沈之基，鄭小明（.上海原水股份有限公司，上海 00085；.中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會科學技術委員會管道技術部，上海 0400）

美國PCCP管的失效及對中國給水管道應用的警示

沈之基1，鄭小明2
（1.上海原水股份有限公司，上海 200085；2.中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會科學技術委員會管道技術部，上海 201400）

PCCP管很高的失效可能性和失效的災難性，已導致美國現(xiàn)在已經(jīng)不再生產(chǎn)PCCP管。向中國輸出技術的阿美隆公司、普賴斯兄弟公司已經(jīng)停產(chǎn)關閉。美國的水務機構已經(jīng)對自己系統(tǒng)中的PCCP采取降壓、審核運行、內(nèi)外部檢查及修復或更換管道等等行動。PCCP管主要失效模式是鋼絲腐蝕管爆裂，保護鋼絲的水泥砂漿防護層自身脆弱，運行中得不到保護，它的壽命成為 PCCP管壽命的決定因素；高內(nèi)壓的大口徑PCCP管線“膨脹量”大，特別危險。

輸水管；PCCP管；失效；鋼絲腐蝕

1 PCCP管在中國的應用

近十年來，PCCP管在中國迅猛發(fā)展，據(jù)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計報告，2010年，中國年生產(chǎn)能力已突破3000km，年生產(chǎn)量達到1500km（美國最高年產(chǎn)量在1971年，為3，563，327英尺，約1100km），累計使用量已達8000公里。中國現(xiàn)在已是PCCP管年生產(chǎn)使用量世界最高的國家。

國家發(fā)改委、水利部、建設部等七部委，2005年聯(lián)合發(fā)布的“中國節(jié)水技術政策大綱”明示，DN 1200以上口徑的輸水管線優(yōu)先采用PCCP。

引進這項技術以來，中國幾乎所有介紹文章都接受這樣的論斷:PCCP是鋼管和混凝土壓力管兩者優(yōu)勢組合、經(jīng)濟且耐蝕。中國PCCP專家近年在很多篇文章中稱PCCP壽命可達100年。

2 PCCP管在美國的應用及失效

2.1 PCCP管的爆裂損壞問題已經(jīng)非常突出

美國是PCCP管的先行者，美國自來水協(xié)會研究基金會（AwwaRF）在2008年發(fā)布了“PCCP失效”專題報告，并“希望這個結果將應用于整個世界”。

由于PCCP的較高的失效可能性，它的性能在很長一段時間以來，是水務當局感興趣的問題。約20年前，美國自來水協(xié)會研究基金會和國家墾務局就曾啟動了研究“預應力混凝土管的性能”的項目，可惜的是報告沒有公布；2008年，AwwaRF終于發(fā)布了“PCCP失效”的研究報告。這個研究項目開始于一個調(diào)查，美國十余個地區(qū)或城市的水務機構參與這個項目調(diào)查研究，如:國家墾務局、加州水資源部和休斯敦、達拉斯、圣地亞哥等等大城市水務部門，因此報告能夠?qū)Ρ泵繮CCP性能有代表作用。報告的目標是對失效作統(tǒng)計分析和開發(fā)一個評估模型，

調(diào)查研究結果，美國自上世紀40年代開始到2006年，累計生產(chǎn)使用PCCP約30000km，項目研究者已經(jīng)知道的美國PCCP失效事件:

第1類別失效（災難性破裂和泄漏Catastrophic ruptures and 1eaks），有435個；第2類別失效（嚴重劣化或結構弱化—通過檢查看到的Significant deteriorati on or structura1 weakness discerned by inspection）和第3類別（服務能力減少—暫停服務，完全或部分替代Loss of service-Time out of service、Fu11 or partia1 rep1acement）的失效有35662個。

這些失效發(fā)生年份，第1類平均值為 13.95年，第2、3類失效為16.75年。

30000km PCCP管線，發(fā)生435個第1類別失效，35662個第2類別和第3類別的失效，從數(shù)字上看，同其他管材相比也不是特別嚴重；不過，考慮到使用的PCCP口徑較大，失效管線幾乎都在30英寸（相當 DN 750）以上；失效的主要模式是爆裂，失效發(fā)生時間在投入運行后十多年，不是很長；所以從后果看，PCCP失效是嚴重的，需要認真應對。報告對美國PCCP的失效和失效率采用了“令人驚訝”的表達，這應該是合適的，這也就能理解為什么美國水務機構這么重視PCCP失效，理解為什么基金會“希望這個結果將應用于整個世界”。

