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預應力鋼筒混凝土管損傷破壞及防治措施

文檔作者：張海鵬1 程冰清2 3 竇鐵生2 3 趙麗君2 3 董曉農2 文檔來源： 1.北京市南水北調干線管理處袁1001952曰水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室,北京100038曰 3.中國水利水電科學研究院袁		點擊數：	更新時間： 2022年10月19日
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0 前言
預應力鋼筒混凝土管淵Prestressed Concrete
Cylinder Pipe袁簡稱PCCP冤是一種大口徑堯能承受高
工壓和深覆土的輸水管袁其憑借預應力鋼絲為管芯
提供預壓應力從而提高管道承載能力袁結構形式分
為院內襯式預應力鋼筒混凝土管淵PCCPL冤淵離心工藝
成型冤袁埋置式預應力鋼筒混凝土管淵PCCPE冤淵立式
振動工藝成型冤[1]遙PCCP在輸水系統中已經使用了
70 多年袁由于其優(yōu)點特出袁已成為美國堯加拿大堯墨
西哥和中國許多輸水及引水系統中大口徑堯高工壓
和深覆土的主選管材袁同時袁也正因為PCCP口徑
大堯內壓高袁其一旦發(fā)生破壞袁可能會造成災難性的
后果遙美國Mehdi S. Zarghamee 等人通過對PCCP
斷絲管的現場試驗和有限元分析袁總結了與斷絲數
量堯使用年限有關的用于評估管道剩余承載力的風
險壓力曲線袁并提出了PCCP 斷絲管的修復方法[2]遙
Gregory J. Henry等人總結了美國休斯頓市PCCP破
壞的原因袁發(fā)現主要是由于鋼絲氫脆或腐蝕堯內部
腐蝕堯接頭過緊以及外荷載過載等現象引起了氫脆
性斷絲破壞[3]遙竇鐵生堯燕家琪將PCCP 的破壞模式
分為環(huán)向和縱向破壞袁分別從設計堯制造堯安裝堯環(huán)
境和運行等方面分析了PCCP破壞的原因[4]遙竇鐵
生堯胡赫通過有限元模擬研究了PCCP 斷絲數量對
內壓承載力的影響袁發(fā)現隨著斷絲率的升高袁PCCP
承載能力降低袁斷絲區(qū)混凝土首先出現受拉開裂[5]遙
本文總結美國PCCP 統計數據袁分析PCCP 各環(huán)節(jié)
發(fā)生破壞的原因袁歸納針對性的保護措施遙
1 PCCP 破壞模式
PCCP 破壞模式有環(huán)向破壞和縱向破壞兩種[4]袁
其主要破壞模式如下院
環(huán)向破壞院超壓寅涂層開裂寅鋼絲暴露在水環(huán)
境中寅鋼絲腐蝕并斷裂寅壓力轉移至鋼筒寅管芯
開裂寅鋼筒暴露在水環(huán)境中寅鋼筒腐蝕寅PCCP 破
壞至失效遙
縱向破壞院管道移動寅管道連接處破壞寅管芯
混凝土環(huán)向開裂寅鋼筒腐蝕寅鋼筒屈服或破壞寅
PCCP滲漏和破壞遙
2 PCCP 破壞分類與樣本統計
2.1 PCCP破壞分類
美國給水工程協會AWWA RF 報告[6]為了統計
PCCP破壞事故的數據袁將已發(fā)生的PCCP 破壞按管
道損傷程度分為三類院
破壞類別1院管道發(fā)生嚴重破裂和泄漏袁管道基
本完全失效遙
預應力鋼筒混凝土管損傷破壞及防治措施
張海鵬1袁程冰清2袁3袁竇鐵生2袁3袁趙麗君2袁3袁董曉農2袁3
淵1.北京市南水北調干線管理處袁1001952曰水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室,北京100038曰
3.中國水利水電科學研究院袁北京100038冤
