建议关注预应力钢筒混凝土管（PCCP）的发展动向

北京塑料工业协会 张玉川

前言

预应力钢筒混凝土管（PCCP）近年在中国发展非常迅猛，在600mm以上中大直径及1.6MPa以下的中低压管道领域占优势。到2010年年产量就已达到1500km，累计使用量达到8000km，估计至今全国累计使用量超过16000km。但非常值得注意的是，在国外同样曾经兴旺一时的PCCP几乎已经停产和停止采用，因为不少PCCP管在应用几年或十几年后爆裂失效，造成灾难性的后果。目前国外正在对已经铺设的PCCP采取全面检查，设置监测，用复合或内衬等修复或增强，废弃更换其他管道等方法进行补救处理。

根据我国管理的实际水平，预计在几年或十几年以后我国的PCCP也许出现类似的危机。同在管道业的我国塑料管业应该注意这件影响深远的大事，吸取国外的经验教训并规划准备，为我国管道网建设做出我们的贡献。

1 PCCP的简介

PCCP 的中文名称是“预应力钢筒混凝土管”，在国家标准 GB/T 19685-2005 预应力钢筒混凝土管^[1]的引言中介绍如下：

图1 PCCP结构

预应力钢筒混凝土管是国内近十多年发展起来的新型管道材料。该管道材料是一种具备高强度、高抗渗性和高密封性的复合型管材，其集合了薄钢板、中厚钢板、异型钢、普通钢筋、高强预应力钢丝、高强混凝土、高强砂浆和橡胶密封圈等原辅材料制造而成。该管道材料不仅综合了普通预应力混凝土输水管和钢管的优点，而且尤其适用于大口径、高工压和高覆土的工程环境，例如国家重点工程南水北调北京段采用了直径达4000mm的预应力钢筒混凝土管。短短十多年时间，国内从无到有，到目前为止已建成了四十余条生产线，年设计生产能力达1000km以上，涉及管子规格范围从DN600mm到DN4800mm，适用工作压力最高达1.6MPa，适用最高覆土深度达10m以上。预应力钢筒混凝土管的发展前景十分广阔。国外预应力钢筒混凝土管已经发展了五十多年，以美国、加拿大两国的生产使用最为广泛。

PCCP是由混凝土内衬层，薄钢筒和预应力钢丝组成的增强层和混凝土外保护层构成的复合结构(见图1)。其耐内水压强度完全依靠缠绕在起密封作用的薄钢筒上的增强钢丝。内外混凝土层主要起防护和抗外压作用。

美国是PCCP先行者，从上世纪40年代到2006年，累计生产使用约40000km PCCP ^[2]，在很多地区是中大直径输水管道的首选。我国在1989年引进该技术，因其加工工艺简单、造价低，而发展迅猛，到2010年年产量已经达到1500km，累计使用量达到8000km，成为世界上生产和使用量最高的国家^[2]。近年经大量投资，至2015年底，PCCP行业已有企业集团约80家，生产线130余条，年设计生产能力达5500km。PCCP累计生产量约18000km^[12]。至今混凝土业几乎所有文章还在宣传PCCP是钢管和混凝土管两者优势结合，经济又耐蚀，寿命可达到100年。

2 近年国外PCCP大量“失效”导致停用和停产

在国外大量使用PCCP十多年后，不断出现“失效”。因为“失效”的大部分是750mm以上大直径管爆裂，常常造成灾难性损失。例如美国和韩国合作1996年在利比亚建成的总长3300km，直径4000mm，工作压力2.8MPa的PCCP输水管道，曾经被誉为“非洲大人工河”的世界奇迹大工程，在2001年-2005年之间已经发生5次爆裂^[2]。

