美國標準一個細節(jié)出錯PCCP失效解析

1、 PCCP失效解析美國結構設計標準一個細節(jié)有錯 沈之基 (上海市自來水公司, 上海原水股份有限公司 200085) 摘要： PCCP主要失效模式是鋼絲腐蝕管爆裂，防護層裂縫是鋼絲腐蝕主要原因；防護層裂縫不可避免，產(chǎn)品結構設計中存在先天隱蔽性缺陷；高內壓的大口徑PCCP管線“膨脹量”大，特別危險。信息高度不對稱，造成不公平的競爭環(huán)境和結果。美國主流的管道設計已經(jīng)不再考慮PCCP。失效信息在中國慢慢傳開，輸水管線市場將出現(xiàn)大變局。關鍵詞： PCCP 、失效 、鋼絲腐蝕 、砂漿防護層、防護層裂縫、斷裂 、爆裂、 鋼管 Parsing of PCCP failure- A mistake in det

2、ail of American structure design standardShen Zhi ji (SHANGHAI WATERWORKS CO., SHANGHAI MUNICIPAL RAW WATER CO.,LTD  200085）Abstract：The main failure mode of PCCP is main pipe burst due to fracture of the prestressing wires caused by corrosion. The cracking of mortar co

3、ating which is used to protect prestressing wire is inevitable. It is inherent and hidden defects in design concept. High internal pressure and large diameter pipeline is particular dangerous. Highly unbalanced information, caused the unfair competition environment and results. In the United States

4、has, PCCP is no longer in the consideration for mainstream design of transmission mains. The failure information spread slowly, water pipeline market will begin to change。Keywords: PCCP, failure, steel wire corrosion, mortar protective layer , protective layer crack, fracture, burst, steel pipe0.前言

5、PCCP能夠經(jīng)濟，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(jié)約了鋼材而取得經(jīng)濟性。 PCCP能夠耐腐蝕，是因為主要受力元素-鋼絲，有砂漿保護層保護。砂漿保護層能充分保護鋼絲，這是發(fā)展這個產(chǎn)品時開發(fā)人員的期望，也是這個產(chǎn)品投入運行一段時間內的表現(xiàn)；但是隨著時間推移，大量的管線運行實踐表明，PCCP中鋼絲容易腐蝕，其結果是管爆裂（1、2）。新構造的實際表現(xiàn)同開發(fā)期望有極大的差異。1.主要失效模式是鋼絲腐蝕管爆裂，防護層裂縫是鋼絲腐蝕主要原因。PCCP主要失效模式是爆裂，是鋼絲腐蝕斷裂引起，這已經(jīng)得到大量運行實踐證明并為行業(yè)公認。鋼絲腐蝕斷裂原因，可以列舉很多

6、。因為腐蝕本質上是腐蝕電池或雜散電流運動結果，所以通?？倳匀坏貙ⅰ巴寥烙懈g性介質（含雜散電流）、保護層裂縫”看成是鋼絲腐蝕的二個必要條件和主要原因，是二者交集才發(fā)生腐蝕，這二個主要原因實際作用是怎么樣的，哪一個實際作用更大一些，現(xiàn)在有二種觀點。1.1. 腐蝕性介質說 這種觀點緊緊抓住腐蝕斷裂是腐蝕電池或雜散電流運動結果這個事實，對土壤有腐蝕性介質、雜散電流特別看重，認為土壤有腐蝕性介質時，才需要采取對應措施。如果土壤沒有腐蝕性介質等，那保護層即使有裂縫，裂縫處因砂漿提供了高堿性環(huán)境，鋼絲表面被鈍化而不會腐蝕，就不需要采用防腐蝕措施。對策的重心也就自然針對腐蝕性介質：如采用環(huán)氧煤瀝青涂覆管道

7、外壁，加陰極保護措施；這種觀點無論在理論上還是實踐上，都可以認為是有效果、可操作的；但其最大不足是效力不高而且不徹底，做了這么多的努力，結果還是對鋼絲的腐蝕不放心，還要再對運行中PCCP鋼絲狀況, 采取實時監(jiān)測的措施，而這個實時監(jiān)測的進行也需要化很大力氣和費用。中國現(xiàn)在以南水北調工程為主導的水利系統(tǒng)，就接受這樣觀點并行動的。1.2.保護層裂縫說 如果問，鋼絲腐蝕為何發(fā)生在這個管子而不是相鄰的管子，為何發(fā)生在這個管子的這個局部而不是這個管子的其他部位，這顯然不能從“土壤有腐蝕性介質、雜散電流影響”中得到回答；回答只能是這個部位最利于腐蝕電池生成、運動，或者這個部位雜散電流最 “通暢”，這個部位就

