預應力鋼筒混凝土管施工工藝及操作要點

李瑩，寧富剛

(中國水利水電建設集團遼寧工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179)

0 引言

預應力鋼筒混凝土管PCCP(Prestressed Concrete Cylinder Pipe)是一種技術先進、應用廣泛的新型壓力介質輸送管材。它與一般的預應力混凝土輸水管相比具有抗滲性能優越、承壓能力高的特點，既具有混凝土壓力管剛性好、耐防腐的優點，又兼備鋼管承壓高、安全性好的優點。預應力鋼筒混凝土管按其結構分為內襯式預應力鋼筒混凝土管(PCCPL)和埋置式預應力鋼筒混凝土管(PCCPE)。預應力鋼筒混凝土管自20世紀90年代引入我國以來，被廣泛用于水利、電力、市政和自來水供水主管線項目上。本文以大伙房水庫輸水(二期)工程DN 2 400 PCCPE管材制造為例，總結出一套PCCP管材制造工藝及質量控制措施，為以后的PCCP管材生產提供指導與借鑒。

1 施工方法

(1)承插口鋼圈采用脹拉法施工，精度高，尺寸穩定。

(2)鋼筒制作采用螺旋焊接成型技術，生產效率高，焊接質量好。

(3)管芯澆筑采用立式振搗成型工藝，管芯密實度高。

(4)纏絲工序采用應力自動控制系統，保證了應力均勻。

(5)采用了加強型生產線，關鍵工序設備為雙套布置(如螺旋焊機、纏絲機、噴漿機均為雙套配置)，確保了各工序的產能均勻流暢。

2 工藝原理

PCCPE型管材結構如圖1所示，PCCP制管工藝流程如圖2所示。

預應力鋼筒混凝土管制管工藝過程為:采用承插口鋼圈及薄鋼板卷制并焊接成筒體，然后澆灌混凝土成為管芯并在管芯外圓上纏繞高強度預應力鋼絲，最后噴射沙漿保護層。

首先制作承口鋼圈和插口鋼圈，鋼筒制作采用承、插口鋼圈與薄鋼板一次性自動螺旋卷焊成型的方法，鋼筒經水壓試驗合格后放入管模內澆灌混凝土。

PCCPE型管芯采用立式振動成型工藝，管模整理好后，將合格的鋼筒放入管模內，混凝土沿鋼模內、外壁澆入，在澆筑混凝土的同時，開動振動器以利于混凝土密實。管芯成型后采用蒸汽養護，達到脫模強度后拆模。

管芯經養護達到纏絲強度后，采用立式纏絲機，用7mm高強鋼絲按設計的張拉力及螺距進行纏絲，張拉力記錄儀連續記錄鋼絲張力。

纏絲后的管芯用立式噴漿機噴沙漿保護層，再經養護、修理、成品水壓試驗、成品檢驗后為合格產品。

3 施工操作要點

3．1 鋼筒成型

3．1．1 鋼筒組成

PCCP管的內襯鋼筒由承口鋼圈、插口鋼圈及鋼板在螺旋焊機上卷焊成型。3．1．2 承口鋼圈、插口鋼圈

承插口由軋制好的型材卷焊成鋼圈并在脹圓機上脹至設計尺寸。

(1)承口鋼圈。按設計要求的長度下料，在卷圓機上卷成圓環并焊接。焊縫應打磨平整，經扳邊機扳成所需的角度。

(2)插口鋼圈。按設計要求的長度下料，在卷圓機上卷成圓環并焊接。焊縫應打磨平整，然后在脹圓機上脹至設計直徑。

(3)每個承插口鋼圈不允許超過2個接頭且接頭焊縫間距不應小于500mm。接頭應對接平整，錯邊不應大于0．5 mm，采用雙面熔透焊接并打光磨平。

3．1．3 筒體

(1)鋼筒用鋼板多為冷軋鋼板，其厚度應符合設計要求，最小厚度不得小于1．5 mm;對于限制性接頭的管材，根據設計亦可采用厚度大于1．5mm的鋼板。宜采用寬度為1250mm鋼板。

(2)制造鋼筒用的鋼板應分別符合GB/T 700—2006《碳素結構鋼》、GB 912—1989《碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋薄鋼板及鋼帶》及GB 11253—2007《碳素結構鋼冷軋薄鋼板及鋼帶》的規定，其最小屈服強度為235MPa。