摘要院由于預應力鋼筒混凝土管淵PCCP冤具有耐久性堯抗老化堯防腐性能好等優(yōu)點袁近幾年在國內大型引水堯調
水工程中得到了廣泛應用遙但隨著使用年限的增加袁管道發(fā)生損傷破壞的風險也會增加遙無論是設計堯制造堯運行等環(huán)
節(jié)出現問題袁都可能對PCCP 正常運行造成安全隱患遙本文總結了美國PCCP 破壞樣本統計數據袁對PCCP各環(huán)節(jié)
可能的破壞原因進行了分析袁歸納了針對性的保護措施袁可為管道的安全評價和修復/更換方案提供參考遙
關鍵詞院預應力鋼筒混凝土管淵PCCP冤曰統計數據曰破壞原因曰措施
Abstract: As PCCP has excellent qualities, such as durability, anti-aging and anti-corrosion performance, in recent
years, it is widely used in large-scale water diversion projects in China. But like other pipes, with its service life increasing,
the risk of damage to pipelines increases too. Whether there is a problem in each part, such as design, manufacturing,
inspection, operation, etc., it may cause safety hazards to the normal operation of PCCP. To provide a reference for pipeline
safety evaluation and repair/replacement solutions, the PCCP failure sample statistics are summarized, the causes of PCCP
damage from each part are analyzed and the corresponding effective measures to prevent PCCP damage are concluded.
Key words: Prestressed Concrete Cylinder Pipe(PCCP)曰Statistics曰Damage causes曰Measures
中圖分類號院TU528.73 文獻標識碼院A doi:10.19761/j.1000-4637.2019.05.036.04
圓園19年第5期混凝土與水泥制品圓園19 暈燥.5
5 月悅勻隕暈粵悅韻暈悅砸耘栽耘粵暈閱悅耘醞耘暈栽孕砸韻閱哉悅栽雜May
- 36 -
破壞類別2院通過定期檢查或監(jiān)測設備發(fā)
現的顯著結構性老化或結構存有缺陷遙
破壞類別3院因超過使用年限仍在使用的
管道破壞袁需通過檢測之后進行全部或部分
的管道替換遙
2.2 PCCP樣本統計
美國最早在1940~1979 年執(zhí)行ASTM
A227葉機械彈簧用冷拉鋼絲規(guī)格曳袁其中袁規(guī)定
了PCCP制造采用的預應力鋼絲袁在1979 年
以后袁執(zhí)行了ASTM A648葉預應力混凝土管用
冷拉鋼絲的標準規(guī)范曳袁根據預應力鋼絲的成
分含量袁以及不同直徑的抗拉強度將預應力
鋼絲分為三個等級袁分別是玉堯域堯芋等級遙
Interpace 公司開發(fā)了郁等級鋼絲袁并用于