图2 钢丝腐蚀断裂造成PCCP爆裂

图3 美国历年PCCP总产量

频繁的事故和严重的损失当然引起了有关部门的调查和研究。2008年美国自来水协会研究基金会AwwaRF发表了《PCCP失效Failure of Prestressed Concrete Cylinder Pipe》的研究报告，报告对美国PCCP的失效和失效率采用了“令人惊讶”的表达^[3]，并“希望这个结果将应用于全世界”。遗憾的是这些调查研究和报告似乎没有引起国内足够的重视。

PCCP管失效的核心原因是钢丝腐蚀断裂。钢丝是由脆性的水泥层保护的，这个水泥保护层容易受到损伤，在大直径和高内压的PCCP管中内压引起的膨胀等等原因促使水泥保护层出现裂纹。

值得注意的是，曾经使用PCCP最多的美国早已逐步减少PCCP的使用和生产，从AwwaRF报告中图表中可以看到2006年的产量已经不到高峰时的2%(见图3)，现在基本上已经不生产PCCP。向中国转让技术的阿美隆(Ameron)公司，普赖斯兄弟(Price Brother)公司已经停产或关闭^[2]。

美国生产PCCP的高峰在上世纪60、70年代，到本世纪初就已经衰落。我国的PCCP却是在2010年前后兴旺起来，而且造成供过于求，这应该吸取教训。

3 近年国外忙于PCCP的监测，更换和修复

国外在停止生产和新铺PCCP管的同时，正忙于处理已经铺设的几万千米 PCCP管道。近年这方面有很多信息报道，值得我们重视。例如美国土木工程师协会2015年管道会议（Pipelines 2015）上就有十多篇报告介绍PCCP的监测、替换、修复等。又如最近柏林召开的第十八届国际塑料管道会议（Plastic Pipes XVIII）上也有一篇介绍用滑衬HDPE管修复经验的报告就是为修复美国迈阿密在2010年爆裂的一条72英寸(1828mm)PCCP^[5]。从这些资料看国外正大量投资在解决PCCP危机，有许多经验值得我们关注和学习。

3.1 全面调查并设置监测，预防突然爆裂事故

国外面对已经大量铺设PCCP的现实，首先要查明情况以确定应对的办法。近年研发了许多调查和监测已铺设PCCP的新技术，有的已经形成系统，可以查明PCCP结构情况并及时地发现破坏进展，采取措施防止突然爆裂事故。

美国华盛顿郊区公共卫生署The Washington Suburban Sanitary Commission (WSSC)为华盛顿郊区约180万居民供水。5600英里中约145英里(233km)是直径大于36英寸(914mm)的PCCP。WSSC采用最新技术对其情况进行实时监察已经5年，并根据这些资料决定修复、修理或替换^[6]。

美国马里兰州巴尔的摩市水系约有110英里PCCP，其中87英里(140km)直径在36-120英寸(914-3048mm)。在最少28次PCCP失效后，该市正实施一个对现存PCCP全面评估、监测和修理的计划，对于钢丝断裂的高风险管道设置声学光纤维系统(Acoustic fiber optic systems)进行监测^[7]。

3.2 用FRP复合衬层或热塑性塑料衬管修复PCCP

3.2.1 用FRP复合衬层修复PCCP

美国主要城市不少采用纤维增强聚合物FRP复合内衬系统(Fiber Reinforced Polymer (FRP) composite lining systems)修复和增强大口径管。纤维包括碳纤维和玻纤，聚合物是环氧树脂。按照和主管结构的受力分为单独承受全部负载和与PCCP混凝土芯层共同承受负载两种，这取决于主管损坏的情况^[8]。

美国佛罗里达州迈阿密水务部门（Miami-Dade Water & Sewer Department，简称MDWASD）服务230万居民。该区域的大直径管道主要采用PCCP，有100英里(161km)直径48 英寸(1219mm)以上的PCCP。在2010年和2011年灾难性的失效后，MDWASD开始一个综合的治理计划。因为MDWASD区域的很多管道位于主要道路下面，适合采用非开挖修复。过去5年用高强度纤维FRP修复许多48- 96英寸的PCCP^[9]，见图4。

