观点并行动的。1.2.保护层裂缝说 如果问，钢丝腐蚀为何发生在这个管子而不是相邻的管子，为何发生在这个管子的这个局部而不是这个管子的其他部位，这显然不能从“土壤有腐蚀性介质、杂散电流影响”中得到回答；回答只能是这个部位最利于腐蚀电池生成、运动，或者这个部位杂散电流最 “通畅”，这个部位就是保护层裂缝最厉害的地方。不发生钢丝腐蚀的“相邻的管子”、 “管子的其他

8、部位”,自然是保护层处于相对完好状态。同样的土壤腐蚀环境，保护层裂缝处钢丝腐蚀，保护层完好处，钢丝就就不发生腐蚀，这表明保护层裂缝对决定钢丝是否腐蚀更有力。对PCCP来说，土壤有腐蚀性介质是外来的因素，多数情况下总是会遇到，只能采用应对措施；保护层裂缝是产品自身的因素，是应该首先自律的。中国城镇供水系统的同行，现在多数已经接受这样观点（2）。2水泥砂浆保护层裂缝不可避免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可避免。水泥砂浆保护层脆、抗拉强度低，一定强度的冲击、拉伸就会出现裂缝。即使工厂中PCCP保护层完好的，出厂后运输吊装中的碰撞、震动，铺设运行后承受的

9、内外负载，都将是产生裂缝的原因。在这些原因中，碰撞、震动等等只要认真措施是可以避免产生伤害的，最厉害的是内压，因为它和它产生的伤害无法避免。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约为0.625MPa，这就是说，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

10、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，微细裂缝在运行内压持续作用下，能归合为可见裂缝、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）。3. 美国结构设计标准存在先天隐蔽性缺陷对防护层裂缝，美国标准AWWA C304的附录A.10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，就在标准正文中采信变形量假设观点来校核裂缝。3.1 6.48倍虚拟抗拉应力使校核如同虚设。 变形量假设观点认为，保护层

11、受高于砂浆抗拉强度的拉伸，就会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40Mpa以上保护层才出现可见裂缝；外压产生的拉应力大多数情况相当内压作用0.31.5Mpa之间，而通常管线设计内压总是低于2.5Mpa，所以在这样的假设条件下，计算校核总是通过，如同虚设。3.2 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

12、 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5.0。也就是说，保护层能够承受的拉应力为保护层极限抗拉强度的4.0或5.0倍，只要内外负载作用下产生的拉应力不大于这个虚拟抗拉应力，保护层裂缝校核就算通过。这个虚拟抗拉应力相应实体管内压约2.5Mpa以上；虽然较美国标准是提高了门槛，但大多数情况下，同样计算校核总是通过。3.3 变形量假设观点是先天隐蔽性缺陷 砂浆抗拉强度时的变形量8倍时才出现可见裂缝的假设，这是在尺寸相对较小的试块试验上，进行理想化处理才得到的一种结果，只能作为一种研究

13、方法，不具有工程应用能力，在PCCP这样的大尺寸构件，更是不能简单采用。实体管内压试验时，通常内压达到1.8Mp，就可看到可见裂缝出现，即内压1.8Mp时，变形迭加在几十分钟内就完成；运行管线因持续受内压作用, 0.81.0Mpa就处于危险（大人工河一期设计内压就是0.81.0Mpa，已爆裂5次）；美国、中国采信这个不切合事实的假设，实际上就放过了砂浆保护层先天隐蔽性缺陷。4. 高内压、大口径的管线特别危险。运行时高内压会使管道有小小的“膨胀“，膨胀量同内压成正比关系，同口径也成正比关系，所以高内压大口径的PCCP特别危险。在保护层外做环氧树脂等涂层，对因膨胀而产生的裂缝，起不到有力阻止作用；

14、同样，阴极保护也对膨胀而产生的裂缝，也不能有阻止作用。可以说，PCCP不合适在内压等于或大于0.8MPa 的工况下应用，特别是口径又在1.0米以上者。美国PCCP失效研究报告(1)，对PCCP管道风险评估开发了简易评估和长整评估二个模式，前者对设计、制造、检验和运行管理等方面，提出5个问题进行访问、评分，而后者则提出了30多个问题。项目组用长整评估模式对22条管线进行评估，检查长整模式的评估成绩。评估结果是引人深思的。得分低的管线有许多严重问题是自然的，但好奇的是那些得到高分的管线仍然经历了失效。这是因为模式对每个问题的评分权重是一样的，实际上这些问题中可以有一个或几个，其他正面的分量不能覆盖

