单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,美国,PCCP,管的失效,对,中国,给水管道应用的警示,沈之基,2013.11,摘,要,PCCP,很高的失效可能性和失效的灾难性，已导致美国现在已经不再生产,PCCP,管。向中国输出技术的阿美隆公司、普赖斯兄弟公司已经停产关闭。,美国的水务机构已经对自己系统中的,PCCP,，采取降压、审核运行、内外部检查 及修复或更换管道等等行动。,PCCP,主要失效模式是钢丝腐蚀管爆裂,保护钢丝的水泥砂浆防层自身脆弱，运行中得不到保护，它的寿命成为,PCCP,寿命的决定因素,;,高内压的大口径,PCCP,管线“膨胀量”大，特别危险。,1 PCCP,管在中国的应用,近十年来，,PCCP,管在中国迅猛发展，据行业协会统计报告，,2010,年，中国年生产能力已突破,3000,公里，年生产量达到,1500,公里（美国最高年产量在,1971,年，,3,，,563,，,327,英尺，约,1100,公里弱），累计使用量已达,8000,公里。中国现在是,PCCP,管年生产使用量世界最高的国家。,国家发改委、水利部、建设部等七部委，2005年联合发布的“中国节水技术政策大纲”明示，DN1200以上口径的输水管线优先采用PCCP。,引进这项技术以来，中国几乎所有介绍文章都接受这样的论断：PCCP是钢管和混凝土压力管两者优势组合、经济且耐蚀。中国PCCP专家近年在很多篇文章中称PCCP寿命可达100年，而钢管只有 二、三十年,。,2 PCCP,管在美国的应用及失效,2.1 PCCP,的爆裂损坏问题已经非常突出,美国是,PCCP,管的先行者，美国自来水协会研究基金会,(AwwaRF),在,2008,年发布了“,PCCP,失效”专题报告,并“希望这个结果将应用于整个世界”。,由于PCCP的很高的失效可能性，它的性能在很长一段时间来，是水务当局感兴趣的问题。约20年前，美国自来水协会研究基金会和国家垦务局就曾启动了研究“预应力混凝土管的性能”的项目，可惜的是报告没有公布；,2008年，AwwaRF终于发布了“PCCP失效”的研究报告。这个研究项目开始于一个调查，美国十余个地区或城市的水务机构参与这个项目调查研究，如：国家垦务局、加州水资源部和休斯敦、达拉斯、圣地亚哥等等大城市水务，因此报告能够对北美PCCP性能有代表作用。报告的目标是对失效作统计分析和开发一个评估模型,。,调查研究结果，美国自上世纪40年代开始到2006年，累计生产使用PCCP约30000公里,项目研究者已经知道的美国PCCP失效事件,。,第,1,类别失效,(,灾难性破裂和泄漏,Catastrophic ruptures and leaks),有,435,个；第,2,类别失效（严重劣化或结构弱化,-,通过检查看到的,Significant deterioration or structural weakness discerned by inspection,）和第,3,类别（服务能力减少,暂停服务，完全和或部分替代,Loss of serviceTime out of service,、,Full or partial replacement,）的失效有，,35662,个。,这些失效发生年分，第,1,类平均值为,13.95,年，第,2,、,3,类失效为,16.75,年,。,30000公里PCCP管线，发生435个第1类别失效，35662个第2类别和第3类别的失效，从数字上看，同其他管材相比也不是特别厉害；,考虑到使用的PCCP口径较大，失效的管线几乎都在30英寸（相当DN750）以上；失效的主要模式是爆裂，失效发生时间在投入运行后十多年，不是很长；所以从后果看，PCCP失效是厉害的，是需要认真应对的。,报告对美国PCCP的失效和失效率采用了“令人惊讶”的表达，这应该是合适的，这也就能理解为什么美国水务机构这么重视PCCP失效，理解为什么基金会“希望这个结果将应用于整个世界。