PCCP 生產制造袁郁等級鋼絲雖具有較高的抗
拉強度袁但比等級域堯芋鋼絲更容易發(fā)生脆性
破壞遙在1942~2006 年間袁美國共發(fā)生399 次爆管
事故袁事故率達到十萬分之五袁這些事故給美國
PCCP 行業(yè)造成沉重的打擊遙圖1 為AWWA RF 報
告[6]中根據鋼絲等級分類的PCCP 破壞統計數據直
方圖遙該直方圖類別1 和類別2 和3破壞的樣本數
量分別是397 和25809遙左邊軸的白色柱體代表類
別1 破壞頻率袁右邊軸的花紋柱體代表類別2 和3
破壞頻率袁X 軸為鋼絲等級遙由圖可知出袁破壞類別
1 最高頻率出現在郁等級鋼絲袁第二高的破壞頻率
出現在域等級鋼絲遙對于破壞類別和2 和3袁最高頻
率也出現在郁等級鋼絲袁第二高的破壞頻率出現在
芋等級鋼絲遙報告中破壞類別2 和3出現頻率最小
的是域等級鋼絲遙
圖2 為按制造年代分類的PCCP失效率袁左邊
軸的白色柱體代表類別1 破壞導致的PCCP 失效
率袁右邊軸的花紋柱體代表類別2 和3 破壞導致的
PCCP 失效率遙由圖2 中失效率的趨勢可知袁
Interpace 管破壞類別1 導致的失效率最大值出現在
1972~1978 年時期袁所有樣本的類別2 和3 導致的
失效率最大值也出現在1972~1978 年時期遙20 世紀
70 年代袁Interpace 公司生產的PCCP管道因鋼絲和
砂漿保護層質量問題袁在美國東部造成了多起管道
失效事故遙與此同時袁在美國西部袁部分PCCP 的安
裝環(huán)境為野干冶堯野濕冶交替的環(huán)境袁由于設計人員沒
有考慮到此類環(huán)境條件的影響袁也出現了一些
PCCP 管道失效事故遙
3 PCCP 破壞原因
PCCP 需同時承受較高的內水壓和外荷載袁為
保證其在壽命使用期的正常運行袁必須從設計堯制
造堯檢查堯安裝堯運行堯周圍環(huán)境等方面層層把關袁以
下是可能會造成PCCP破壞的六大原因遙
3.1 設計
設計問題一般包括設計使用不適合的標準袁不
符合實際工程需求袁設計荷載組合選取不當袁以及
選取不當的設計或工作荷載堯不合理的安全系數
等袁設計的防腐措施達不到要求袁造成預應力鋼絲
斷裂袁管道過早破壞遙
另外袁設計也需要考慮端部的細節(jié)問題袁如接
頭的缺陷也會直接導致PCCP的破壞袁接頭處砂漿
涂層開裂會將接頭鋼環(huán)暴露于腐蝕性土壤中遙一旦
接頭鋼環(huán)開始腐蝕袁就會造成PCCP出現膨脹袁從而
使砂漿涂層開裂加劇袁使鋼絲和鋼筒暴露于同樣的
土壤和地下水環(huán)境中遙靜水壓試驗中壓力超過規(guī)定
的設計壓力和設計沖擊壓力也會導致砂漿涂層裂
縫不能自然愈合遙
3.2 制造
制造問題主要包括選用的材料達不到設計要
圖1 按鋼絲等級分類的PCCP破壞統計數據直方圖
淵AWWA RF 4034 報告統計數據冤
圖2 按制造年代分類的PCCP失效率統計數據直方圖
淵AWWA RF 4034 報告統計數據冤
破壞類別1淵樣本數量=397冤
200 破壞類別 2和 3淵樣本數量=25 809冤
160
120
80
40
0
10 000
8 000
6 000
4 000
2 000
0 等級玉等級域等級芋等級郁
鋼絲等級
類別1破壞
類別2和3破壞
35
30
25
20
15
10
50
20
16
12
8
4
0
制造年代
張海鵬袁程冰清袁竇鐵生袁等預應力鋼筒混凝土管損傷破壞及防治措施
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求和制造操作達不到技術要求遙如配套接頭的尺寸
不匹配引起的接頭處的泄漏曰焊接技術粗糙導致鋼
