沈之基，鄭小明（.上海原水股份有限公司，上海 00085；.中國(guó)城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)管道技術(shù)部，上海 0400）

美國(guó)PCCP管的失效及對(duì)中國(guó)給水管道應(yīng)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(guó)城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)管道技術(shù)部，上海 201400）

PCCP管很高的失效可能性和失效的災(zāi)難性，已導(dǎo)致美國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)不再生產(chǎn)PCCP管。向中國(guó)輸出技術(shù)的阿美隆公司、普賴(lài)斯兄弟公司已經(jīng)停產(chǎn)關(guān)閉。美國(guó)的水務(wù)機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)自己系統(tǒng)中的PCCP采取降壓、審核運(yùn)行、內(nèi)外部檢查及修復(fù)或更換管道等等行動(dòng)。PCCP管主要失效模式是鋼絲腐蝕管爆裂，保護(hù)鋼絲的水泥砂漿防護(hù)層自身脆弱，運(yùn)行中得不到保護(hù)，它的壽命成為 PCCP管壽命的決定因素；高內(nèi)壓的大口徑PCCP管線“膨脹量”大，特別危險(xiǎn)。

輸水管；PCCP管；失效；鋼絲腐蝕

1 PCCP管在中國(guó)的應(yīng)用

近十年來(lái)，PCCP管在中國(guó)迅猛發(fā)展，據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，2010年，中國(guó)年生產(chǎn)能力已突破3000km，年生產(chǎn)量達(dá)到1500km（美國(guó)最高年產(chǎn)量在1971年，為3，563，327英尺，約1100km），累計(jì)使用量已達(dá)8000公里。中國(guó)現(xiàn)在已是PCCP管年生產(chǎn)使用量世界最高的國(guó)家。

國(guó)家發(fā)改委、水利部、建設(shè)部等七部委，2005年聯(lián)合發(fā)布的“中國(guó)節(jié)水技術(shù)政策大綱”明示，DN 1200以上口徑的輸水管線優(yōu)先采用PCCP。

引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)以來(lái)，中國(guó)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(yōu)勢(shì)組合、經(jīng)濟(jì)且耐蝕。中國(guó)PCCP專(zhuān)家近年在很多篇文章中稱(chēng)PCCP壽命可達(dá)100年。

2 PCCP管在美國(guó)的應(yīng)用及失效

2.1 PCCP管的爆裂損壞問(wèn)題已經(jīng)非常突出

美國(guó)是PCCP管的先行者，美國(guó)自來(lái)水協(xié)會(huì)研究基金會(huì)（AwwaRF）在2008年發(fā)布了“PCCP失效”專(zhuān)題報(bào)告，并“希望這個(gè)結(jié)果將應(yīng)用于整個(gè)世界”。

由于PCCP的較高的失效可能性，它的性能在很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，是水務(wù)當(dāng)局感興趣的問(wèn)題。約20年前，美國(guó)自來(lái)水協(xié)會(huì)研究基金會(huì)和國(guó)家墾務(wù)局就曾啟動(dòng)了研究“預(yù)應(yīng)力混凝土管的性能”的項(xiàng)目，可惜的是報(bào)告沒(méi)有公布；2008年，AwwaRF終于發(fā)布了“PCCP失效”的研究報(bào)告。這個(gè)研究項(xiàng)目開(kāi)始于一個(gè)調(diào)查，美國(guó)十余個(gè)地區(qū)或城市的水務(wù)機(jī)構(gòu)參與這個(gè)項(xiàng)目調(diào)查研究，如:國(guó)家墾務(wù)局、加州水資源部和休斯敦、達(dá)拉斯、圣地亞哥等等大城市水務(wù)部門(mén)，因此報(bào)告能夠?qū)Ρ泵繮CCP性能有代表作用。報(bào)告的目標(biāo)是對(duì)失效作統(tǒng)計(jì)分析和開(kāi)發(fā)一個(gè)評(píng)估模型，

調(diào)查研究結(jié)果，美國(guó)自上世紀(jì)40年代開(kāi)始到2006年，累計(jì)生產(chǎn)使用PCCP約30000km，項(xiàng)目研究者已經(jīng)知道的美國(guó)PCCP失效事件:

