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PCCP國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及創(chuàng)新發(fā)展探索（上篇）——PCCP國外發(fā)展?fàn)顩r
本期“技術(shù)交流”欄目刊載的是中國南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司原副總經(jīng)理、總工程師程德虎先生在2023年7月25日中國水利學(xué)會(huì)組織舉辦的“PCCP管線安全提升學(xué)術(shù)沙龍”（線上+線下）所作的主題報(bào)告，原標(biāo)題為《PCCP在國內(nèi)外發(fā)展及管線安全提升措施》，本次編輯修改標(biāo)題為《PCCP國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及創(chuàng)新發(fā)展探索》。由于文章較長，本編將全文分三期刊載：上篇－PCCP國外發(fā)展?fàn)顩r、中篇－PCCP國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r、下篇－PCCP創(chuàng)新發(fā)展探索。本期刊載的是上篇。歡迎讀者閱讀。
程德虎，現(xiàn)為水利部南水北調(diào)工程專家委員會(huì)委員、中國水利學(xué)會(huì)水工結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì)副主任委員、中國大壩工程學(xué)會(huì)水工混凝土建筑物檢測與修補(bǔ)加固專業(yè)委員會(huì)副主任委員，曾負(fù)責(zé)南水北調(diào)中線工程技術(shù)工作，主持開展了大流量U形渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工關(guān)鍵技術(shù)、穿黃隧洞全面加強(qiáng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)縫防水體系等設(shè)計(jì)優(yōu)化、膨脹土渠坡建設(shè)及運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)、PCCP管道設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)等研究工作。發(fā)表論文30篇，專著3部，獲得大禹水利科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，湖北省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，河南省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。
PCCP國外發(fā)展?fàn)顩r
預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）自上世紀(jì)八十年代末從美國引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和主要裝備，在中國落地至今已30多年，作為一種綜合性能優(yōu)良的壓力輸水管材，已經(jīng)成功應(yīng)用于國內(nèi)引黃入晉、南水北調(diào)等諸多跨流域的重大引調(diào)水工程。今天主要介紹其在國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及目前在PCCP創(chuàng)新發(fā)展方面所作的探索。
一、PCCP在國外的起源
1894年，法國Bonna公司的創(chuàng)始人Aime Bonna發(fā)明了帶鋼筒的混凝土管（無預(yù)應(yīng)力鋼絲），并申請(qǐng)了專利（見圖1）。1900年世界博覽會(huì)上此項(xiàng)發(fā)明獲得兩項(xiàng)金獎(jiǎng)。
1939年，法國邦納管道公司又增加了預(yù)應(yīng)力鋼絲，設(shè)計(jì)并制造了預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)。（參見圖2）
二、PCCP在北美的發(fā)展
1942年，美國國洛克昭公司引入上述技術(shù)工藝后成功制造出第一節(jié)內(nèi)襯式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP-L），以后在美國逐漸推廣，但多數(shù)是中等口徑的管材。