筒接縫處與鋼筒和連接環(huán)之間的缺陷遙
淵1冤砂漿
砂漿保護層是保護預應力鋼絲免受外界環(huán)境
腐蝕的屏障袁低密度堯低厚度和低水泥含量的砂漿
都會導致鋼絲腐蝕遙若砂漿出現多孔或厚度不夠的
問題會大大增加腐蝕性介質過早接觸到鋼絲的概
率袁提高鋼絲的腐蝕率袁從而影響管道的使用壽命遙
淵2冤鋼絲
在預應力鋼絲加工制造過程中袁鋼絲在短時間
完成抽拉需達到300~371 益的高溫袁若設備冷卻能
力不夠堯磷化質量不佳堯潤滑不好袁工藝順序或是操
作不當都會造成拉拔力過大堯線材過熱等問題袁使
鋼絲線材產生有害拉拔應力袁易使鋼絲因氫脆問題
發(fā)生突然脆斷遙鋼絲等級越高越易發(fā)生脆性破壞遙
淵3冤管芯混凝土
管芯混凝土蠕變和收縮過度會導致管芯混凝
土開裂袁造成管芯蠕變和收縮過度的原因較多袁如
水灰比過高堯細骨料含量過多堯在施加預應力前混
凝土管芯的硬化不夠或不適當遙
3.3 檢查
在管道出廠前袁廠家需按標準要求檢查管道的
各向指標是否達標遙管道運到現場后袁需進行現場
檢查袁檢查管道是否存在明顯的結構破損堯管道的
預應力損失值是否在允許范圍內堯接頭涂層是否受
損堯接頭的配套墊圈是否合格等遙
3.4 安裝
安裝步驟需嚴密遵守安裝手冊上的要求和規(guī)
定袁且需考慮實際工程條件補充其他必要措施袁保
證管道的成功安裝遙通常出現的安裝問題有墊層和
回填土的壓實度沒有達到要求曰另外袁管道的錯誤
安裝袁如管道安放位置的設計安全系數或強度不足
淵指每根PCCP需按特定位置的要求設計袁而不適合
安裝在其它任何地方冤遙
3.5 運行
運行不當引起的壓力過快變化袁土荷載堯活荷
載堯瞬時壓力超載都可能會造成多根管道破壞袁對
管線產生不良影響遙對于已存在斷絲的PCCP袁小于
設計水錘壓力的瞬態(tài)波也會對其造成破壞遙
預應力鋼絲發(fā)生氫脆破壞的兩個主要原因如
下院淤陰極野過度保護冶袁在鋼絲表面析出氫原子曰于
鋼絲表面接觸到腐蝕性介質發(fā)生化學腐蝕袁造成氫
原子析出遙鋼絲的一般腐蝕會導致鋼絲斷口截面減
小袁而氫脆破壞一般從微小的裂紋/缺陷開始發(fā)展袁
鋼絲斷口截面大小基本保持不變遙
3.6 其他周圍環(huán)境問題
對PCCP中的鋼絲而言袁其主要環(huán)境介質是混
凝土遙由于混凝土不能完全隔離鋼絲與外部環(huán)境中
的水接觸袁當環(huán)境介質滿足以下三個條件時鋼絲發(fā)
生脆性破壞概率將提高[7]院淤有水存在曰于氯離子含
量超過7伊10-6淵引起鋼絲敏化作用冤曰盂單體氧充足遙
對于PCCP而言袁其周圍環(huán)境是土壤袁不同地區(qū)的土
壤堯地表/地下水滲透堯生活污水堯農業(yè)化肥堯溫度堯濕
度差別都較大袁當土壤中氯離子含量較大堯硫酸鹽
含量較高堯存在雜散電流等情況時都可能加速促使
鋼絲的失效遙
4 防治措施
PCCP 的破壞通常從外表面開始袁即砂漿保護
層開裂之后袁鋼絲暴露于周圍環(huán)境腐蝕性介質中袁
鋼絲發(fā)生斷裂袁從而造成管道損傷遙例如處于沙漠
地區(qū)的利比亞大人工河工程袁雖然其含水率較低袁
但氯離子也會通過滲漏進入砂漿袁使得管道發(fā)生腐
蝕遙為保證管道在使用壽命期間安全堯穩(wěn)定地運行袁
需對各個環(huán)節(jié)嚴格監(jiān)控袁同時袁根據工程的實際需
求袁需采取相應地措施延緩PCCP進一步的劣化遙
4.1 設計
設計需充分考慮實際工程現場的需求袁選擇合
理的設計荷載組合和安全系數袁對于腐蝕性環(huán)境袁
需采取針對性的設計防腐措施袁如在有腐蝕性介質
存在的環(huán)境中袁建議增加環(huán)氧煤瀝青防腐涂層袁由
