PCCP在中国的发展和讨论

沈之基

　　摘要：PCCP在中国经过艰难的发展初期,已进入了大发展时期；在大发展的大好时机面前，应注意来自用户方面的不同意见，应从玻璃钢管、暗渠等管材在中国的兴衰历程中吸取教训，注意PCCP的产品质量，把握好PCCP的工程应用特性；要对钢管应用给以一些注意，开展必要讨论，今后不会再遗憾。
　　关键词：PCCP, 玻璃钢管，暗渠，现浇预应力混凝土矩型管，成品钢管，滑入式接口，柔性接口，

0.前言

　　大工程前期，不同意见的充分讨论，常常可以取得另一种的更好结果；大工程的示范作用，可以误导或推进整个行业的发展进程；因此，在PCCP大发展时期，笔者提出要注意来自美国大用户的不同意见，要从国内一些管材的兴衰经历中吸取教训，防止过分热情而走过头；注意PCCP的产品质量，把握好PCCP的工程应用特性; 同时指出，钢管在我国由于应用经验少，所以造成设计保守而造价较高，应对钢管给一点注意，开展必要讨论，今后不会有遗憾。

1.艰难的发展初期

　　80年代初，在改革开放的方针指引下，封闭的思想开了口子，国外技术先进性重新得到认可，种种先进技术信息通过各种通道进入中国；国外已成功应用了几十年的PCCP技术也逐渐进入人们视界；由于历史的原因，当时从国外引进技术的操作难度还较大，所以行业中的最敏感的一些先行者，只能以非常小的步子进行开拓、探索工作，南京、上海的企业家依靠在预应力混凝土压力管上积累，自行研制DN400、DN1200的PCCP; 88年DN400的PCCP成功地用于一个小水电站的高压进水管；89年试制成功DN1200的PCCP并在一个城市供水管网中生产性应用；这些先行者的努力，为PCCP技术的引进作了很好的铺垫。
　　随着开发方针的展开，从国外引进技术的机会逐渐形成，在89、90年间，在水电部的指导和支持下，山东一家公司先开始引进美国的PCCP技术和设备，具备了生产DN1400～3400的PCCP的能力；之后很快国内就有了三、四家能生产DN1400～4000的PCCP公司。
　　虽然PCCP在较大的口径、特别是在DN2500以上更有竞争优势，但在开始的十来年中，大口径PCCP在国内未能顺利展开；大口径PCCP的工程应用不仅仅是技术上的可行问题，大工程的决策责任常有更重份量，在技术专家认识了之后，还要相应层面的决策领导接受，这是一个需要一定时间的过程；在这个有点漫长等待中，这些PCCP公司不得不调整思路，重新开发生产DN800～1200的较小口径产品，以此维持公司运行；这是一个艰难的发展初期，其中有一家公司曾有破产被收购的经历。

2.引黄工程的示范作用－－PCCP大发展

　　随着时间推移，一些不长的大口径PCCP工程的积累，PCCP在引水工程上应用的时机逐渐形成。2001年，山西引黄工程42公里的DN3000压力管线, 在种种积极因素的推动下，决定采用PCCP . 这个工程应用案例，产生了极大的示范作用，就一、二年间，中国大地一下子就有了几十个PCCP生产厂；这当然同十年来技术得到消化，需要的投入大大降低有关。开始引进时，一个生产厂要投入1～2亿元，；引进部分关键设备，仅这一块也要5000万；而现今，同样能力的一条生产线，1000万就可，而原来有生产预应力钢筋混凝土压力管的公司，化1～200万添些接口制作设备，也能生产PCCP, PCCP行业进入了大发展时期。
　　在大发展的形势下，走在前面的PCCP企业家已经敏感地感到了中国管材发展通病在PCCP行业上的潜在危机；一种管材一被看好，就会有许多人拼命上，接下来的结果就是低质量、低价格的恶性竞争，再后面就是，国外的好东西在中国就成了“鸡肋”，食之无味，丢之可惜。2002年，有实力的PCCP公司已开始注意具有入门门槛、能适应更大范围竞争的柔性接口钢管了。
　　2003年下半年，多年来一直说要动的南水北调工程启动，PCCP成了压力输水管线的最优选择甚至是唯一选择，一些开发商、投资人都似乎手中有几年的定单，大量投资涌入PCCP开发；最近完成DN4000的PCCP试制的不是有十余年资历的老公司，而是一个刚出生的新公司。PCCP发展的黄金期的形成，淡化了中国管材发展的通病危机。。

