美國PCCP管的失效及對中國給水管道應用的警示

沈之基，鄭小明（.上海原水股份有限公司，上海 00085；.中國城鎮供水排水協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.中國城鎮供水排水協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，已導致美國現在已經不再生產PCCP管。向中國輸出技術的阿美隆公司、普賴斯兄弟公司已經停產關閉。美國的水務機構已經對自己系統中的PCCP采取降壓、審核運行、內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管在中國迅猛發展，據行業協會統計報告，2010年，中國年生產能力已突破3000km，年生產量達到1500km（美國最高年產量在1971年，為3，563，327英尺，約1100km），累計使用量已達8000公里。中國現在已是PCCP管年生產使用量世界最高的國家。

國家發改委、水利部、建設部等七部委，2005年聯合發布的“中國節水技術政策大綱”明示，DN 1200以上口徑的輸水管線優先采用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勢組合、經濟且耐蝕。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非常突出

美國是PCCP管的先行者，美國自來水協會研究基金會（AwwaRF）在2008年發布了“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終于發布了“PCCP失效”的研究報告。這個研究項目開始于一個調查，美國十余個地區或城市的水務機構參與這個項目調查研究，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，因此報告能夠對北美PCCP性能有代表作用。報告的目標是對失效作統計分析和開發一個評估模型，

調查研究結果，美國自上世紀40年代開始到2006年，累計生產使用PCCP約30000km，項目研究者已經知道的美國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管工程已經發生多次爆裂，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技術經濟優秀的最有力案例。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”工程已經發生5次爆裂；對部分管線（大約1000km）經過檢測，2011年已經發現鋼絲斷裂35000根，急需制定積極的修復計劃。現在這個工程，數千節管段需要維修或更換，余下的管道需要進行狀態評估。自1991年的第一期工程完成并運行到2001年爆裂發生，只有10年；到2011年數千節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管已經有多個運行僅僅幾年就發生爆裂的案例，但這些失效事故沒有引起用戶、開發商和設計單位的重視；有關責任部門也許認為這是發展過快、品質失控造成個別特例，也沒有給予應有的關注；只有不多的深受其害的爆裂用戶，對自己的經過發表了文章（2）。

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

3 美國已經重新認識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，已經對PCCP管有了新的認識和行動，

3.1 生產商逐步停產或關閉

二十年來，PCCP管生產量逐年減少，到2006年，年產量不到高峰時 2%，僅 44.535英尺（約13.6km）；美國現在基本上已經不再生產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），已經停產或關閉。圖1顯示了美國PCCP生產量逐年減少情況。

圖1 美國PCCP生產量逐年減少情況

3.2 水務機構對系統中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——對失效統計分析和開發評估模型并不滿足，他們的實際行動是:

（1）開發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，不發生壓力驟變。

（4）進行無損評價。如內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。

現在向PCCP管內襯里鋼管或碳纖維的技術得到發展，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使用P CC P的全面情況和細節，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，在對中國PCCP發展過程了解的基礎上，以管道技術工作的經驗、供水業主立場視角，對PCCP的性能和未來作出分析。

PCCP具有經濟和耐腐蝕特點，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，由此節約了鋼材而取得經濟性；混凝土和砂漿包裹鋼絲和鋼筒，由此取得了耐腐蝕。這些是發展這個產品時開發人員的期望，也是這個產品投入運行一段時間內的表現；但是隨著時間推移，PCCP的實際表現同期望有很大的差異，原來的耐腐蝕方面的優勢并不如設計理想。

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的環境，鐵鋼鈍化，所以能確保鐵鋼不發生腐蝕；這里要指出，這樣環境能形成并保持，首先條件是涂層穩定，不發生裂縫、脫離；鑄鐵管、鋼管運行時，所有的內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，筒體保護著涂層，內壓有利于水深入涂層細部，水泥顆粒的水化作用繼續，涂層更加致密，細小裂縫還可自己愈合；內壓還有利于涂層同管壁結合。襯里層保護了管道內壁，管道保護了襯里，這就是內襯水泥砂漿層能長期保護管道內壁的原因。

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管線運行時雖然內外負載主要都由鋼絲、鋼筒承擔，但因鋼絲鋼筒在內，脆性的水泥保護層在外，保護層自身得不到保護，所有的內外負載以及運輸、吊裝時的震動、碰撞，全部都是產生裂縫和發展裂縫的誘因，傷害保護層；保護層外部環境復雜，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、鋼絲在無內壓狀態下成形、養生的，運行時高內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；膨脹量同內壓成正比關系，同口徑也成正比關系，所以高內壓大口徑的PCCP管特別危險。在保護層外做環氧樹脂等涂層，對因膨脹而產生的裂縫，也很難起到阻止作用；同樣，陰極保護也對膨脹而產生的裂縫，不能有阻止作用。大人工河工程設計內壓達到2.8Mpa，對水管來說是較高的內壓，上海供水系統的水廠出廠管，內壓都在0.5Mpa以下，所以高內壓應該是大人工河工程出現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。這也表明高內壓對大口徑PCCP這樣的產品是不合適的。

4.3 保守設計的低內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%、運行內壓低、埋設環境好，這樣條件下的PCCP管，其保護層就會大大減少發生有害裂縫，管線就可以有很長壽命。國內在管表面涂裝環氧煤瀝青，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年就發生爆裂的案例，就將它作為壽命只能是10年依據或證明；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管的態度，這也是阿美隆公司（Ameron）、普賴斯兄弟公司（Price Brothers），停產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，目前生產量已經是世界第一，大量的PCCP管應用于供水、（給）排水和水力電力系統，并且以其經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管的新認識和態度對中國業界是一個很好的警示。

（1）對于正在設計建設的高內壓大口徑 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。這是確保已經建設管線正常安全運行一個必要的環節，把握好應用關。

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

（4）設計研究單位應該對美國PCCP管的應用現狀、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在中國的發展和討論—應給鋼管一些注意［J］.給水排水，2005（12）.

TV 49

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：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。