2.2 世界最大的PCCP管工程已經(jīng)發(fā)生多次爆裂，大量管段急需積極的修復

上世紀九十年代利比亞的“非洲大人工河”工程采用4.0m口徑PCCP，工作壓力為2.8Mpa，總長3300km（雙線），由美國和韓國合作建造；這個巨大工程，是國際上PCCP技術經(jīng)濟優(yōu)秀的最有力案例。該工程于1984年啟動，1996年完成。是號稱世界奇跡的大工程。

2001年到2005年時，這個“運行良好”工程已經(jīng)發(fā)生5次爆裂；對部分管線（大約1000km）經(jīng)過檢測，2011年已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鋼絲斷裂35000根，急需制定積極的修復計劃?，F(xiàn)在這個工程，數(shù)千節(jié)管段需要維修或更換，余下的管道需要進行狀態(tài)評估。自1991年的第一期工程完成并運行到2001年爆裂發(fā)生，只有10年；到2011年數(shù)千節(jié)管段需要維修或更換，是20年。

2.3 中國PCCP管也已有爆裂事件

中國PCCP管已經(jīng)有多個運行僅僅幾年就發(fā)生爆裂的案例，但這些失效事故沒有引起用戶、開發(fā)商和設計單位的重視；有關責任部門也許認為這是發(fā)展過快、品質(zhì)失控造成個別特例，也沒有給予應有的關注；只有不多的深受其害的爆裂用戶，對自己的經(jīng)過發(fā)表了文章（2）。

寧夏某水務公司八年前使用了幾十公里的DN 800PCCP管，已經(jīng)發(fā)生了多次爆裂，經(jīng)檢測已有五十多處出現(xiàn)鋼絲斷裂，發(fā)生爆裂停水事故的概率大大上升，已經(jīng)嚴重影響該水務公司的安全運行。

3 美國已經(jīng)重新認識PCCP管并采取行動

美國，世界上使用最多的國家，也是中國P CC P技術的引進源頭，已經(jīng)對PCCP管有了新的認識和行動，

3.1 生產(chǎn)商逐步停產(chǎn)或關閉

二十年來，PCCP管生產(chǎn)量逐年減少，到2006年，年產(chǎn)量不到高峰時 2%，僅 44.535英尺（約13.6km）；美國現(xiàn)在基本上已經(jīng)不再生產(chǎn)PCCP管，向中國和大人工河輸出技術的阿美隆公司（Ameron）、普賴斯兄弟公司（Price Brothers），已經(jīng)停產(chǎn)或關閉。圖1顯示了美國PCCP生產(chǎn)量逐年減少情況。

圖1 美國PCCP生產(chǎn)量逐年減少情況

3.2 水務機構對系統(tǒng)中PCCP管采取的補救行動

雖然有十多個水務機構是參與了項目，但他們對于項目的目標——對失效統(tǒng)計分析和開發(fā)評估模型并不滿足，他們的實際行動是:

（1）開發(fā)一個基于風險的評估方案，以確定用戶的PCCP最大失效風險。

（2）降低操作壓力到低于被鋼筒約束管芯的開裂應力。

（3）審查該PCCP用戶的管線運行實踐，以確保由于流量變化和閥門關閉時，不發(fā)生壓力驟變。

（4）進行無損評價。如內(nèi)部檢查尋找裂紋和分層等等。

（5）進行管的外部檢查，通過挖掘和視覺檢查管子。

通過調(diào)查和風險評估，再結合腐蝕和其他評估結果，對需要矯正的管道考慮:

（a）選擇部分的管道做結構性恢復；（b）選擇部分的管道，移除或替換；（c）更換這條管道。

上面行動第一條是研究項目的目標，水務機構同項目目標一致并接受；而降壓、審核運行、內(nèi)外部檢查及修復或更換管道等等行動是遠遠超過項目目標的，這樣的積極主動行為，顯示了美國水務機構的責任心。

現(xiàn)在向PCCP管內(nèi)襯里鋼管或碳纖維的技術得到發(fā)展，不僅美國城市水務采用，北美的墨西哥大口徑PCCP管線也已經(jīng)進行這樣的修復工作。

