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PCCP國內外發(fā)展狀況及創(chuàng)新發(fā)展探索（上篇）——PCCP國外發(fā)展狀況
本期“技術交流”欄目刊載的是中國南水北調集團中線有限公司原副總經理、總工程師程德虎先生在2023年7月25日中國水利學會組織舉辦的“PCCP管線安全提升學術沙龍”（線上+線下）所作的主題報告，原標題為《PCCP在國內外發(fā)展及管線安全提升措施》，本次編輯修改標題為《PCCP國內外發(fā)展狀況及創(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)展狀況、中篇－PCCP國內發(fā)展狀況、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)為水利部南水北調工程專家委員會委員、中國水利學會水工結構專業(yè)委員會副主任委員、中國大壩工程學會水工混凝土建筑物檢測與修補加固專業(yè)委員會副主任委員，曾負責南水北調中線工程技術工作，主持開展了大流量U形渡槽結構設計和施工關鍵技術、穿黃隧洞全面加強內襯結構縫防水體系等設計優(yōu)化、膨脹土渠坡建設及運行關鍵技術、PCCP管道設計、建設及運行關鍵技術等研究工作。發(fā)表論文30篇，專著3部，獲得大禹水利科學技術一等獎1項，水力發(fā)電科學技術一等獎2項，湖北省科技進步二等獎1項，河南省科技進步二等獎1項。
PCCP國外發(fā)展狀況
預應力鋼筒混凝土管（PCCP）自上世紀八十年代末從美國引進生產技術和主要裝備，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，已經成功應用于國內引黃入晉、南水北調等諸多跨流域的重大引調水工程。今天主要介紹其在國內外發(fā)展狀況及目前在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（無預應力鋼絲），并申請了專利（見圖1）。1900年世界博覽會上此項發(fā)明獲得兩項金獎。
1939年，法國邦納管道公司又增加了預應力鋼絲，設計并制造了預應力鋼筒混凝土管(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工藝后成功制造出第一節(jié)內襯式預應力鋼筒混凝土管（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出第一節(jié)埋置式預應力鋼筒混凝土管（PCCP-E），該公司相繼在不同時期根據(jù)工程的需要制作了大口徑PCCP，最大直徑達到6400mm。
1950-1970年，PCCP在美國發(fā)展很快，這期間，采用半經驗的“工作應力控制法”對管道結構進行設計，鋼絲用量相對較大。用于PCCP保護層的拌合砂漿能夠保證足夠的含水率，從而使砂漿保護層具有非常低的吸水率。因此，1970 年以前生產的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。
這一時期也經歷了慘痛的教訓。首先，因AWWA C301標準沒有對鋼絲的抗拉強度設置上限，為了降低成本，美國的PCCP生產使用了高強度Ⅳ級鋼絲。特別是Interpace公司采用自己制造的快速拉拔法預應力鋼絲，隨后其他的生產商也開始使用這種鋼絲，致使在腐蝕條件下產生氫脆和造成鋼絲脆斷。這些主要因素的結合導致了在20世紀70年代在美國生產的PCCP更快的失效，尤其是由Interpace公司生產的管道。見圖3。
圖3 Iterpace公司生產的PCCP失效管道項目統(tǒng)計圖（圖片來源于網(wǎng)絡）
1980-2000年，美國PCCP行業(yè)從教訓中走出，對PCCP進行研究和改進：
美國PCCP行業(yè)對有關鋼絲、鋼絲動態(tài)應變老化機理以及如何預防做了很多研究；
當管道鋪設在干濕交替的環(huán)境中時，如何采用防腐措施保護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層的方法；
全面禁止使用Ⅳ級鋼絲；
重新重視管材防腐蝕設計；
將上述相關成果寫進了AWWA和ASTM的升級標準中，PCCP 重新得到了認可，自1984年以后生產的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，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、預制件及相關產品的制造商。成立于1964年，擁有超過70家工廠，服務于超過35個州和加拿大東部省份。2017 年成為Quikrete Companies的一部分。在產品創(chuàng)新、產品質量、安全性和客戶服務方面被公認為行業(yè)領導者。
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商，其生產基地遍布全國，不僅服務于美國，還服務于整個北美。主要產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）、玻璃纖維增強管、預制鋼筋混凝土箱涵、預制鋼筋混凝土管等。
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PCCP。
The Indian mume Pipe Co.Ltd是一家印度公司，其產品網(wǎng)站顯示生產PCCP。
圖4 The Indian mume Pipe Co.Ltd （圖片來源于網(wǎng)絡）
阿曼公司成立于1974年，是阿曼最大的制造公司之一，產品種類繁多，其有一條全自動化生產線是目前國際最先進的PCCP生產線。
五、國外PCCP失效率統(tǒng)計分析
1、美國水工協(xié)會的統(tǒng)計分析
