详解预应力钢筒砼管的发展与应用
浏览：次 2019-01-28 10:33
预应力钢筒砼管是在带钢筒（薄钢筒的厚度约1.5mm左右）的砼管芯上，缠绕一层或二层环向预应力钢丝，并作水泥砂桨保护层而制成的管子。预应力钢筒混凝土管分内衬式预应力钢筒混凝土管(代号PCCPL)和埋置式预应力钢筒混凝土管（代号PCCPE）。内衬式预应力钢筒混凝土管指在钢筒内壁成型混凝土层后在钢筒外表面上缠绕环向预应力钢丝并制作水泥砂浆保护层而制成的管子。埋置式预应力钢筒混凝土管指在钢筒内、外侧成型混凝土层后，在管芯混凝土外表 面缠绕环向预应力钢丝并制作水泥砂浆保护层而制成的管子。这一技术是法国Bonna公司最先研制的，到上世纪四十年代欧、美竞相开发，目前美、法各国的年产量达数十万公里，其中美国、加拿大是世界上推广使用预应力钢筒政管最多的国家，广泛应用于城市输配水干管、火电站供水管、水利工程、雨污水于管、工业供水及废水管线等方面，目前世界上规模最大的利比亚“人工河”第一期工程，全长1900km，就是使用直径4m、工压2.8MPa的预应力钢筒砼管敷设，工程全部完工后运行情况良好。
世界上主要制造预应力钢筒砼管的厂家有美国“Ameron”公司（DN1200-4000mm），美国的“Price Brather”公司（DN1200～4000mm），法国的“Bonna”公司（DN600-2500mm），德国的“Dyckerhoff－Widann”公司（DN600～2500mm）。
二十世纪八十年代末，随着我国城市供水、工业用水、农田水利建设的迅猛发展，对于输水管材提出更高的要求，山东电力管道有限公司、无锡华毅管道有限公司先后从美国“AIneron”公司引进技术及关键设备，深圳太阳管道公司从美国的“Price Brather”公司全套引进该公司的制管技术及设备。经过近十年对引进技术与设备的消化，完全己能国产化了，且于1996年此类管材在我国建材行业颁布了《预应力钢筒砼管》行业标准（JC625－1996）。近年由成都市自来水总公司和四川金炜集团公司共同出资兴建的“PCCP”企业—成都金炜制管有限责任公司，就是使用国内的技术与设备装备PCCP生产线的一个范例，它的设计规模为年制造ON800～DN4000mm的预应力钢简砼管25-35km，管材的检验压力可达2.6-3.0Mpa，该公司从投产至今没有出现一根废管，实现了从管材设计、制造、检测到运输、安装、使用等方面的规范化、系列化服务。
与此同时，原生产三阶段预应力管的成都市双流水泥制品厂亦通过技术改造，依靠自身的技术力量，也兴建了一条预应力钢筒砼管生产线，完成了产品更新，这为我国现有预应力管厂家的产品换代开创了先河。
近几年来不完全统计，全国已安装此类管材达数千公里，在广东、江苏、江西、山东、新疆等省使用情况良好，通常试压检验一次成功，通水后没有发现大的故障。
预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP)是目前世界上广泛使用的大口径、高工压的优质管材，同时兼具钢管的良好抗拉、抗渗性能和混凝土管的良好抗压、耐腐蚀等诸多优点。20世纪90年代我国引进了国外的PCCP管生产工艺，已经能够提供DN600～DN4000、工作压力最大可达5.0MPa的各种规格管材，国家建筑材料工业局已制定了相应的标准(JC625—1996)，现在PCCP管已越来越多地用于给排水、电力等工程。
人们普遍认为大口径PCCP管因质量大而在软土地区施工难、基础处理费用高，实际上在温州市污水处理厂排江管工程中应用DN2200的PCCP管达1700m以上，管线所经过地区大部分地耐力为2～4t/m2的超软土地段，其工程总造价为1058万元，并不比钢管造价高。
1 PCCP管材优势
1.1 与钢管相比
① PCCP管壁厚远大于钢管，因此它刚性强，能承受较大的管外荷载，对基础及回填土要求不高；