图4 典型的FRP修复图

5 混合FRT系统--安置钢丝增强

MDWASD还开发了混合FRT系统（Hybrid FRP system），见图5。用高强度钢丝沿管道内圆周连续缠绕，增强钢丝包覆在环氧树脂中，并和玻纤或碳纤维FRP层复合(提供轴向强度)^[9]。

3.2.2 用热塑性塑料衬管修复PCCP

美国德克萨斯州的League市需要修复一39英寸(990.6mm)、工作压力125psi(0.88MPa)、长度6800英尺(2074m)的PCCP输水干管，选用Swagelining™方法内衬外径39.4英寸(1000.8mm)，DR17的HDPE管(壁厚2.32英寸/58.9mm)。Swagelining™技术是把外径大于主管内径的PE4710管，在进入主管前经过一个模口使直径减少到小于主管内径。插入主管后HDPE管膨胀贴合到主管内径 (可以比采用滑衬技术增加内径4英寸)。^[10]

2010年6月在美国弗罗里达州迈阿密，一条72英寸(1828mm)PCCP发生灾难性失效。2011年迈阿密水务（WASD）请一公司对管道检查和评估后决定先对1.5英里(2.4km)干管用滑衬HDPE管修复。2013年5月决定再修复余下的3.5英里(5.6公里)72英寸(1828 mm)PCCP。从2015年10月开始，到2016年4月完成了美国至今最大的HDPE管滑衬工程^[5]。

美国休斯顿一42英寸PCCP输水干管2004年6月发生灾难性失效，检查发现25000英尺(7.6km)管道必须修复。经过比较废弃替代、内部增强修复和滑衬等可能方案后，确定滑衬方案最便宜，并且减少对周围地区的影响，所以选择用DR1739.37英寸(1000mm)直径的HDPE滑衬^[5]。

3.3 废弃PCCP，用其他管道替换

Cobb County-Marietta Water Authority (CCMWA)是美国佐治亚州供应80万名居民饮水的负责单位，过去其大直径管主要是PCCP。2012年公司根据这些管道过去失效的情况，为避免将来的风险，决定大部分替代。至今日CCMWA已经替换了46%的PCCP^[11]。

美国马里兰州Howard市发现其30英寸PCCP供水干管已有许多钢丝断裂，为了保证对居民的水供应，决定在已有PCCP边上的岩石区穿过Patuxent河另外铺设一条供水管，铺设了一条直径30英寸(762mm)壁厚3英寸(76mm)的HDPE管^[13]。

4 中国PCCP的前景预测

中国近20多年迅猛发展起来PCCP产业，会继续增长或保持还是会如同国外那样衰落？显然取决于中国生产和应用的PCCP是否和国外一样在使用多年后大量失效。我们当然希望中国的PCCP，作为引进后消化吸收产品，能够吸取国外领先发展产品的经验教训，性能有所提高，不会重蹈覆辙。但是没有资料能够证明中国的PCCP质量优于国外产品。反而有理由相信中国的PCCP在预防钢丝腐蚀开裂方面差于国外。因此分析我国PCCP在几年或十几年后，出现爆管失效的局面是很有可能的。事实上我国PCCP爆裂失效已经多次出现，例如中国宁夏引黄工程，采用DN2200的PCCP，2010年9月发生爆裂，一节管子出现2.2m长、1.6m宽的裂口；该管线2005年建成，这次事故修复用了20多天^[4]。

面对几年或十几年后中国PCCP很可能退出市场，并需要对已铺设的管道可能进行补救的前景，我们应认真研究并做好必要的准备。当然这应由政府和PCCP业主导，塑料管业也应该注意这一影响深远的管道业大事，做好我们的研究和准备。

5 中国塑料管业应对PCCP危机的建议

5.1大力开发和完善600mm以上中大直径塑料管(实壁管或增强热塑性塑料管)