(3)鋼筒應按要求的尺寸精確卷制，鋼筒端面傾斜度≤9 mm。承插口兩端的距離公差不能超過±3mm。

(4)螺旋搭接焊焊縫高度不得超過(1．6+板厚)mm。外觀缺陷處或水壓試驗檢出的缺陷處的補焊焊縫凸起高度不應大于2．0mm。

3．1．4 鋼筒水壓試驗

(1)每節鋼筒都必須持續進行不少于3min的靜水壓檢驗，以檢驗所有焊縫。如發現有滲水處，應做好標記，待卸壓后補焊并在補焊后再次進行水壓檢驗，直到鋼筒所有焊縫無滲漏為止。

(2)焊縫同一部位補焊不得超過2次。

3．2 管芯成型

3．2．1 管芯混凝土成型

PCCPDE型管芯采用立式振動成型工藝成型。

3．2．2 模具要求

(1)模具應有足夠的強度、剛度和抗沖擊韌性，以便抵抗變形并很好地傳遞激振力。

(2)內、外模的圓度偏差應小于ANSI/AWWA C301—1999《預應力鋼筒混凝土壓力管設計標準》對管材圓度的要求。內、外模各自的合縫處要嚴密并有良好的平整度。

(3)承插口輪廓對中心線的偏差應小于3mm，對接后的管材內壁應平整、光滑。

(4)每次脫模后應仔細清除模板上的污垢、雜質并涂刷非油性脫模劑;成品管芯模具表面不允許有凹坑、浮皮和其他異物。

(5)模具進廠后必須嚴格進行尺寸檢測、調整、編號統計;應定期對模具進行檢測，對偏差超過允許值的模具，必須立即進行修整，以保證管芯混凝土、鋼筒和承插口的幾何尺寸和公差要求;經過修整仍不能滿足要求的模具應予以報廢。

3．2．3 拆、裝模的要求

(1)拆、裝模應重點檢查模具接縫、錨固塊位置。

(2)裝模時應檢查底模是否放置平穩，然后將內模吊放在底模上鎖緊定位;再用專用吊具將鋼筒吊放在底模上，檢查鋼筒與內模之間、鋼筒承口與底模之間的間隙是否一致;然后將外模吊放在底模上;最后將頂蓋合放在內模和鋼筒插口端面上，將合縫螺栓依次對稱擰緊。

(3)拆模時先松開管模合縫螺栓，先將頂蓋吊出，再從上到下依次打開內模緊固扳手，松開底模定位銷;將內模慢慢地垂直吊起移開，再將外模垂直吊起移開。

(4)達到蒸汽養護要求時間后才能拆除模具。管芯混凝土脫模不能有明顯的損壞，管芯混凝土內、外表面不得出現粘模和剝落現象。

3．2．4 立式振動成型

(1)混凝土管芯采用立式澆筑振動成型。管芯澆筑前應認真檢查合縫螺栓和振動器連接螺栓有無松動現象，無異常情況方可啟動;成型過程中采用合適的振搗頻率和振動成型時間，以保證管芯獲得足夠的密實度;成型過程中鋼筒不得出現變形、松動、移位。

(2)管模頂部裝好下料錐，混凝土料斗緩慢地套入料錐，開動振動器，邊下料邊振動，注意卸料節奏。應充分振搗，使混凝土密實、泛漿和排氣。澆筑過程中必須控制鋼筒內、外側混凝土均勻上升且高度差(內高外低)不超過500mm。

(3)混凝土澆筑時必須記錄環境溫度。每根管芯的全部成型時間不得超過管芯底部混凝土的初凝時間。

(4)為保證混凝土的均勻性，宜采用連續喂料的方式，喂料結束后繼續振動一段時間。成型完畢后，應及時清除插口端面多余的混凝土料并用專用抹刀抹平。

(5)當環境溫度低于4℃時，不應進行PCCP管芯澆筑工作。

3．2．5 管芯養護

(1)管芯混凝土應采用蒸汽養護，蒸汽養護溫度及升溫速度應嚴格按規范執行，建立科學的養護制度，每根管芯都要做好養護記錄。

(2)在自然條件下放置時應進行灑水養護，或覆蓋保護材料防止混凝土水分過度損失。3．2．6 管芯的檢驗

(1)脫模后應檢查每個管芯是否存在接縫錯臺、孔隙、碎屑、裂縫、水泥浮皮、表面缺陷和外部物質。對表面出現的深度或直徑大于5．0mm的凹坑或空隙、高于3．0mm的凸起以及超過1．6mm的接縫錯臺應進行修整。

(2)任何情況下不得對管芯內表面采用涂刷方式處理或遮蔽缺陷。管芯混凝土內、外表面出現的凹坑、氣泡的寬度或深度大于5mm時，用水泥沙漿或環氧水泥沙漿予以填平并用鏝刀刮平。