美國水工協(xié)會統(tǒng)計在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商是Interpace公司；PCCP失效主要原因是采用了Ⅳ級鋼絲。
2、Pure公司的統(tǒng)計分析
加拿大Pure Technologies 公司（簡稱：Pure公司）上世紀 90 年代末以來，針對 PCCP 給水和排水壓力管道斷絲破壞的識別和量化，實施了大量的檢測和監(jiān)測項目。
2012年Pure公司Michael S.Higgins等發(fā)表了一篇調研分析報告，Pure公司原中國區(qū)負責人王五平先生對該報告進行了翻譯，報告名為《數(shù)據(jù)不會說謊——基于10年狀態(tài)評估數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果的PCCP性能和劣化分析》。
該報告查閱的資料涉及美國和加拿大 55 個水務部門的 PCCP 電磁法檢測。統(tǒng)計結論基于在美國和加拿大安裝的PCCP，調查的管線直徑 400mm～4000mm，安裝時間從1952 年到 2004 年，數(shù)據(jù)調查涉及 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，安裝時間從1958 年到1990 年。
通過查閱電磁法檢測和聲監(jiān)測報告的數(shù)據(jù)庫，確定管道損壞比例，結果見表1。
報告指出，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性，結果見表2。
表2 按照不同AWWA標準制造的管道損壞率
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。
該報告最后得出以下結論：
平均損壞率和破壞等級：根據(jù)電磁法檢測和聲監(jiān)測結果，計算得到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)，損壞程度和失效風險低。
管道制造年份：1972年到1978年制造的管道損壞率最高。因為這一階段PCCP使用Ⅳ級預應力鋼絲制造，鋼絲的質量差。
3、幾種主要管材失效率對比
1990 年，美國開墾局（墾務局）調查報告各種類型管材失效率對比見圖5，從統(tǒng)計對比看 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。
圖5 不同管材類型平均失效率
（圖片來源于網(wǎng)絡）
六、近10年PCCP工程案例
1990 年后，美國汲取了Interpace公司使用Ⅳ級鋼絲的教訓，重新評估了 PCCP的安全性，嚴格了原材料和制作標準，使PCCP供水項目建設重新進入了快車道。
到21世紀初，美國各區(qū)的供水體系基本完善，PCCP供水項目建設速度放慢。
美國近10年PCCP供水項目案例：
（1）新的墨西哥灣沿岸泵站/PCCP管道-2020年
●項目名稱：新SRA海灣海岸分部水泵站的施工現(xiàn)場
●項目概述：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，導致其原有泵送能力喪失了 50%。新項目建造一個新的泵站和進水口，安裝一條 7 英里（11.28km）、66 英寸（1676mm）的預應力鋼筒混凝土管道。
●項目特點：灣沿岸泵站
（2）用新型優(yōu)質預應力鋼筒混凝土管取代舊的Interpace管（2021年發(fā)布）
●項目名稱：紐約伊利縣PCCP工程項目
●項目概述：20世紀70年代，Interpace公司制造的30英寸（762mm）預應力鋼筒混凝土管（PCCP）安裝在伊利縣電網(wǎng)系統(tǒng)附近。經過多年的泄漏和對 Interpace管道的不滿，伊利縣水務局尋求更換。伊利縣是紐約西部近100萬人口的家園。布法羅-尼亞格拉都會區(qū)是該州第二大地區(qū)。
●項目特點：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）
●項目名稱：邁阿密戴德縣PCCP工程項目
●項目概述：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。
●項目特點：土壤支撐不足且有很強的腐蝕性，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）
●項目名稱：達拉斯市中心PCCP工程項目
●項目概述：達拉斯市中心PCCP工程項目為了避免道路封閉、昂貴的交通維護和公用設施限制，設計了1800英尺（548m）的 36英寸（914mm）PCCP的非開挖安裝。項目通道毗鄰一座 50 層的摩天大樓和一條輕軌交通線。達拉斯市中心是大型建筑、公共交通和繁華街道的所在地。
●項目特點：道路封閉，交通限制，重負載、振動和雜散電流
（5）PCCP 是發(fā)電行業(yè)的選擇（2020年發(fā)布）
●項目名稱：佛羅里達州新的天然氣設施工程PCCP工程項目
●項目概述：佛羅里達州新的天然氣設施工程，湯普森管道集團PCCP已在全球數(shù)百個發(fā)電廠裝置中使用。結構強度和易于安裝使 PCCP成為發(fā)電廠最受歡迎的管道。
●項目特點：剛性管道、可測試接頭和線束夾驅動的易于安裝
（6）PCCP 在非開挖應用中的應用—污水處理廠使用管道進行深隧道處理
●項目名稱：密爾沃基大都會PCCP工程項目
●項目概述：密爾沃基大都會下水道區(qū)海港虹吸管項目，該項目擴大了該區(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，同時還可以清潔和修復原始虹吸管。
●項目特點：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6400mm。作為大口徑長距離調水用管材，PCCP是最有競爭力的管材！
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