8、是保護層裂縫最厲害的地方。不發(fā)生鋼絲腐蝕的“相鄰的管子”、 “管子的其他部位”,自然是保護層處于相對完好狀態(tài)。同樣的土壤腐蝕環(huán)境，保護層裂縫處鋼絲腐蝕，保護層完好處，鋼絲就就不發(fā)生腐蝕，這表明保護層裂縫對決定鋼絲是否腐蝕更有力。對PCCP來說，土壤有腐蝕性介質是外來的因素，多數(shù)情況下總是會遇到，只能采用應對措施；保護層裂縫是產(chǎn)品自身的因素，是應該首先自律的。中國城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)的同行，現(xiàn)在多數(shù)已經(jīng)接受這樣觀點（2）。2水泥砂漿保護層裂縫不可避免PCCP標準規(guī)定，砂漿保護層不允許有任何可見裂縫，實際情況砂漿保護層種種裂縫不可避免。水泥砂漿保護層脆、抗拉強度低，一定強度的沖擊、拉伸就會出現(xiàn)裂縫。即使工

9、廠中PCCP保護層完好的，出廠后運輸?shù)跹b中的碰撞、震動，鋪設運行后承受的內外負載，都將是產(chǎn)生裂縫的原因。在這些原因中，碰撞、震動等等只要認真措施是可以避免產(chǎn)生傷害的，最厲害的是內壓，因為它和它產(chǎn)生的傷害無法避免。保護層是在管芯纏繞鋼絲后，在無內壓狀態(tài)下成形、養(yǎng)生、定型的 ；運行或試壓時，這個繞鋼絲管芯將承受內壓，有內壓時同無內壓時相比，整個構造應該有小小的“膨脹”，這個膨脹有將保護層漲裂傾向，是保護層裂縫生成源頭且無法避開。標準規(guī)定，管芯的最小厚度是內徑的1/16，按圓管管壁環(huán)向應力理論計算公式，同砂漿抗拉極限強度相應的管道內壓約為0.625MPa，這就是說，管道內壓超出0.625MPa，就有

10、可能引起水泥砂漿保護層產(chǎn)生微裂縫。變形迭加原理認為，最薄弱處將產(chǎn)生最大變形；一旦開裂，最薄弱處就成為其他部分變形能釋放優(yōu)先部位，微裂縫漸漸合并最終形成表面裂縫或較大裂縫。也就是說，微細裂縫在運行內壓持續(xù)作用下，能歸合為可見裂縫、有害裂縫。當土壤為有腐蝕性場合，鋼絲腐蝕發(fā)生，510年后就發(fā)生管爆裂，美國、非洲、中國，都經(jīng)歷了這樣的結果（1、2）。3. 美國結構設計標準存在先天隱蔽性缺陷對防護層裂縫，美國標準AWWA C304的附錄A.10中是這樣提及的：文獻對混凝土和砂漿的裂縫有二種觀點，一是變形量假設，另一是變形迭加。該標準對二種觀點未經(jīng)充分展開，就在標準正文中采信變形量假設觀點來校核裂縫。3

11、.1 6.48倍虛擬抗拉應力使校核如同虛設。 變形量假設觀點認為，保護層受高于砂漿抗拉強度的拉伸，就會產(chǎn)生肉眼不能見的微裂縫；而可見裂縫變形量為微裂縫8倍，此時保護層虛擬抗拉應力為砂漿抗拉強度8倍。標準規(guī)定保護層裂縫校核方法，采用相當6.48倍水泥砂漿抗拉強度的變形量或虛擬抗拉應力，只要內外負載產(chǎn)生的變形量或抗拉應力小于這個假設變形量或虛擬抗拉應力，保護裂縫校核就可以通過。按這種觀點推算，內壓在實體管上要達到40Mpa以上保護層才出現(xiàn)可見裂縫；外壓產(chǎn)生的拉應力大多數(shù)情況相當內壓作用0.31.5Mpa之間，而通常管線設計內壓總是低于2.5Mpa，所以在這樣的假設條件下，計算校核總是通過，如同虛設

12、。3.2 中國標準采用保護層應變量設計參數(shù)4.0或5.0. 中國行業(yè)標準 CECS140:2011 給水排水工程埋地預應力混凝土管和鋼筒混凝土管管道結構設計規(guī)程，采信美國標準觀點，參照美國標準，設計了保護層應變量設計參數(shù)4.0及5.0。也就是說，保護層能夠承受的拉應力為保護層極限抗拉強度的4.0或5.0倍，只要內外負載作用下產(chǎn)生的拉應力不大于這個虛擬抗拉應力，保護層裂縫校核就算通過。這個虛擬抗拉應力相應實體管內壓約2.5Mpa以上；雖然較美國標準是提高了門檻，但大多數(shù)情況下，同樣計算校核總是通過。3.3 變形量假設觀點是先天隱蔽性缺陷 砂漿抗拉強度時的變形量8倍時才出現(xiàn)可見裂縫的假設，這是在尺