15、它，它决定着失效的发生。水务机构的思路是：有着特别的权重的问题是过度的水击压力。检查它们的合同文件，作为设计条件的水击或水压试验，没有足够的考虑。一致认为这两个问题是失效的“肇事者。美国水务机构这个“一致认为”，为发现“较高内压是砂浆保护层产生裂缝最主要原因”作出了关键性的贡献。当大用户明白了这件事，自然也就不再接受PCCP，美国PCCP开发商只能停产或关闭（1）。5. 保守设计的低内压PCCP管线可以有很长寿命 一定可以有寿命100年 的PCCP。早期设计保守（钢丝设计应力为极限强度45%）、运行内压低、埋设环境好，这样的条件下PCCP，其“膨胀量”相当小，保护层就不会发生有害裂缝，钢丝就不

16、会腐蚀断裂，管线就可以有很长寿命，100年的寿命。6. 信息高度不对称，造成在不公平的竞争环境和结果。6.1 九十年代美国已经不看好PCCP到上世纪八十年代，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）。美国十余个地区或城市的水务机构，如：国家垦务局、加州水资源部和休斯敦、达拉斯、圣地亚哥等等大城市水务，都参与这个研究项目。所以九十年代在美国，PCCP年生产使用量已经大大下降，不为大城

17、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）。6.2 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4.0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

18、界PCCP生产使用量最高的国家。信息的高度不对称，使一个已经不被看好、几年后就停产的产品，在中国有最好机会。7. 国内外实施对策的讨论 7.1 国外实施对策的概况 美国的水务机构已经对自己系统中的PCCP，采取降压、审核运行、检查及修复或更换管道等等行动。对正在建设的管线，只能采用增加防腐蚀能力办法，如：环氧煤沥青涂层、阴极保护、提高砂浆保护层质量等补救措施. 这是可行的办法，但也是无可奈何不得已的办法。 对新建管线，已经不再采用PCCP而采用钢管，钢管产品进一步提升，如美国阿美隆公司停产PCCP后，开发了预应力混凝土村里钢管，是钢管的升级产品，也是PCCP升级产品。 最近一位在美华人学者告诉

19、我，在2012年的ASCE（美国土木工程师学会） 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在说，PCCP已经不再在他们考虑中。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光纤声波（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

20、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）。2014年10月，中国混凝土与水泥制品协会组织考察团到北美，考察主要内容是：混凝土与水泥制品尤其是PCCP管道在北美的制造技术和应用情况，国内主要PCCP生产公司都积极参与。访问了一个美国PCCP大用户-华盛顿卫生委员会（WSSC），这位在美华人正巧由WSSC安排为考察团访

21、问作翻译，他在和我的交流中说，WSSC在介绍爆裂案例、风险控制后，明确地表示了对新建管线不再考虑PCCP。可惜的是考察团没有带回这个信息，考察报告带回的是：对于大口径（1800以上）管线，PCCP还是最为合适的管材（5）。7.2 中国实施情况 对于已经运行管线中国现在正参照国外经验展开工作，如中国西部某供水工程，请专业检测公司检测管线的钢丝腐蚀情况，按腐蚀情况采用相应措施，如：管箍加固、阴极保护等。对于在建管线 ，中国学习国外在建管线的办法，也采用环氧煤沥青涂层、阴极保护、提高砂浆保护层质量等措施。对于新建管线，中国没有自主的积极态度，现在是选择了国外在建管线的无可奈何对策；对国外新建管线对策及背景，不调查消化就继续高调PCCP，甚为可惜。8.结束语 细节决定成败，在结构设计中处于配角地位的保护层裂缝校核，采用了错误的变形量假设，使较高内压下保护层必然出现可见裂缝、有害裂缝的事实被隐蔽；运行管线中实际内压接近设计内压的管段，当钢丝因腐蚀断裂而少于设计给定，将难以承受设计给定的内外负载，发生爆裂或处于爆裂临界；制作、施工、运