第1類(lèi)別失效（災(zāi)難性破裂和泄漏Catastrophic ruptures and 1eaks），有435個(gè)；第2類(lèi)別失效（嚴(yán)重劣化或結(jié)構(gòu)弱化—通過(guò)檢查看到的Significant deteriorati on or structura1 weakness discerned by inspection）和第3類(lèi)別（服務(wù)能力減少—暫停服務(wù)，完全或部分替代Loss of service-Time out of service、Fu11 or partia1 rep1acement）的失效有35662個(gè)。

這些失效發(fā)生年份，第1類(lèi)平均值為 13.95年，第2、3類(lèi)失效為16.75年。

30000km PCCP管線，發(fā)生435個(gè)第1類(lèi)別失效，35662個(gè)第2類(lèi)別和第3類(lèi)別的失效，從數(shù)字上看，同其他管材相比也不是特別嚴(yán)重；不過(guò)，考慮到使用的PCCP口徑較大，失效管線幾乎都在30英寸（相當(dāng) DN 750）以上；失效的主要模式是爆裂，失效發(fā)生時(shí)間在投入運(yùn)行后十多年，不是很長(zhǎng)；所以從后果看，PCCP失效是嚴(yán)重的，需要認(rèn)真應(yīng)對(duì)。報(bào)告對(duì)美國(guó)PCCP的失效和失效率采用了“令人驚訝”的表達(dá)，這應(yīng)該是合適的，這也就能理解為什么美國(guó)水務(wù)機(jī)構(gòu)這么重視PCCP失效，理解為什么基金會(huì)“希望這個(gè)結(jié)果將應(yīng)用于整個(gè)世界”。

2.2 世界最大的PCCP管工程已經(jīng)發(fā)生多次爆裂，大量管段急需積極的修復(fù)

上世紀(jì)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(zhǎng)3300km（雙線），由美國(guó)和韓國(guó)合作建造；這個(gè)巨大工程，是國(guó)際上PCCP技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)秀的最有力案例。該工程于1984年啟動(dòng)，1996年完成。是號(hào)稱(chēng)世界奇跡的大工程。

2001年到2005年時(shí)，這個(gè)“運(yùn)行良好”工程已經(jīng)發(fā)生5次爆裂；對(duì)部分管線（大約1000km）經(jīng)過(guò)檢測(cè)，2011年已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鋼絲斷裂35000根，急需制定積極的修復(fù)計(jì)劃?，F(xiàn)在這個(gè)工程，數(shù)千節(jié)管段需要維修或更換，余下的管道需要進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。自1991年的第一期工程完成并運(yùn)行到2001年爆裂發(fā)生，只有10年；到2011年數(shù)千節(jié)管段需要維修或更換，是20年。

2.3 中國(guó)PCCP管也已有爆裂事件

中國(guó)PCCP管已經(jīng)有多個(gè)運(yùn)行僅僅幾年就發(fā)生爆裂的案例，但這些失效事故沒(méi)有引起用戶(hù)、開(kāi)發(fā)商和設(shè)計(jì)單位的重視；有關(guān)責(zé)任部門(mén)也許認(rèn)為這是發(fā)展過(guò)快、品質(zhì)失控造成個(gè)別特例，也沒(méi)有給予應(yīng)有的關(guān)注；只有不多的深受其害的爆裂用戶(hù)，對(duì)自己的經(jīng)過(guò)發(fā)表了文章（2）。

寧夏某水務(wù)公司八年前使用了幾十公里的DN 800PCCP管，已經(jīng)發(fā)生了多次爆裂，經(jīng)檢測(cè)已有五十多處出現(xiàn)鋼絲斷裂，發(fā)生爆裂停水事故的概率大大上升，已經(jīng)嚴(yán)重影響該水務(wù)公司的安全運(yùn)行。

3 美國(guó)已經(jīng)重新認(rèn)識(shí)PCCP管并采取行動(dòng)

美國(guó)，世界上使用最多的國(guó)家，也是中國(guó)P CC P技術(shù)的引進(jìn)源頭，已經(jīng)對(duì)PCCP管有了新的認(rèn)識(shí)和行動(dòng)，