,同样的失效与失效率数据，美国同行认为令人惊讶，结果是生产商停产关闭，供水机构压运行、更换管道等等行动。而中国的一些占有说话平台同行认为这样失效与失效率，表明这个产品优铸铁管、钢管等其他管材，仍然应优先采用？,只知道数字大小，不明白数字的内涵，一次口径1500管的爆裂，其后果要高于几百次150管爆裂；铸铁管道口径多数是100200.爆裂主要就发生在这些小口径管；上海80年代的专题研究报告中显示：统计的1001次爆裂事故中，500及以上的仅48次，不到 5%。PCCP多数是大口径，800以下很少用，600以下应用基本不采用。,2.2,世界最大的,PCCP,管工程已经发生多次爆裂，大量管段急需积极的修复,上世纪九十年代利比亚的“非洲大人工河”工程采用,4.0,米口径,PCCP,，工作压力为,2.8Mpa,，总长,3300,公里（双线），由美国和韩国合作建造；这个巨大工程，是国际上,PCCP,技术经济优秀的最有力案例。该工程,1984,年启动，,96,年完成。是号称世界奇迹的大工程。,2001,年到,2005,年时，这个“运行良好”工程已经发生,5,次爆裂；对部分管线（大约,1000,公里）经过检测，,2011,年已经发现钢丝断裂,35000,根，急需积极的修复计划。现在这个工程，数千节管段需要维修或更换，余下的管道需要进行状态评估。,自,91,年的第一期工程完成并运行到,2001,年爆裂发生，只有,10,年；到,2011,年数千节管段需要维修或更换，是,20,年。,2.3,中国,PCCP,也已有爆裂事件,中国,PCCP,已经有多个运行仅仅几年就发生爆裂的案例，但这些失效事故没有引起用户、开发商和设计院的重视；有关责任部门也许认为这是发展过快、品质失控造成个别特例，也没有给予应有的关注；只有不多的深受其害的爆裂用户，对自己的经过发表了文章。,宁夏某水务公司八年前使用了几十公里的,DN800PCCP,管，已经发生了多次爆裂，经检测已有五十多处出现钢丝断裂，发生爆裂停水事故的概率大大上升，已经严重影响该水务公司的安全运行。,3.,美国已经重新认识,PCCP,管并采取行动,美国，世界上使用使用最多的国家，也是中国,PCCP,技术的引进源头，已经对,PCCP,有了新的认识和行动,。,3.1 生产商逐步停产或,关闭,二十年来，PCCP生产量逐年减少，到2006年，年产量不到高峰时2%，仅44，535英尺（约13.6公里）；美国现在基本上已经不再生产PCCP，向中国和大人工河输出技术的阿美隆公司（Ameron）、普赖斯兄弟公司（Price Brothers），已经停产或关闭。下图显示了美国PCCP生产量逐年减少情况。,图,1,美国,PCCP,生产量逐年减少情况,3.2,水务机构对系统中,PCCP,管采取的补救行动,虽然十多个水务机构是参与了项目，但他们对于项目的目标,-,对失效统计分析和开发评估模型并不满足，他们的实际行动用是：,1.,开发一个基于风险的评估方案，以确定用户的,PCCP,最大失效风险。,2.,降低操作压力到低于被钢筒约束管芯的开裂应力。,3.,审查该,PCCP,用户的管线运行实践,以确保由于流量变化和阀门关闭时，快速压力的变化不发生。,4.,进行无损评价。如内部检查寻找裂纹和分层等等。,5.,进行管的外部检查,通过挖掘和视觉检查管子。,6.,调查和风险评估,再结合腐蚀和其他评估结果,对需要矫正的管道考虑：,(a),选择部分的管道做结构性恢复,;,(b),选择部分的管道，移除或替换,;,或,(c),更换这条管道。,上面行动第一条是研究项目的目标，水务机构同项目目标一致并接受；而降压、审核运行、内外部检查及修复或更换管道等等行动是远远超过项目目标的，这样的积极主动行为，显示了美国水务机构的责任心。,现在向,PCCP,管内村里钢管或碳纤维的技术得到发展，不仅美国城市水务采用，北美的墨西哥大口径,PCCP,管线也已经进行这样的修复工作,4.,对,PCCP,管的失效原因解析,因信息有限，难以明白美国不再生产使用,PCCP,的全面和细节，难以对美国的这个变化做出确实的深入理解。