4 對PCCP管的失效原因解析

因信息有限，難以明白美國不再生產(chǎn)使用P CC P的全面情況和細節(jié)，難以對美國的這個變化做出切實的深入理解。這里從中國實際出發(fā)，在對中國PCCP發(fā)展過程了解的基礎上，以管道技術工作的經(jīng)驗、供水業(yè)主立場視角，對PCCP的性能和未來作出分析。

PCCP具有經(jīng)濟和耐腐蝕特點，其核心手段是采用高強度鋼絲和預應力技術。鋼絲的設計應力是鋼管鋼材的5倍以上，由此節(jié)約了鋼材而取得經(jīng)濟性；混凝土和砂漿包裹鋼絲和鋼筒，由此取得了耐腐蝕。這些是發(fā)展這個產(chǎn)品時開發(fā)人員的期望，也是這個產(chǎn)品投入運行一段時間內(nèi)的表現(xiàn)；但是隨著時間推移，PCCP的實際表現(xiàn)同期望有很大的差異，原來的耐腐蝕方面的優(yōu)勢并不如設計理想。

4.1 水泥層耐腐蝕、壽命長的解讀—襯里層同外保護層有不同

4.1.1鑄鐵水管采用水泥砂漿襯里層有50～100年的壽命。

水泥砂漿襯里層對輸水鑄鐵管、鋼管提供50年以上的安全服務，可以有50～100年的壽命，這是已經(jīng)有眾多事實證明并得到公認的；水泥砂漿襯里涂層，在同它接觸的鐵、鋼表面形成PH 12的環(huán)境，鐵鋼鈍化，所以能確保鐵鋼不發(fā)生腐蝕；這里要指出，這樣環(huán)境能形成并保持，首先條件是涂層穩(wěn)定，不發(fā)生裂縫、脫離；鑄鐵管、鋼管運行時，所有的內(nèi)外負載都由鐵鋼筒體承擔，筒體傳遞給襯里層的應力非常之小；筒體在外，涂層在內(nèi)，筒體保護著涂層，內(nèi)壓有利于水深入涂層細部，水泥顆粒的水化作用繼續(xù)，涂層更加致密，細小裂縫還可自己愈合；內(nèi)壓還有利于涂層同管壁結合。襯里層保護了管道內(nèi)壁，管道保護了襯里，這就是內(nèi)襯水泥砂漿層能長期保護管道內(nèi)壁的原因。

4.1.2PCCP管水泥保護層自身得不到保護，難以為鋼絲提供可靠保護

水泥砂漿襯里層對鑄鐵管、鋼管可以提供50年以上的安全服務，但水泥砂漿保護PCCP鋼絲、鋼筒，也可以提供50年以上的壽命，是值得推敲的。

這是由于PCCP管線運行時雖然內(nèi)外負載主要都由鋼絲、鋼筒承擔，但因鋼絲鋼筒在內(nèi)，脆性的水泥保護層在外，保護層自身得不到保護，所有的內(nèi)外負載以及運輸、吊裝時的震動、碰撞，全部都是產(chǎn)生裂縫和發(fā)展裂縫的誘因，傷害保護層；保護層外部環(huán)境復雜，如干濕交替、土壤含有傷害保護層成分等等，不一定能為鋼絲形成保護環(huán)境。襯里層和保護層，雖然同樣是水泥砂漿覆蓋鋼材表面，但二者的處境不一樣，能夠發(fā)揮的作用也就不一樣。實踐表明，PCCP管保護層同鑄鐵管襯里層所處條件不同，難有同樣壽命。

4.2 高內(nèi)壓、大口徑的管線應用風險

PCCP管的水泥保護層是管芯、鋼絲在無內(nèi)壓狀態(tài)下成形、養(yǎng)生的，運行時高內(nèi)壓會使管道有小小的“膨脹”，這個膨脹有將保護層脹裂傾向，是裂縫生成的主要源頭且無法避開；膨脹量同內(nèi)壓成正比關系，同口徑也成正比關系，所以高內(nèi)壓大口徑的PCCP管特別危險。在保護層外做環(huán)氧樹脂等涂層，對因膨脹而產(chǎn)生的裂縫，也很難起到阻止作用；同樣，陰極保護也對膨脹而產(chǎn)生的裂縫，不能有阻止作用。大人工河工程設計內(nèi)壓達到2.8Mpa，對水管來說是較高的內(nèi)壓，上海供水系統(tǒng)的水廠出廠管，內(nèi)壓都在0.5Mpa以下，所以高內(nèi)壓應該是大人工河工程出現(xiàn)多次爆裂和幾萬根鋼絲斷裂的主要原因。