3.1 生產(chǎn)商逐步停產(chǎn)或關(guān)閉

二十年來(lái)，PCCP管生產(chǎn)量逐年減少，到2006年，年產(chǎn)量不到高峰時(shí) 2%，僅 44.535英尺（約13.6km）；美國(guó)現(xiàn)在基本上已經(jīng)不再生產(chǎn)PCCP管，向中國(guó)和大人工河輸出技術(shù)的阿美隆公司（Ameron）、普賴(lài)斯兄弟公司（Price Brothers），已經(jīng)停產(chǎn)或關(guān)閉。圖1顯示了美國(guó)PCCP生產(chǎn)量逐年減少情況。

圖1 美國(guó)PCCP生產(chǎn)量逐年減少情況

3.2 水務(wù)機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)中PCCP管采取的補(bǔ)救行動(dòng)

雖然有十多個(gè)水務(wù)機(jī)構(gòu)是參與了項(xiàng)目，但他們對(duì)于項(xiàng)目的目標(biāo)——對(duì)失效統(tǒng)計(jì)分析和開(kāi)發(fā)評(píng)估模型并不滿足，他們的實(shí)際行動(dòng)是:

（1）開(kāi)發(fā)一個(gè)基于風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方案，以確定用戶(hù)的PCCP最大失效風(fēng)險(xiǎn)。

（2）降低操作壓力到低于被鋼筒約束管芯的開(kāi)裂應(yīng)力。

（3）審查該P(yáng)CCP用戶(hù)的管線運(yùn)行實(shí)踐，以確保由于流量變化和閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，不發(fā)生壓力驟變。

（4）進(jìn)行無(wú)損評(píng)價(jià)。如內(nèi)部檢查尋找裂紋和分層等等。

（5）進(jìn)行管的外部檢查，通過(guò)挖掘和視覺(jué)檢查管子。

通過(guò)調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，再結(jié)合腐蝕和其他評(píng)估結(jié)果，對(duì)需要矯正的管道考慮:

（a）選擇部分的管道做結(jié)構(gòu)性恢復(fù)；（b）選擇部分的管道，移除或替換；（c）更換這條管道。

上面行動(dòng)第一條是研究項(xiàng)目的目標(biāo)，水務(wù)機(jī)構(gòu)同項(xiàng)目目標(biāo)一致并接受；而降壓、審核運(yùn)行、內(nèi)外部檢查及修復(fù)或更換管道等等行動(dòng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)項(xiàng)目目標(biāo)的，這樣的積極主動(dòng)行為，顯示了美國(guó)水務(wù)機(jī)構(gòu)的責(zé)任心。

現(xiàn)在向PCCP管內(nèi)襯里鋼管或碳纖維的技術(shù)得到發(fā)展，不僅美國(guó)城市水務(wù)采用，北美的墨西哥大口徑PCCP管線也已經(jīng)進(jìn)行這樣的修復(fù)工作。

4 對(duì)PCCP管的失效原因解析

因信息有限，難以明白美國(guó)不再生產(chǎn)使用P CC P的全面情況和細(xì)節(jié)，難以對(duì)美國(guó)的這個(gè)變化做出切實(shí)的深入理解。這里從中國(guó)實(shí)際出發(fā)，在對(duì)中國(guó)PCCP發(fā)展過(guò)程了解的基礎(chǔ)上，以管道技術(shù)工作的經(jīng)驗(yàn)、供水業(yè)主立場(chǎng)視角，對(duì)PCCP的性能和未來(lái)作出分析。

PCCP具有經(jīng)濟(jì)和耐腐蝕特點(diǎn)，其核心手段是采用高強(qiáng)度鋼絲和預(yù)應(yīng)力技術(shù)。鋼絲的設(shè)計(jì)應(yīng)力是鋼管鋼材的5倍以上，由此節(jié)約了鋼材而取得經(jīng)濟(jì)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(fā)展這個(gè)產(chǎn)品時(shí)開(kāi)發(fā)人員的期望，也是這個(gè)產(chǎn)品投入運(yùn)行一段時(shí)間內(nèi)的表現(xiàn)；但是隨著時(shí)間推移，PCCP的實(shí)際表現(xiàn)同期望有很大的差異，原來(lái)的耐腐蝕方面的優(yōu)勢(shì)并不如設(shè)計(jì)理想。