目前我国600mm以上中大直径、1.6MPa以下中低压管道市场由PCC、钢管、玻璃钢管、热塑性塑料管(实壁管或增强热塑性塑料管)等材料供应，其中PCCP量最大，塑料管量最少。如果中国今后PCCP也逐步退出市场，必然需要其他材料管道增大供应来弥补。具有卫生、不腐蚀、节约能源、可回收等独特优势的热塑性塑料管有大发展的历史机遇。但我国中大口径塑料管刚起步，尤其是中大口径增强热塑性塑料管大都还在开发和试验阶段。建议国内有一定实力的塑料管企业注意到中大口径管道这个塑料管大有可为的市场。

5.2 主动配合修复和替换已铺设PCCP，发展塑料管非开挖修复技术

根据国外的经验，对已铺设的大量PCCP进行开挖替换，不仅费用高而且影响环境，比较经济和环保的方法是采用非开挖技术修复和替换，非开挖技术中可利用塑料管柔韧、可熔接和轻便等特长，建议我国塑料管业主动配合PCCP业的补救作业，带动我们自己的发展。

5.3 吸取PCCP的经验教训，切实重视质量管理，真正保证管道长期使用寿命

宣称可以安全使用50-100年的PCCP，竟然在使用几年、十几年后大量爆裂失效，而且造成大量灾难性损失，全球管道业都要牢记这个教训。中国塑料管道行业更应该深刻反思和警惕质量危机。近来一些企业在探索开发大直径增强热塑性塑料压力管，更要特别重视质量保证。因为大口径压力管的失效常常是灾难性的，由于大口径管道输送量大，一旦爆裂造成大量泄漏可以引发阻断交通、水淹破坏、污染环境等严重损失。国外PCCP爆裂失效有许多灾难性损失的报告应引起我们的警示。

参考文献

[1] 国家标准GB/T 19685-2005.

[2] 美国PCCP管之失效及对中国给水管道应用的警示；沈之基等；第八届中国城镇水务国家研讨会论文集.

[3] Failure of Prestressed Concrete Cylinder Pipe PCCP失效；2008美国自来水协会研究基金会AwwaRF报告.

[4] 输水钢管和PCCP之优劣的泛主流思考；沈之基.

[5] LARGE DIAMETER HDPE SLIPLINING – WHERE EXPERIENCE MATTERS 大直径HDPE管滑衬的经验；Luis Aguiar等；第十八届国际塑料管会议报告.

[6] Driving the Industry Forward Again: WSSC’s Pipeline Management System；Gregory Fick 等；2015美国土木工程师协会管道会议报告9-5.

[7] Minimizing the Risk of Catastrophic Failure of PCCP in the City of Baltimore；M. R. Driscoll等；2015美国土木工程师协会管道会议报告8-8.

[8] Composite versus Stand-Alone Design Methodologies for Carbon Fiber Lining Systems；Michael Gipsov等；2015美国土木工程师协会管道会议报告6-16.

[9] Miami-Dade Implements Hybrid FRP Trenchless Repair System；Luis Aguiar等；2015美国土木工程师协会管道会议报告6-15.

[10] Fully Structural Renewal of 39-inch PCCP Water Transmission Main with Swagelining™ and HDPE；Todd Grafenauer等，2015美国土木工程师协会管道会议报告6-13.

[11] Shifting the Paradigm from Replacement to Management；J.Steffens等；2015美国土木工程师协会管道会议报告9-3.

[12] PCCP行业十年发展回顾与展望 (2006-2015)；中国混凝土与水泥制品协会曾庆东等；中国混凝土CHINA CONCRETE 2016.05 NO.83.

[13] It is a Blasting Good Time! Installation of a 30-inch HDPE Transmission Main in a Corrosive Environment， through Rock， under a River， and Adjacent to an Active Failing Pipe； Robert J. Dudley等；2015美国土木工程师协会管道会议报告3-10.

[1]