13、寸相對較小的試塊試驗上，進行理想化處理才得到的一種結果，只能作為一種研究方法，不具有工程應用能力，在PCCP這樣的大尺寸構件，更是不能簡單采用。實體管內壓試驗時，通常內壓達到1.8Mp，就可看到可見裂縫出現(xiàn)，即內壓1.8Mp時，變形迭加在幾十分鐘內就完成；運行管線因持續(xù)受內壓作用, 0.81.0Mpa就處于危險（大人工河一期設計內壓就是0.81.0Mpa，已爆裂5次）；美國、中國采信這個不切合事實的假設，實際上就放過了砂漿保護層先天隱蔽性缺陷。4. 高內壓、大口徑的管線特別危險。運行時高內壓會使管道有小小的“膨脹“，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特別危險

14、。在保護層外做環(huán)氧樹脂等涂層，對因膨脹而產(chǎn)生的裂縫，起不到有力阻止作用；同樣，陰極保護也對膨脹而產(chǎn)生的裂縫，也不能有阻止作用。可以說，PCCP不合適在內壓等于或大于0.8MPa 的工況下應用，特別是口徑又在1.0米以上者。美國PCCP失效研究報告(1)，對PCCP管道風險評估開發(fā)了簡易評估和長整評估二個模式，前者對設計、制造、檢驗和運行管理等方面，提出5個問題進行訪問、評分，而后者則提出了30多個問題。項目組用長整評估模式對22條管線進行評估，檢查長整模式的評估成績。評估結果是引人深思的。得分低的管線有許多嚴重問題是自然的，但好奇的是那些得到高分的管線仍然經(jīng)歷了失效。這是因為模式對每個問題的評

15、分權重是一樣的，實際上這些問題中可以有一個或幾個，其他正面的分量不能覆蓋它，它決定著失效的發(fā)生。水務機構的思路是：有著特別的權重的問題是過度的水擊壓力。檢查它們的合同文件，作為設計條件的水擊或水壓試驗，沒有足夠的考慮。一致認為這兩個問題是失效的“肇事者。美國水務機構這個“一致認為”，為發(fā)現(xiàn)“較高內壓是砂漿保護層產(chǎn)生裂縫最主要原因”作出了關鍵性的貢獻。當大用戶明白了這件事，自然也就不再接受PCCP，美國PCCP開發(fā)商只能停產(chǎn)或關閉（1）。5. 保守設計的低內壓PCCP管線可以有很長壽命 一定可以有壽命100年 的PCCP。早期設計保守（鋼絲設計應力為極限強度45%）、運行內壓低、埋設環(huán)境好，這樣

16、的條件下PCCP，其“膨脹量”相當小，保護層就不會發(fā)生有害裂縫，鋼絲就不會腐蝕斷裂，管線就可以有很長壽命，100年的壽命。6. 信息高度不對稱，造成在不公平的競爭環(huán)境和結果。6.1 九十年代美國已經(jīng)不看好PCCP到上世紀八十年代，眾多的PCCP爆裂失效事件已經(jīng)使人們不得不對它再研討；九十年代初，美國自來水協(xié)會研究基金會（AwwaRF）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(fā)布了“PCCP失效”的研究報告（1）。美國十余個地區(qū)或城市的水務機構，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，都參與這個

17、研究項目。所以九十年代在美國，PCCP年生產(chǎn)使用量已經(jīng)大大下降，不為大城市水務機構看好；例如，筆者96年有機會到美國加利福尼亞水資源部訪問，當提出學習PCCP應用經(jīng)驗時，接待的工程部長就表示，應該優(yōu)先考慮使用鋼管，并提供一個大口徑PCCP管線爆裂材料（3）。6.2 中國只聽美國開發(fā)商的叫好聲音，優(yōu)先采用PCCP。 種種原因，直到新世紀，中國專家和有關決策者還是沒用聽到北美、歐洲大用戶的意見或沒有重視這些大用戶的意見，聽到只有美國開發(fā)商的叫好聲音；山西萬家寨引水工程應用PCCP成功的示范、南水北調決策應用4.0米PCCP的引導，發(fā)改委文件明確表示DN1200以上輸水管材優(yōu)先采用PCCP，一系列自