美國失效研究報告中提到，美國水務機構一致認為“水壓試驗”和“水擊”是PCCP管線失效的二個“肇事者”，這也就是水務機構對自己系統(tǒng)中的P CC P管線采取降壓、校核運行措施的原因。這也表明高內(nèi)壓對大口徑PCCP這樣的產(chǎn)品是不合適的。

4.3 保守設計的低內(nèi)壓管線可以有較長使用壽命

如果一定要使PCCP管使用壽命達到100年，早期設計要留有余地。鋼絲設計應力不宜大于極限強度45%、運行內(nèi)壓低、埋設環(huán)境好，這樣條件下的PCCP管，其保護層就會大大減少發(fā)生有害裂縫，管線就可以有很長壽命。國內(nèi)在管表面涂裝環(huán)氧煤瀝青，也是保護外層水泥的一種方法。

但案例只能說明可能性存在，不能因為有了10年就發(fā)生爆裂的案例，就將它作為壽命只能是10年依據(jù)或證明；也不能因為可能有運行100年的案例，就堅持壽命可以有100年的說法。就P CC P這個產(chǎn)品來說，美國的 PCCP失效研究報告，做了這些深入和了解工作，最后得到結果是:失效的核心原因是鋼絲腐蝕斷裂，這樣的結果應該是可以成立的，可以拿來借鑒的。大人工河案例，也將失效的核心原因指向了鋼絲斷裂。我們認為，認真深入研究PCCP的鋼絲斷裂，是有實際意義的。

雖然美國失效報告中沒有直接說，美國水務機構今后不再用PCCP了；但是他們的降壓、審核運行、內(nèi)外部檢查及修復或更換管道等等行動，實際上表達他們對PCCP管的態(tài)度，這也是阿美隆公司（Ameron）、普賴斯兄弟公司（Price Brothers），停產(chǎn)關閉的最重原因之一。

5 對中國管材應用的警示

20年前中國從美國引進了PCCP管技術，目前生產(chǎn)量已經(jīng)是世界第一，大量的PCCP管應用于供水、（給）排水和水力電力系統(tǒng)，并且以其經(jīng)濟性和資源型的特點在大力推廣，但前人之轍理應成為我們的寶貴財富，今天美國對PCCP管的新認識和態(tài)度對中國業(yè)界是一個很好的警示。

（1）對于正在設計建設的高內(nèi)壓大口徑 PCCP管線，建議在信息對稱的條件下，再度評估工程決策和設計，決定繼續(xù)原來設計還是重新設計，把握好設計關。

（2）對于已建設運行的PCCP管線，特別是高內(nèi)壓大口徑管線，建議抓緊進行設計復核、校核運行條件、開展內(nèi)外部檢測，按檢測結果采取相應的防范和補救措施。這是確保已經(jīng)建設管線正常安全運行一個必要的環(huán)節(jié)，把握好應用關。

（3）應重視向中國提供技術的美國公司已經(jīng)停產(chǎn)關閉的事實，深入對其停產(chǎn)關閉原因及細節(jié)的了解，全面比照中國的現(xiàn)狀條件，才能對自己產(chǎn)品的完善、提升做出正確判定，把握好產(chǎn)品質(zhì)量關。

（4）設計研究單位應該對美國PCCP管的應用現(xiàn)狀、大人工河案例開展研究討論，收集更多信息，關心中國工程應用，為用戶、開發(fā)商提供更多的信息支持。

［1］Awwa Research Foundation Fai1ureof Prestressed Concrete Cy1inder Pipe Copyright 2008 by Awwa Research Foundation.

［2］沈之基.PCCP在中國的發(fā)展和討論—應給鋼管一些注意［J］.給水排水，2005（12）.

TV 49

：C

：1672-2469（2015）03-0001-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.001

沈之基（1941年—），男，高級工程師。