(3)管芯混凝土在制造、搬運過程中因碰撞造成的掉角或凹坑應進行修補，修補用的混凝土、水泥沙漿或無毒樹脂水泥沙漿采用的水泥材料應與制管材料一致。

(4)管芯表面不允許出現蜂窩麻面，對內、外表面出現縱向裂縫的管芯應做報廢處理。

3．3 纏絲

(1)鋼絲應采用預應力混凝土用冷拉鋼絲，鋼絲公稱直徑不得小于5mm。同層配筋設計最小螺距不得小于鋼絲直徑的2倍，最大螺距不得大于38 mm。管芯軸線方向任意0．6m長度內的環向鋼絲數量不得少于設計要求。

(2)纏絲前管芯混凝土抗壓強度不應低于設計抗壓強度的70%;同時，在纏絲過程中，管芯混凝土上施加的初始壓應力不應超過纏絲時混凝土抗壓強度的55%;預應力鋼絲內總的設計纏繞應力不得超過鋼絲規定的最小抗拉強度的70%。

(3)纏絲過程中張、拉力與平均值偏差不得超過±10%。

(4)纏絲過程中單節管材每層鋼絲的接頭不應超過1個，鋼絲接頭必須保持平直;在管芯軸線方向上，鋼絲接頭距纏絲初始位置的距離不應小于300mm。

(5)每周應對纏絲機應力裝置進行1次檢測;每周應對鋼絲接頭進行1次抗拉強度試驗，拉力不應小于鋼絲抗拉強度的75%。鋼絲錨固塊抽取0．2%進行進廠質量檢測，錨固力不應小于規定鋼絲最小極限抗拉強度的75%。

3．4 沙漿保護層制作

(1)制作保護層的沙漿中不得含有石塊等雜質，以免損傷鋼絲。

(2)每天測定1次沙的含水率(陰雨天加大測定頻率)并進行實際生產配比計算，確保噴射水泥沙漿含水量不小于拌和物干總質量的7%。

(3)沙漿配合比(按質量計)不低于1．0∶2．5(水泥∶沙)。沙漿保護層拌合物中水溶性氯離子的質量分數不得超過0．06%。

(4)預應力鋼絲上的最外層凈沙漿保護層自預應力鋼絲外側邊緣不得低于25mm。

(5)制作完成的水泥沙漿保護層應采用適當方法進行養護、采用自然養護法時，在保護層水泥沙漿充分凝固后，應間歇噴水保持濕潤至少4 d。

3．5 修補、防腐

達到養護時間的管子用翻管機放倒進行修補和承插口鋼圈防腐。

(1)達到報廢條件的管材不準修補。

(2)修補的材料可以選用混凝土、水泥沙漿和無毒樹脂等。

(3)承插口鋼圈的外露部分均需進行防腐處理。

(4)防腐前應將金屬表面的油污、銹跡及雜物等清理干凈，然后均勻噴涂無毒防腐涂料。

4 效益分析

(1)大伙房水庫輸水二期工程PCCP管線制作工程由遼寧龍泉管道有限公司承攬，該工程廠房、設備總投資4 500萬元，年產DN 2 400 PCCP管材46 km，年產值1．28 億元。

(2)近幾年，PCCP在水利、電力、市政和城市供水等主管線項目上已成為大口徑輸水管道的首選管材，產品完全符合國家的能源政策、產業政策和行業發展規劃，具有明顯的經濟效益和社會效益。以DN 2 400管徑為例，PCCP用鋼量約占同規格鋼管的18%，每延米管材單價約為同規格鋼管的35%，其性能指標可以代替鑄鐵管、鋼管。PCCP的應用大大降低了工程造價，在當前較高的鋼材價格、能源價格和節能減排壓力面前，PCCP產品的優勢更加凸顯。

5 應用實例

(1)在遼寧省大伙房水庫輸水(二期)工程PCCP采購三標中，使用此工藝生產DN 2400 PCCP管材78．8 km，合同總額3．29億元。獲得了業主頒發的質量、進度、安全綜合獎——“施工標兵”獎。

(2)大伙房水庫輸水應急入連工程正在使用以該工藝制作的DN 2800 PCCP管材。(3)遼寧省三灣水利樞紐及輸水工程正在使用以該工藝制作的DN 1800 PCCP管材。

［1］GB/T 19685—2005，預應力鋼筒混凝土管［S］．

［2］李洪志．大口徑預應力鋼筒混凝土制管技術研究［D］．大慶:大慶石油學院，2009．