4.1 水泥層耐腐蝕、壽命長(zhǎng)的解讀—襯里層同外保護(hù)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(duì)輸水鑄鐵管、鋼管提供50年以上的安全服務(wù)，可以有50～100年的壽命，這是已經(jīng)有眾多事實(shí)證明并得到公認(rèn)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(huán)境，鐵鋼鈍化，所以能確保鐵鋼不發(fā)生腐蝕；這里要指出，這樣環(huán)境能形成并保持，首先條件是涂層穩(wěn)定，不發(fā)生裂縫、脫離；鑄鐵管、鋼管運(yùn)行時(shí)，所有的內(nèi)外負(fù)載都由鐵鋼筒體承擔(dān)，筒體傳遞給襯里層的應(yīng)力非常之?。煌搀w在外，涂層在內(nèi)，筒體保護(hù)著涂層，內(nèi)壓有利于水深入涂層細(xì)部，水泥顆粒的水化作用繼續(xù)，涂層更加致密，細(xì)小裂縫還可自己愈合；內(nèi)壓還有利于涂層同管壁結(jié)合。襯里層保護(hù)了管道內(nèi)壁，管道保護(hù)了襯里，這就是內(nèi)襯水泥砂漿層能長(zhǎng)期保護(hù)管道內(nèi)壁的原因。

4.1.2PCCP管水泥保護(hù)層自身得不到保護(hù)，難以為鋼絲提供可靠保護(hù)

水泥砂漿襯里層對(duì)鑄鐵管、鋼管可以提供50年以上的安全服務(wù)，但水泥砂漿保護(hù)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(yùn)行時(shí)雖然內(nèi)外負(fù)載主要都由鋼絲、鋼筒承擔(dān)，但因鋼絲鋼筒在內(nèi)，脆性的水泥保護(hù)層在外，保護(hù)層自身得不到保護(hù)，所有的內(nèi)外負(fù)載以及運(yùn)輸、吊裝時(shí)的震動(dòng)、碰撞，全部都是產(chǎn)生裂縫和發(fā)展裂縫的誘因，傷害保護(hù)層；保護(hù)層外部環(huán)境復(fù)雜，如干濕交替、土壤含有傷害保護(hù)層成分等等，不一定能為鋼絲形成保護(hù)環(huán)境。襯里層和保護(hù)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(fā)揮的作用也就不一樣。實(shí)踐表明，PCCP管保護(hù)層同鑄鐵管襯里層所處條件不同，難有同樣壽命。

4.2 高內(nèi)壓、大口徑的管線應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)

PCCP管的水泥保護(hù)層是管芯、鋼絲在無(wú)內(nèi)壓狀態(tài)下成形、養(yǎng)生的，運(yùn)行時(shí)高內(nèi)壓會(huì)使管道有小小的“膨脹”，這個(gè)膨脹有將保護(hù)層脹裂傾向，是裂縫生成的主要源頭且無(wú)法避開(kāi)；膨脹量同內(nèi)壓成正比關(guān)系，同口徑也成正比關(guān)系，所以高內(nèi)壓大口徑的PCCP管特別危險(xiǎn)。在保護(hù)層外做環(huán)氧樹(shù)脂等涂層，對(duì)因膨脹而產(chǎn)生的裂縫，也很難起到阻止作用；同樣，陰極保護(hù)也對(duì)膨脹而產(chǎn)生的裂縫，不能有阻止作用。大人工河工程設(shè)計(jì)內(nèi)壓達(dá)到2.8Mpa，對(duì)水管來(lái)說(shuō)是較高的內(nèi)壓，上海供水系統(tǒng)的水廠出廠管，內(nèi)壓都在0.5Mpa以下，所以高內(nèi)壓應(yīng)該是大人工河工程出現(xiàn)多次爆裂和幾萬(wàn)根鋼絲斷裂的主要原因。

美國(guó)失效研究報(bào)告中提到，美國(guó)水務(wù)機(jī)構(gòu)一致認(rèn)為“水壓試驗(yàn)”和“水擊”是PCCP管線失效的二個(gè)“肇事者”，這也就是水務(wù)機(jī)構(gòu)對(duì)自己系統(tǒng)中的P CC P管線采取降壓、校核運(yùn)行措施的原因。這也表明高內(nèi)壓對(duì)大口徑PCCP這樣的產(chǎn)品是不合適的。