3. 黄金期的忠告

　　在这个黄金期，笔者要说一些另类的话；PCCP现在在我国有很好的声誉，有极好的发展空间，越是形势大好，就更要脚踏实地地认真对待不同意见。
3.1 来自美国的另一种声音
　　不仅要听开发商的话，更要听听来自应用PCCP的业主的话。笔者在96年考察美国加里福尼亚州的引水工程时，水资源部的工程部长，一位资深的技术专家说，美国的PCCP标准有缺陷，要用PCCP, 应考虑他的经验，他可以提供更好的技术；这位部长给了我们一份94年在一条内径11英尺（大约为DN3400）的PCCP管线上发生的爆裂事故的文件，有几十幅照片，这里将其中一幅传给大家参考（图1）。从这个文件知道，PCCP主要的事故模式是爆裂；爆裂是因高强度钢线断裂引起的；钢线的断裂，腐食是一种主要原因，还可能有其他的产生原因；事故处理较麻烦，就这一节爆裂管用了二个多星期；在修复期间还发现了多处钢线断裂、钢线腐蚀的隐患，其中有一处，已有几十根钢线断裂, 随时有爆裂发生可能。美国这位部长的意见应不是特例，早在70年代，美国自来水协会会刊上介绍美国几个大城市供水主管线的应用经验的文章中，对PCCP也有类似的说法^（3）。
3.2 玻璃钢管、暗渠在中国的教训
　　在对PCCP一片叫好声中，业主、设计院要冷静。PCCP是一个好的产品，但这不等于所有的PCCP一定都是好的；鉴定时好、试制时好不等于批量供货时都好；要掌好产品质量关，要把握好PCCP的工程应用特性。
3.2.1 玻璃钢管曾有点走过头
　　笔者对国内一些玻璃钢管开发商的努力非常钦佩，他们推广应用玻璃钢管的工作，作得比国外的老师还强。但应该说这不是好事，是有点走过了头的过分之举。GRP材料的特点是耐蚀性特别好，但强度、弹性模量同钢相比要低的多两者相差约一个数量级；对大口径埋设管线来说，承受的荷载中，外压所占比例相当大，常较内压还大，管体承受的应力就非常大，因此，玻璃钢管是不宜作大口径埋设压力管线的；国外玻璃钢管用于大口径压力管线的工程案例较少，比较多的应用是受力相对较小、水的腐蚀性较强的排放管线。国内在较小口径的压力管线上应用玻璃钢管得到成功后，就将它推上了较大口径的压力管线，未充分考虑到因口径增大而在管线强度特性上出现的质变；再加上叫好声中对质量的粗放难免，结果不少DN1000以上的玻璃钢管引水工程出现问题，甚至推到重来案例；又如，前些年，一家玻璃钢管开发商说，玻璃钢管光滑，摩阻系数是0.0084，技术经济比较时可以取低一挡的口径。结果有些供水工程的管材比选时，玻璃钢管就用小一挡尺寸参与，玻璃钢管由此得以胜出。工程投入运行，就发现输水能力不像说的那样高。实际上，这个0.0084是不具有工程中采用的效力的，是在一段不长的较小口径玻璃钢管上作出来的，数据不多且非常离散，完全全不能代表大口径特性；再说，各种合格管材的输水表面，通水运行几年后，管内壁将都是一层“薄泥浆”， 摩阻趋于接近。国外就没有可以取低一挡的口径进入技术经济比较的规则。
　　总之，在玻璃钢管的应用范围和输水能力方面，开发商有点不切实际地高估，期望值超过了玻璃钢管的实能力，所作的努力实际上只是一种美好愿望；业主、设计院跟进，结果“好果子”大家吃。
3.2.2 暗渠用于压力输水是一个大遗憾
　　80年代初，天津、上海等大城市的供水系统就产生规模在每天100万或几百万立方米的引水需要，这些工程都采用了现浇钢筋混凝土矩形管（以下称暗渠）。现今，这些暗渠正在运行中，承担着重大的输水任务，但就其性能表现来说，应该说是非常之差的，几十公里的输水距离漏失水量就达10％以上，是相应成品管线的数十倍以上。这是必须支付的学费吗？笔者有幸参与了一些这样的工程，多年积累的种种信息给出的一个感觉是，如果当时工作能稍务实一点点、讨论能稍深入一丁丁，决策的天平就会是倒向另一边，就会是另一种较好的结果。
　　这些工程的管材选用，当时也作过技术经济的比较工作。最初，就暗渠同钢管作比选。当时的技术比选结果是：两者各有自己的优缺点，都是大流量输水的可行方法。在经济面的比选上，又将钢管造价作得较高，单位输水能力的钢管造价是暗渠的一倍以上。这样的比选操作，在设计院的一篇总结性的论文中有非常清晰的表达^（1）。领导决策时，在性能相同、造价相差一倍以上的报告前，自然是没有什么问题再需要考虑了。
　　回过头看当时的技术经济比选是未及要害且有点肤浅；就技术面看，钢管的连接是焊接或胶圈密封，暗渠的连接是止水带；前者的水密机制是金属的融合或胶圈受压反弹，能承受较高的、各种类别的负载以及不均匀沉降的考验，性能安全可靠，而且制作的合格率又极高；后者的水密机制是混凝土同橡胶的粘合，这样的配合稍受拉力就会脱开；特别是制作工艺是现场混凝土浇捣，合格率较低，存在局部缺陷是不可避免的，这是公知公认的。因此，暗渠同钢管在安全运行、寿命、维护等等方面是完全不在同一层面上的构筑物。这样的说法，在现今人们可以很自然地接受，可是，当时并未能产生效力。个人认为，这阶段的操作，可以认为是受历史条件的制约，认识尚未能深入的结果，是前进中的自然。
　　暗渠以承压方式运行几年后，表现是非常之差的，同开始论证时的期望表现完全不一样，连接处的损坏和漏水程度是成品管线的几十倍；可是，由于我们的报喜不报忧的习惯，喜欢介绍经验而害怕总结教训的习惯，科学的责任机制尚未形成，所以化了大量工程投入和多年时间才取得的、有最强证明力的事实，没有机会及时公开披露，以致建设中也没能及时中止应用暗渠；相反，在一些更高工作压力的引水工程中也应用暗渠，在90年代又作了许多暗渠作压力输水的引水工程；这些暗渠工程现今也都以漏水量为成品管线几十倍的状态运行，造就了我国大流量压力输水技术发展的最大遗憾。暗渠这阶段的非常发展是理智服从于习惯，过程中任何层面的领导、专家，工作稍再务实一点点，就可能是另外的一种结果。
　　再回过头了解一下国外情况。
　　国外没有暗渠用于长距离压力输水的成功案例。
　　日本的共同沟设计手册中，同我们所说的暗渠在结构完全一样的构筑物，仅用作放置各种管线的共同沟，是不承受内水压的；我们在地基不良处，为应对不均匀沉降所作的强化措施，在手册中仅作为伸缩补偿之用，明确规定，对于不均匀沉降，应再做其他的应对措施。我们在承受内水压、适应不均匀沉降二个要点上，都对暗渠给了不应承担的过分责任，是超出国外相关规范的大胆之举；将暗渠用于压力输水上，确是有点轻率的。

