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PCCP國內外發展狀況及創新發展探索（上篇）——PCCP國外發展狀況
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在國內外發展及管線安全提升措施》，本次編輯修改標題為《PCCP國內外發展狀況及創新發展探索》。由于文章較長，本編將全文分三期刊載：上篇－PCCP國外發展狀況、中篇－PCCP國內發展狀況、下篇－PCCP創新發展探索。本期刊載的是上篇。歡迎讀者閱讀。
程德虎，現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展狀況及目前在PCCP創新發展方面所作的探索。
一、PCCP在國外的起源
1894年，法國Bonna公司的創始人Aime Bonna發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，但多數是中等口徑的管材。
1952 年，美國艾美隆公司生產出第一節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失效管道項目統計圖（圖片來源于網絡）
1980-2000年，美國PCCP行業從教訓中走出，對PCCP進行研究和改進：
美國PCCP行業對有關鋼絲、鋼絲動態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。在產品創新、產品質量、安全性和客戶服務方面被公認為行業領導者。
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在其他國家的發展
印度及中東地區阿曼公司目前在生產PCCP。
The Indian mume Pipe Co.Ltd是一家印度公司，其產品網站顯示生產PCCP。
圖4 The Indian mume Pipe Co.Ltd （圖片來源于網絡）
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失效率統計分析
1、美國水工協會的統計分析
美國水工協會統計在1942年-2006年的65年中，美國共發生了399次爆管事故（數據來自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測項目。
2012年Pure公司Michael S.Higgins等發表了一篇調研分析報告，Pure公司原中國區負責人王五平先生對該報告進行了翻譯，報告名為《數據不會說謊——基于10年狀態評估數據統計結果的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，數據調查涉及 676 千米PCCP。
AFO監測數據庫包括 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測報告的數據庫，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。AFO報告中出現斷絲破壞的管道數量也占3.9%，與電磁法檢測結果一致。
查閱電磁法檢測的數據庫，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的發現一致，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：根據電磁法檢測和聲監測結果，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，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場
●項目概述：新的墨西哥灣沿岸分區泵站為 SRA 的客戶提供更可靠的供水。現有的墨西哥灣沿岸分區泵站已有 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）用新型優質預應力鋼筒混凝土管取代舊的Interpace管（2021年發布）
●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）安裝在伊利縣電網系統附近。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-尼亞格拉都會區是該州第二大地區。
●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生洪水，地面多孔。該地區每年的降雨量約為66 英寸（1676mm），且地區擁有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 是發電行業的選擇（2020年發布）
●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已在全球數百個發電廠裝置中使用。結構強度和易于安裝使 PCCP成為發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海港虹吸管項目，該項目擴大了該區攔截系統的容量，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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