② 管壁混凝土强度不低于C40级，其强度远大于钢管内的水泥砂浆保护层，因此管道的耐用性和永久性是很明显的；
③ PCCP管采用钢制承插口柔性连接，施工中可边开挖、边安装、边试压、边覆土，其方便快捷，是钢管焊接所无法相比的； ④ PCCP管有1°～3°的借转角，这在一定程度上适应了软土地区由于基础处理不均匀而产生的不均匀沉降；
⑤ PCCP管为工厂加工成型，其内壁表面光滑无瑕，摩阻系数＜0.012，水头损失小。
1.2 与普通预应力混凝土管相比
① PCCP管的抗渗性能是由内置的焊接钢筒保证，在生产过程中都经过水压检验以确保滴水不漏，而普通预应力混凝土管的抗渗能力则完全取决于混凝土的密实性，抗渗性能不及钢筒；
② PCCP管采用钢制承插口，由专用设备加工成型以保证工作面间隙差≤1.6mm，而普通预应力混凝土管的水泥承插口工作面间隙差≤12mm，其水密性和耐久性都不如PCCP管；
③ 在管道施工中还可以充分利用其钢制承插口而采用多种形式的限制性接头或现场焊接接头，这样可减少管线因需平衡推力而设置止推挡墩所增加的施工难度及费用，对某些条件有限而无法设置挡墩的地段(如软土地区)尤为有利。
1.3 与其他管道相比
PCCP管价格低、口径范围大、刚性好、抗地基沉降能力强、管体抗浮能力好，这些是球墨铸铁管和其他有机非金属管所不能相比的。
一些公司在行业标准的基础上还生产出双橡胶圈接口管材并制定了相应的企业标准，这样每安装一根管道即可进行水压试验，这是其他管材无法做到的。
PCCP管结构见图1。
2 沉降问题
PCCP管质量较大，投入使用后会不会发生管线沉降呢?
DN2200的PCCP管重量为3.97t/m，通水后的重量为7.77t/m；管道外径为2.56m，安装它被占去的土重为8.23t/m，故实际不是沉降而是上浮，因此在工程设计和施工过程中仍要注意覆土的厚度。
3 管道基础
针对软土地区在沟槽开挖时和管道覆土后需要严格控制和把握抗浮防涌问题，在管道安装和投入运行以后的主要矛盾是控制管道系统的均匀性沉降。
具体施工措施为：基槽开挖时在沟槽两侧设置10～12m的钢板桩，并适当加设支撑以保证沟槽开挖过程中的稳定和施工过程中的安全；在沟槽开挖完成后，先敷设一层CE131土工网并搭接，再敷设厚度为300～500mm的矿渣或沙子石以保证沟槽整体安全、稳定并满足抗浮要求；管道基础验收合格后下放工程管道，管道两侧采用砂或沙子石回填，胸腔及上部采用开挖土回填，并适当夯实；由于大口径PCCP管在生产厂已经试压完毕，又为双胶圈密封，现场只需要对接口部分进行局部水压试验就能满足规范中的试压要求，施工中试压过程简单方便、时间短、质量高，试压后即可覆土，从而根本解决了试压周期长、空槽时间长、水源解决困难等诸多弊端，极大地适应了软土地基的特性和要求。
4 结论
大口径预应力钢筒混凝土管道在温州、绍兴等典型软土地基中的成功使用，表明在大口径管道输水工程中PCCP管是最合适的管材之一，运行经济，安全可靠; 可承受高的内压和外部荷载（静水压力0.4-2.0MPa）；管材的刚性可防止管材在吊装、运输、安装过程中损坏，对管基及回填上施工要求低，施工简单；采用“O”型橡胶密封的钢制接头，密封性能好，安装速度快,大大提高生产效率；管材内表面光滑，保证运行期内保持很高的通水能力,不会造成水质二次污染；管材可在管道止推点附近通过焊接或铠装部分接头以抵抗推力；由于构成管材的钢材被密实的混凝土及砂浆包裹，经防腐处理后的承插口安装后其外露部分又用砂浆灌注封口，混凝土或砂浆提供的碱性环境使得构成预应力钢筒混凝土管内部的钢材钝化，从而防止其腐蚀；管材本身此种独特复合结构，不易出现管身漏水、接头漏水以及爆管、断管现象，长期运行管路损失小，输水成本低，具有钢管的抗拉、易密封性及混凝土管的抗压和耐腐蚀性的双重优点，使用寿命可达50年以上。