4.成品钢管在引水工程中的潜力

　　在美国，各个大城市的大口径输水管线采用的管材是不一样的，有的城市几乎全部用钢管，有的城市几乎全部用PCCP, 也有城市两者都用^（3）；因此，我们也应该对钢管给于一些注意。同美国相比，我们在大口径输水钢管应用经验太少了；应该投入一些力量，将美国的钢管应用实践好好的调查一下，看看哪些经验对我们有用。
　　由于我们少有经验，在设计思想上就不得不保守一些，将管壁设计得较厚，以求稳当，这样自然钢管的造价也就较高。我们要在压力输水技术大发展的时期，抓着时机，对钢管作些工作；我们是后来者，后来者有先行者不可能具有的机会；美国钢管的柔口技术是五十年之前就发展定型的，我们可以将近二十年才在球铁管上取得成功的新接口技术，扩展到钢管上去。在这里我要向大家介绍我近年来在成品钢管上所作的努力^（4）。
　　以滑入式接口为核心技术的钢管，敷设时就如球铁管、玻璃钢管一样方便，只要插口插入承口就完成连接操作。原来钢管敷设工作中的大部分工作：沟槽内对接焊接、焊缝处内外防腐、阴极保护装置建设等等都不再需要，都转移到工厂内完成，质量提高而费用下降，这样的钢管就成为一种价格性能比非常高的新管种,这新个管种也就是成品输水钢管^（4）。
　　当输水钢管以成品化钢管姿态出现时,将表现出极高的竞争力。
　　（1） 安全性高，寿命长。
　　全部焊缝在工厂内完成,管线不会再有不合格焊缝；
　　管节间连接是胶圈柔性接口，钢管线失效的主要原因得到排除,管线强度特性大大提高；
　　阴极保护单元化技术的采用，保证钢管自埋设一刻起，外壁始终处于有效的电化学保护中；
　　内防腐层也全部在工厂完成，施工环境条件有保证，内表面有条件作到玻璃钢管那样光滑、完整；
　　这些技术特点同上海的已运行70 ～80 年的输水钢管线的技术特点相对照，成品钢管均高了一招，所以可认为成品钢将较上海的在役钢管有更长的使用期，可以有100年的寿命。
　　（2） 用材料少,成本低。
　　当进入成品钢管阶段，就可以放心地按我国钢管建设的优秀成果－－市政给水钢管的结构设计方法^（6）、采用合理厚度，钢材的强度特性可以充分发挥, 此时，钢管单位长度重量是球铁管的一半上下，同玻璃钢管相当。输水钢管能这么轻是很难想象的，但有足够的技术支持证明是可行的话，那竞争力是强大的。
　　（3） 设备投入费用少，管材易得到；管材重量轻, 易采用
　　当以市场钢板为原材料时，一条生产线就可以生产DN800～3000范围内各种口径的成品钢管，设备投入300～400万就可； 较少的设备，就为在工程地附近建设移动车间提供了可能与方便。大口径管材运输难的问题可以避开,适用工程的范围就大大扩展；重量轻,单位长度重量同玻璃钢管相当,吊装机具级别就可较低，施工也就方便; 且回填要求又较玻璃钢管低。成品钢管将是施工期最短、施工费用最低的新管种。
　　总之，以滑入式接口为核心技术的成品钢管，不仅性能高，价格低，而且易得到，易采用。钢管在输水管材中的地位将会由此而重新排定。
　　经过多年努力，2003年底，用规模生产的工艺和设备试制DN2400的Y型柔性接口钢管完成；这表明，该项技术已经不仅仅是理念，也不仅是一项设计, 是已经由实践证明了的性能可行、规模生产可操作的一项可应用技术，上了具备工程应用能力的台阶。（图5 ：DN2400钢管在作水压试验，含有二个Y型接口 ，是用辗轧成形、扩张定尺的工艺路线，在平端钢管上直接完成的）钢管厂、PCCP管厂只要接受成品钢管的理念，不需要增添大设备，就可以生产成品钢管。