这里从中国实际出发，在对中国,PCCP,发展过程的了解的基础上，以管道技术工作的经验、供水业主立场视角，对,PCCP,的性能和未来作出分析。,PCCP能够经济和耐腐蚀，其核心手段是采用高强度钢丝和预应力技术。钢丝的设计应力是钢管钢材的5倍以上，由此节约了钢材而取得经济性；混凝土和砂浆包裹钢丝和钢筒，由此取得了耐腐蚀。这些是发展这个产品时开发人员的期望，也是这个产品投入运行一段时间内的表现；但是随着时间推移，新构造的实际表现同期望有很大的差异，PCCP原来的耐腐蚀方面的优势并不如设计理想,。,4.1,水泥层耐腐蚀、寿命长的解读,-,衬里层同外保护层有不同,4.1.1,铸铁水管采用水泥砂浆衬里层有,50,100,年的寿命。,水泥砂浆衬里层对输水铸铁管、钢管提供,50,年以上的安全服务，可以有,50,100,年的寿命，这是已经有众多事实证明并得到公认的；水泥砂浆衬里涂层，在同它接触的铁、钢表面形成,PH12,的环境，铁钢钝化，所以能确保铁钢不发生腐蚀；这里要指出，这样环境能形成并保持，首先条件是涂层稳定，不发生裂缝、脱离；铸铁管、钢管运行时，所有的内外负载都由铁钢筒体承担，筒体传递给衬里层的应力非常之小；筒体在外，涂层在内，筒体保护着涂层，内压有利于水深入涂层细部，水泥颗粒的水化作用继续，涂层更加致密，细小裂缝还可自己愈合；内压还有利于涂层同管壁结合。衬里层保护了管道内壁，管道保护了衬里，这就是内衬水泥砂浆层能长期保护管道内壁的原因。,4.1.2 PCCP,管水泥保护层自身得不到保护，难以为钢丝提供可靠保护,水泥砂浆衬里层对铸铁管、钢管提供,50,年以上的安全服务的事实，很自然地延伸到水泥砂浆保护,PCCP,钢丝、钢筒，也可以,50,年以上的寿命，可惜的这不是一回事。,PCCP,管线运行时虽然内外负载主要都由钢丝、钢筒承担，但因钢丝钢筒在内，脆性的水泥保护层在外，保护层自身得不到保护，所有的内外负载以及运输、吊装时的震动、碰撞，全部都是产生裂缝和发展裂缝的诱因，伤害保护层；保护层外部环境复杂，如干湿交替、土壤含有伤害保护层成分等等，不一定能为钢丝形成保护环境。衬里层和保护层，虽然同样是水泥砂浆覆盖钢材表面，但二者的处境不一样，能够发挥的作用也就不一样。实践表明，,PCCP,管保护层同铸铁管衬里层所处条件不同，难有同样寿命。,4.2,高内压、大口径的管线应用风险,PCCP,管的水泥保护层是管芯、钢丝在无内压状态下成形、养生的，运行时高内压会使管道有小小的“膨胀“，这个膨胀有将保护层胀裂倾向，是裂缝生成的主要源头且无法避开；膨胀量同内压成正比关系，同口径也成正比关系，所以高内压大口径的,PCCP,管特别危险。,在保护层外做环氧树脂等涂层，对因膨胀而产生的裂缝，也很难起到阻止作用；同样，阴极保护也对膨胀而产生的裂缝，不能有阻止作用。大人工河工程设计内压达到,2.8 Mpa,，对水管来说是较高的内压，上海供水系统的水厂出厂管，内压都在,0.5 Mpa,以下,所以高内压应该是大人工河工程出现多次爆裂和几万根钢丝断裂的主要原因。,美国失效研究报告中提到，美国水务机构一致认为“水压试验”和“水击”是,PCCP,管线失效的二个“肇事者”，这也就是水务机构对自己系统中的,PCCP,管线采取降压、校核运行措施的原因。这也表明高内压对大口径,PCCP,这样的产品是不合适的。,4.3,保守设计的低内压管线可以有很长寿命,一定可以有寿命,100,年的,PCCP,管。早期设计保守（钢丝设计应力为极限强度,45%,）、运行内压低、埋设环境好，这样的条件下的,PCCP,管，保护层就不会发生有害裂缝，管线就可以有很长寿命。国内在管表面涂装环氧煤沥青，也是保护外层水泥的一种方法。,案例只能说明可能性存在，不能因为有了,10,年就发生爆裂的案例，就将它作为寿命只能是,10,年依据或证明；也不能因为可能有运行,1