1952 年，美國艾美隆公司生產(chǎn)出第一節(jié)埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP-E），該公司相繼在不同時(shí)期根據(jù)工程的需要制作了大口徑PCCP，最大直徑達(dá)到6400mm。
1950-1970年，PCCP在美國發(fā)展很快，這期間，采用半經(jīng)驗(yàn)的“工作應(yīng)力控制法”對(duì)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋼絲用量相對(duì)較大。用于PCCP保護(hù)層的拌合砂漿能夠保證足夠的含水率，從而使砂漿保護(hù)層具有非常低的吸水率。因此，1970 年以前生產(chǎn)的PCCP至今表現(xiàn)仍然很好。
1970年到1980年，美國的PCCP迎來了生產(chǎn)高峰期，歐美主要制造商有：美國Ameron、Price Brothers、Interpace、Vianini公司、法國Bonna公司、意大利Casagrande公司等。
這一時(shí)期也經(jīng)歷了慘痛的教訓(xùn)。首先，因AWWA C301標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)鋼絲的抗拉強(qiáng)度設(shè)置上限，為了降低成本，美國的PCCP生產(chǎn)使用了高強(qiáng)度Ⅳ級(jí)鋼絲。特別是Interpace公司采用自己制造的快速拉拔法預(yù)應(yīng)力鋼絲，隨后其他的生產(chǎn)商也開始使用這種鋼絲，致使在腐蝕條件下產(chǎn)生氫脆和造成鋼絲脆斷。這些主要因素的結(jié)合導(dǎo)致了在20世紀(jì)70年代在美國生產(chǎn)的PCCP更快的失效，尤其是由Interpace公司生產(chǎn)的管道。見圖3。
圖3 Iterpace公司生產(chǎn)的PCCP失效管道項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)圖（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
1980-2000年，美國PCCP行業(yè)從教訓(xùn)中走出，對(duì)PCCP進(jìn)行研究和改進(jìn)：
美國PCCP行業(yè)對(duì)有關(guān)鋼絲、鋼絲動(dòng)態(tài)應(yīng)變老化機(jī)理以及如何預(yù)防做了很多研究；
當(dāng)管道鋪設(shè)在干濕交替的環(huán)境中時(shí)，如何采用防腐措施保護(hù)管道免受高濃度鹽的影響；
掌握了如何制造致密的砂漿保護(hù)層的方法；
全面禁止使用Ⅳ級(jí)鋼絲；
重新重視管材防腐蝕設(shè)計(jì)；
將上述相關(guān)成果寫進(jìn)了AWWA和ASTM的升級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中，PCCP 重新得到了認(rèn)可，自1984年以后生產(chǎn)的PCCP的失效率下降到幾乎為零。
三、ACPPA及PCCP成員狀況
美國混凝土壓力管協(xié)會(huì)，簡稱：ACPPA。
目前，北美有三家PCCP制造商，Decast LTD，Rinker Pipe, 和 Thompson Pipe Group-Pressure，他們目前都是ACPPA的成員。
Rinker Materials是美國最大的混凝土管（PCCP）、箱涵、預(yù)制件及相關(guān)產(chǎn)品的制造商。成立于1964年，擁有超過70家工廠，服務(wù)于超過35個(gè)州和加拿大東部省份。2017 年成為Quikrete Companies的一部分。在產(chǎn)品創(chuàng)新、產(chǎn)品質(zhì)量、安全性和客戶服務(wù)方面被公認(rèn)為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。
Thompson Pipe Group-Pressure （TPG）是美國最大的管道制造商之一，總部位于加利福尼亞州里亞托。TPG目前是最大、最多元化的排水、衛(wèi)生、壓力管道和非開挖管道供應(yīng)商，其生產(chǎn)基地遍布全國，不僅服務(wù)于美國，還服務(wù)于整個(gè)北美。主要產(chǎn)品包括鋼筋混凝土鋼筒管（ C300）、PCCP （C301）、非鋼筒型鋼筋混凝土壓力管（ C302）、鋼筋纏繞混凝土鋼筒管（ C303）、焊接鋼制壓力管（S-200）、玻璃纖維增強(qiáng)管、預(yù)制鋼筋混凝土箱涵、預(yù)制鋼筋混凝土管等。
四、PCCP在其他國家的發(fā)展
印度及中東地區(qū)阿曼公司目前在生產(chǎn)PCCP。
The Indian mume Pipe Co.Ltd是一家印度公司，其產(chǎn)品網(wǎng)站顯示生產(chǎn)PCCP。