4.3 保守設(shè)計(jì)的低內(nèi)壓管線可以有較長(zhǎng)使用壽命

如果一定要使PCCP管使用壽命達(dá)到100年，早期設(shè)計(jì)要留有余地。鋼絲設(shè)計(jì)應(yīng)力不宜大于極限強(qiáng)度45%、運(yùn)行內(nèi)壓低、埋設(shè)環(huán)境好，這樣條件下的PCCP管，其保護(hù)層就會(huì)大大減少發(fā)生有害裂縫，管線就可以有很長(zhǎng)壽命。國(guó)內(nèi)在管表面涂裝環(huán)氧煤瀝青，也是保護(hù)外層水泥的一種方法。

但案例只能說(shuō)明可能性存在，不能因?yàn)橛辛?0年就發(fā)生爆裂的案例，就將它作為壽命只能是10年依據(jù)或證明；也不能因?yàn)榭赡苡羞\(yùn)行100年的案例，就堅(jiān)持壽命可以有100年的說(shuō)法。就P CC P這個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，美國(guó)的 PCCP失效研究報(bào)告，做了這些深入和了解工作，最后得到結(jié)果是:失效的核心原因是鋼絲腐蝕斷裂，這樣的結(jié)果應(yīng)該是可以成立的，可以拿來(lái)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(rèn)為，認(rèn)真深入研究PCCP的鋼絲斷裂，是有實(shí)際意義的。

雖然美國(guó)失效報(bào)告中沒(méi)有直接說(shuō)，美國(guó)水務(wù)機(jī)構(gòu)今后不再用PCCP了；但是他們的降壓、審核運(yùn)行、內(nèi)外部檢查及修復(fù)或更換管道等等行動(dòng)，實(shí)際上表達(dá)他們對(duì)PCCP管的態(tài)度，這也是阿美隆公司（Ameron）、普賴(lài)斯兄弟公司（Price Brothers），停產(chǎn)關(guān)閉的最重原因之一。

5 對(duì)中國(guó)管材應(yīng)用的警示

20年前中國(guó)從美國(guó)引進(jìn)了PCCP管技術(shù)，目前生產(chǎn)量已經(jīng)是世界第一，大量的PCCP管應(yīng)用于供水、（給）排水和水力電力系統(tǒng)，并且以其經(jīng)濟(jì)性和資源型的特點(diǎn)在大力推廣，但前人之轍理應(yīng)成為我們的寶貴財(cái)富，今天美國(guó)對(duì)PCCP管的新認(rèn)識(shí)和態(tài)度對(duì)中國(guó)業(yè)界是一個(gè)很好的警示。

（1）對(duì)于正在設(shè)計(jì)建設(shè)的高內(nèi)壓大口徑 PCCP管線，建議在信息對(duì)稱(chēng)的條件下，再度評(píng)估工程決策和設(shè)計(jì)，決定繼續(xù)原來(lái)設(shè)計(jì)還是重新設(shè)計(jì)，把握好設(shè)計(jì)關(guān)。

（2）對(duì)于已建設(shè)運(yùn)行的PCCP管線，特別是高內(nèi)壓大口徑管線，建議抓緊進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核、校核運(yùn)行條件、開(kāi)展內(nèi)外部檢測(cè)，按檢測(cè)結(jié)果采取相應(yīng)的防范和補(bǔ)救措施。這是確保已經(jīng)建設(shè)管線正常安全運(yùn)行一個(gè)必要的環(huán)節(jié)，把握好應(yīng)用關(guān)。

（3）應(yīng)重視向中國(guó)提供技術(shù)的美國(guó)公司已經(jīng)停產(chǎn)關(guān)閉的事實(shí)，深入對(duì)其停產(chǎn)關(guān)閉原因及細(xì)節(jié)的了解，全面比照中國(guó)的現(xiàn)狀條件，才能對(duì)自己產(chǎn)品的完善、提升做出正確判定，把握好產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)。

（4）設(shè)計(jì)研究單位應(yīng)該對(duì)美國(guó)PCCP管的應(yīng)用現(xiàn)狀、大人工河案例開(kāi)展研究討論，收集更多信息，關(guān)心中國(guó)工程應(yīng)用，為用戶(hù)、開(kāi)發(fā)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(guó)的發(fā)展和討論—應(yīng)給鋼管一些注意［J］.給水排水，2005（12）.

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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(jí)工程師。