5.一个供讨论的钢管设计

　　按成品钢管的理念，这里提出一个钢管设计，请大家讨论。
　　设计内径：I D = 4.0M；
　　设计壁厚：t＝16毫米；
　　管长：每节6～12米；
　　连接技术：“Y”型柔性接口；
　　外防腐：参照美国标准AWWA C210 “用于钢水管内外的环氧媒沥青防腐系统”；
　　内防腐：优先考虑采用聚合物水泥砂浆衬里，如总体工艺条件需要，也可考虑参照执行AWWA C210。
　　阴极保护：采用单元化技术，每节管在出厂时就安装好一个或几个牺牲阳极。
　　这样的钢管，按美国的设计方法，将可用作工作压力1.0Mpa的管线^（5）；按国内的设计规范，也可用于工作压力0.6Mpa、设计压力1.1Mpa、复土2.5米的管线；但按现有的钢管使用经验来看，将是“太薄了”。这样的钢管，其价格应在一万元每米，同PCCP相当，但施工费用可大大降低，制作投入也很低。
　　我认为，这个钢管如按国内设计规范给的工作条件使用，应较 PCCP更安全，理由如下：
　　(1) 主材工作应力小管且富裕度大。PCCP,主要受力元素是钢线，它在制作时就拉伸到拉伸应力1000Mpa以上，相当钢线屈服极限的75％；钢管在工作内压和复土等外压作用下，拉伸应力约125Mpa，相当钢板屈服极限的50％。
　　(2) 主要事故模式的危险性小，钢管如发生腐蚀，是穿孔漏水，可及时修复；PCCP如一根钢线因腐蚀断裂，邻近钢线就会受更大应力，导致邻近钢线;多根钢线断裂，就会有爆裂危险。

7. 结语

　　在压力输水技术大发展的时期，抓着时机，对钢管作些工作吧；把对PCCP的热情的百分之一给钢管，不论结果会怎样，今后不会有遗憾。

参考文献：

（1） 徐彬士、范名权；黄浦江引水工程钢筋混凝土低压输水管渠设计与施工；给水排水 1997。1 ；p47；
（2） 沈之基；黄浦江引水工程现浇钢筋混凝土矩形管的现状和讨论； 给水排水 1997。1 ；p54；城镇供水 1997。1；
（3） Albeif H .Halff；large water mails: experience and practice of three large users AWWA July 1972 p435
（4） 沈之基；成品化输水钢管 焊管2004 No1:7～11
（5） northwest pipe company; o-tite gasket joint for steel water/ water pipe /design manual pipe www.nwpipe.com 2003
（6）刘雨生等 市政给水钢管的结构设计方法 中国水协设备网 技术推广 2002。8。

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作者：沈之基，男，高级工程师，长期从事管道技术工作，曾主持过管线内外防腐、阴极保护、滑入式接口、管线强度特性、复合钢管等等方面的课题研究，多次获市、局科技成果奖；200 1年自上海原水公司退休，近年，致力于成品钢管理念、技术的推进。