圖4 The Indian mume Pipe Co.Ltd （圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
阿曼公司成立于1974年，是阿曼最大的制造公司之一，產(chǎn)品種類繁多，其有一條全自動(dòng)化生產(chǎn)線是目前國際最先進(jìn)的PCCP生產(chǎn)線。
五、國外PCCP失效率統(tǒng)計(jì)分析
1、美國水工協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)分析
美國水工協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)在1942年-2006年的65年中，美國共發(fā)生了399次爆管事故（數(shù)據(jù)來自AWWARF 4304報(bào)告“PCCP的失效破壞”）。美國爆管事故主要集中在 1970年-1980年；爆管的管材主要供應(yīng)商是Interpace公司；PCCP失效主要原因是采用了Ⅳ級(jí)鋼絲。
2、Pure公司的統(tǒng)計(jì)分析
加拿大Pure Technologies 公司（簡稱：Pure公司）上世紀(jì) 90 年代末以來，針對(duì) PCCP 給水和排水壓力管道斷絲破壞的識(shí)別和量化，實(shí)施了大量的檢測和監(jiān)測項(xiàng)目。
2012年P(guān)ure公司Michael S.Higgins等發(fā)表了一篇調(diào)研分析報(bào)告，Pure公司原中國區(qū)負(fù)責(zé)人王五平先生對(duì)該報(bào)告進(jìn)行了翻譯，報(bào)告名為《數(shù)據(jù)不會(huì)說謊——基于10年?duì)顟B(tài)評(píng)估數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的PCCP性能和劣化分析》。
該報(bào)告查閱的資料涉及美國和加拿大 55 個(gè)水務(wù)部門的 PCCP 電磁法檢測。統(tǒng)計(jì)結(jié)論基于在美國和加拿大安裝的PCCP，調(diào)查的管線直徑 400mm～4000mm，安裝時(shí)間從1952 年到 2004 年，數(shù)據(jù)調(diào)查涉及 676 千米PCCP。
AFO監(jiān)測數(shù)據(jù)庫包括 269 千米PCCP 管線，直徑 900mm～2600mm，安裝時(shí)間從1958 年到1990 年。
通過查閱電磁法檢測和聲監(jiān)測報(bào)告的數(shù)據(jù)庫，確定管道損壞比例，結(jié)果見表1。
報(bào)告指出，僅有3.9%的PCCP具有斷絲破壞的電磁特征，也就是說，96.1%的管道沒有損壞，處于“安全可靠” 的狀態(tài)。AFO報(bào)告中出現(xiàn)斷絲破壞的管道數(shù)量也占3.9%，與電磁法檢測結(jié)果一致。
查閱電磁法檢測的數(shù)據(jù)庫，確定斷絲破壞的比例與制造年份的相關(guān)性，結(jié)果見表2。
表2 按照不同AWWA標(biāo)準(zhǔn)制造的管道損壞率
與Bell/Romer的發(fā)現(xiàn)一致，1972年到1978年制造的PCCP 的損壞率比其它年代制造的管道高。
該報(bào)告最后得出以下結(jié)論：
平均損壞率和破壞等級(jí)：根據(jù)電磁法檢測和聲監(jiān)測結(jié)果，計(jì)算得到PCCP的平均損壞率為3.9%。而在受損管道中，占總數(shù)2.0%的管道損壞程度較低。這意味著，98.6%的 PCCP 管道沒有損壞，處于接近全新的狀態(tài)，損壞程度和失效風(fēng)險(xiǎn)低。
管道制造年份：1972年到1978年制造的管道損壞率最高。因?yàn)檫@一階段PCCP使用Ⅳ級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絲制造，鋼絲的質(zhì)量差。
3、幾種主要管材失效率對(duì)比
1990 年，美國開墾局（墾務(wù)局）調(diào)查報(bào)告各種類型管材失效率對(duì)比見圖5，從統(tǒng)計(jì)對(duì)比看 PCCP平均失效率（即PT,包括ECP/LCP）低于各種管材平均失效率，與鋼管（ST）相當(dāng)。
圖5 不同管材類型平均失效率
（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
六、近10年P(guān)CCP工程案例
1990 年后，美國汲取了Interpace公司使用Ⅳ級(jí)鋼絲的教訓(xùn)，重新評(píng)估了 PCCP的安全性，嚴(yán)格了原材料和制作標(biāo)準(zhǔn)，使PCCP供水項(xiàng)目建設(shè)重新進(jìn)入了快車道。