于其附著力較好袁極限延伸率大于砂漿涂層袁相當
于在管道外側的隔離層袁加強砂漿對鋼絲的保護效
果遙對于存在雜散電流的土壤環(huán)境袁可在管道表面
涂抹特殊的絕緣層袁將管道和外界可能的電流通路
隔離開袁防止外界電流的干擾遙
4.2 制造
生產制造管道的廠家都應使每個單位長度的
管道達到最高質量水平袁并與設計要求保持一致遙
4.2.1 砂漿
砂漿保護層是保護預應力鋼絲免受外界環(huán)境
腐蝕的屏障袁需選用密實度高堯抗?jié)B性好的砂漿遙可
通過改進噴涂設備提高砂漿保護層的密實性袁降低
其滲透能力袁以阻止或延緩環(huán)境侵蝕介質淵如氯化
物等冤對預應力鋼絲的侵蝕遙砂漿的配合比不應大
于1頤3袁增加水泥用量可增強鋼絲的堿性環(huán)境袁并加
厚鈍化膜的厚度遙砂漿涂層厚度需達到設計要求袁
且涂抹均勻袁禁止使用硫鋁酸鹽水泥制作保護層遙
4.2.2 鋼絲
為了防止在鋼絲中產生有害拉拔應力袁在預應
圓園19年第5期混凝土與水泥制品總第277 期
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力鋼絲纏絲過程中袁需保證工藝和操作步驟規(guī)范袁
控制好鋼絲的冷拉過程袁防止抽拉過快袁同時袁需避
免熱量過高堯抗拉強度過高袁且注意纏絲均勻袁不能
纏絲過密遙另外袁為了防止預應力鋼絲的腐蝕袁可對
預應力鋼絲表面進行人工鈍化處理遙
4.2.3 管芯混凝土
通過在拌合物中使用摻合料及外加劑來提高
混凝土性能袁以降低混凝土的氯離子的滲透性袁增
加混凝土電阻率袁從而延緩預應力鋼絲的腐蝕遙
4.3 檢查
按規(guī)范要求做好管道的出廠前檢查和現場檢
查袁針對鋼絲的氫脆問題袁做好氫脆化靈敏性測試袁
避免鋼絲氫脆化問題袁同時袁從源頭減少PCCP 中鋼
絲的氫原子侵襲問題袁采取穩(wěn)定化處理消除或明顯
減輕鋼絲的氫脆敏感性傾向遙
4.4 安裝
提高管道的安裝質量要求袁嚴格控制溝槽的平
整度堯墊層的厚度堯回填土的夯實要求等袁嚴格要求
施工現場的質量袁監(jiān)管不過關可能會使管道日后的
運行存在安全隱患遙
4.5 運行
運行過程中禁止管道超載遙對于預應力鋼絲的
電化學腐蝕問題袁可采用陰極保護的方式袁陰極保
護是金屬管道中使用較廣的防止電化學腐蝕的有
效措施袁但采用陰極保護措施應謹慎確定陰極保護
的電位范圍袁不適當的陰極保護可能會加速鋼絲的
腐蝕袁增加鋼絲的惡化率遙
5 結論
淵1冤PCCP 的破壞模式分為環(huán)向破壞和縱向破
壞兩種袁造成環(huán)向破壞的主要原因是超壓袁縱向破
壞的主要原因是管道移動遙
淵2冤美國AWWA RF 報告按照管道損傷程度
將PCCP 破壞分為三類遙美國PCCP 樣本統計數據
顯示袁美國PCCP 三種類別破壞的最高頻率都出現
在郁等級鋼絲袁三種類別破壞的最高頻率都發(fā)生在
20 世紀70 年代遙
淵3冤PCCP 破壞原因主要包括設計堯制造堯檢
查堯安裝堯運行堯周圍環(huán)境等方面袁需從各個方面仔
細分析袁采取針對性的防治措施遙
參考文獻院
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收稿日期院2018-10-15
作者簡介院張海鵬淵1972-冤袁男袁博士堯高級工程師遙
聯系電話院13701390623
E-mail:492795133@qq.com
張海鵬袁程冰清袁竇鐵生袁等預應力鋼筒混凝土管損傷破壞及防治措施
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