18、然行進的過程，使幾年前曾有PCCP公司破產(chǎn)被收購案例的中國，一下子成為世界PCCP生產(chǎn)使用量最高的國家。信息的高度不對稱，使一個已經(jīng)不被看好、幾年后就停產(chǎn)的產(chǎn)品，在中國有最好機會。7. 國內外實施對策的討論 7.1 國外實施對策的概況 美國的水務機構已經(jīng)對自己系統(tǒng)中的PCCP，采取降壓、審核運行、檢查及修復或更換管道等等行動。對正在建設的管線，只能采用增加防腐蝕能力辦法，如：環(huán)氧煤瀝青涂層、陰極保護、提高砂漿保護層質量等補救措施. 這是可行的辦法，但也是無可奈何不得已的辦法。 對新建管線，已經(jīng)不再采用PCCP而采用鋼管，鋼管產(chǎn)品進一步提升，如美國阿美隆公司停產(chǎn)PCCP后，開發(fā)了預應力混凝土村里

19、鋼管，是鋼管的升級產(chǎn)品，也是PCCP升級產(chǎn)品。 最近一位在美華人學者告訴我，在2012年的ASCE（美國土木工程師學會） 管道會議的PCCP 論壇中，參會的各PCCP大用戶供水公司的工程師都在說，PCCP已經(jīng)不再在他們考慮中。主要的考慮因素：過高的失效后果（對第三方的破壞會涉及高昂的賠償問題），管道生命后期的檢測和維修費用過高。還有一個因素就是PCCP 破壞的不可預測性和突發(fā)性。雖然PCCP預應力鋼筋的斷裂可以用光纖聲波（AFO）系統(tǒng)實時監(jiān)測，但有時候即使發(fā)現(xiàn)了也來不及反應，而且監(jiān)測系統(tǒng)昂貴。相比而言，steel pipe(鋼管)的破壞模式相對簡單，比較可控。相應的維修也簡單。所以在新的主干管

20、道考慮鋼管。最近美國土木工程學會的網(wǎng)站發(fā)布論文中，就有最先進的實時在線檢測技術沒有能給予風險指示而突然發(fā)生爆裂的報告。一個報告說，接口附近的鋼絲斷裂檢測系統(tǒng)不能反映，所以一個在實時在線檢測系統(tǒng)監(jiān)測下的管線突然發(fā)生爆裂；一個報告說，如果PCCP沒有充分預應力, 斷線時就不能產(chǎn)生明顯的、AFO系統(tǒng)能捕捉到的噪聲，一個 60-in. PCCP，安裝了AFO系統(tǒng)，但還是突然發(fā)生爆裂，沒有給予予警（4）。2014年10月，中國混凝土與水泥制品協(xié)會組織考察團到北美，考察主要內容是：混凝土與水泥制品尤其是PCCP管道在北美的制造技術和應用情況，國內主要PCCP生產(chǎn)公司都積極參與。訪問了一個美國PCCP大用戶

21、-華盛頓衛(wèi)生委員會（WSSC），這位在美華人正巧由WSSC安排為考察團訪問作翻譯，他在和我的交流中說，WSSC在介紹爆裂案例、風險控制后，明確地表示了對新建管線不再考慮PCCP?？上У氖强疾靾F沒有帶回這個信息，考察報告帶回的是：對于大口徑（1800以上）管線，PCCP還是最為合適的管材（5）。7.2 中國實施情況 對于已經(jīng)運行管線中國現(xiàn)在正參照國外經(jīng)驗展開工作，如中國西部某供水工程，請專業(yè)檢測公司檢測管線的鋼絲腐蝕情況，按腐蝕情況采用相應措施，如：管箍加固、陰極保護等。對于在建管線 ，中國學習國外在建管線的辦法，也采用環(huán)氧煤瀝青涂層、陰極保護、提高砂漿保護層質量等措施。對于新建管線，中國沒有自主的積極態(tài)度，現(xiàn)在是選擇了國外在建管線的無可奈何對策；對國外新建管線對策及背景，不調查消化就繼續(xù)高調PCCP，甚為可惜。8.結束語 細節(jié)決定成敗，在結構設計中處于配角地位的保護層裂縫校核，采用了錯誤的變形量假設，使較高內壓下保護層必然出現(xiàn)可見裂縫、有害裂縫的事實被隱蔽；運行管線中實際內壓接近設計內壓的管段，當鋼絲因腐蝕斷裂而少于設計給定，將難以承受設計給定的內外負載，發(fā)生爆裂或處于爆裂臨界；制作、施工、運行中任