到21世紀(jì)初，美國各區(qū)的供水體系基本完善，PCCP供水項(xiàng)目建設(shè)速度放慢。
美國近10年P(guān)CCP供水項(xiàng)目案例：
（1）新的墨西哥灣沿岸泵站/PCCP管道-2020年
●項(xiàng)目名稱：新SRA海灣海岸分部水泵站的施工現(xiàn)場
●項(xiàng)目概述：新的墨西哥灣沿岸分區(qū)泵站為 SRA 的客戶提供更可靠的供水。現(xiàn)有的墨西哥灣沿岸分區(qū)泵站已有 85 年以上的歷史，導(dǎo)致其原有泵送能力喪失了 50%。新項(xiàng)目建造一個(gè)新的泵站和進(jìn)水口，安裝一條 7 英里（11.28km）、66 英寸（1676mm）的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道。
●項(xiàng)目特點(diǎn)：灣沿岸泵站
（2）用新型優(yōu)質(zhì)預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管取代舊的Interpace管（2021年發(fā)布）
●項(xiàng)目名稱：紐約伊利縣PCCP工程項(xiàng)目
●項(xiàng)目概述：20世紀(jì)70年代，Interpace公司制造的30英寸（762mm）預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）安裝在伊利縣電網(wǎng)系統(tǒng)附近。經(jīng)過多年的泄漏和對(duì) Interpace管道的不滿，伊利縣水務(wù)局尋求更換。伊利縣是紐約西部近100萬人口的家園。布法羅-尼亞格拉都會(huì)區(qū)是該州第二大地區(qū)。
●項(xiàng)目特點(diǎn)：腐蝕性土壤、五車道高速公路和架空電力線
（3）PCCP安裝困難條件下的最佳管道（2020年發(fā)布）
●項(xiàng)目名稱：邁阿密戴德縣PCCP工程項(xiàng)目
●項(xiàng)目概述：邁阿密戴德縣供水和排水管道部門新建一條6英里長（9.66km）管道，邁阿密戴德縣容易發(fā)生洪水，地面多孔。該地區(qū)每年的降雨量約為66 英寸（1676mm），且地區(qū)擁有7700 多英里（12397km）地下水管線。
●項(xiàng)目特點(diǎn)：土壤支撐不足且有很強(qiáng)的腐蝕性，積水使接頭焊接困難
（4）非開挖徑大口徑 PCCP管——市中心的最佳選擇（2021年發(fā)布）
●項(xiàng)目名稱：達(dá)拉斯市中心PCCP工程項(xiàng)目
●項(xiàng)目概述：達(dá)拉斯市中心PCCP工程項(xiàng)目為了避免道路封閉、昂貴的交通維護(hù)和公用設(shè)施限制，設(shè)計(jì)了1800英尺（548m）的 36英寸（914mm）PCCP的非開挖安裝。項(xiàng)目通道毗鄰一座 50 層的摩天大樓和一條輕軌交通線。達(dá)拉斯市中心是大型建筑、公共交通和繁華街道的所在地。
●項(xiàng)目特點(diǎn)：道路封閉，交通限制，重負(fù)載、振動(dòng)和雜散電流
（5）PCCP 是發(fā)電行業(yè)的選擇（2020年發(fā)布）
●項(xiàng)目名稱：佛羅里達(dá)州新的天然氣設(shè)施工程PCCP工程項(xiàng)目
●項(xiàng)目概述：佛羅里達(dá)州新的天然氣設(shè)施工程，湯普森管道集團(tuán)PCCP已在全球數(shù)百個(gè)發(fā)電廠裝置中使用。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和易于安裝使 PCCP成為發(fā)電廠最受歡迎的管道。
●項(xiàng)目特點(diǎn)：剛性管道、可測試接頭和線束夾驅(qū)動(dòng)的易于安裝
（6）PCCP 在非開挖應(yīng)用中的應(yīng)用—污水處理廠使用管道進(jìn)行深隧道處理
●項(xiàng)目名稱：密爾沃基大都會(huì)PCCP工程項(xiàng)目
●項(xiàng)目概述：密爾沃基大都會(huì)下水道區(qū)海港虹吸管項(xiàng)目，該項(xiàng)目擴(kuò)大了該區(qū)攔截系統(tǒng)的容量，以輸送與北方污水處理廠容量相等的污水流量。該項(xiàng)目旨在將分流至深隧道系統(tǒng)的廢水直接輸送至處理廠，減少下水道溢流，同時(shí)還可以清潔和修復(fù)原始虹吸管。
●項(xiàng)目特點(diǎn)：深井下安裝隧道
七、PCCP在北美的未來
迄今為止，美國已使用PCCP超48000千米，最大管徑達(dá)6400mm。作為大口徑長距離調(diào)水用管材，PCCP是最有競爭力的管材！
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