详细介绍给水管网工程常用管材预应力钢筒混凝土管

详细介绍给水管网工程常用管材--预应力钢筒混凝土管
预应力钢筒混凝土管(PCCP)是在带钢筒（薄钢筒的厚度约1.5mm左右）的混凝土管芯上，缠绕一层或多层环向预应力钢丝，并作水泥砂桨保护层而制成的管子。

它的开发应用已有半个多世纪的历史，这一技术是法国Bonna公司最先研制的，到上世纪四十年代欧、美竞相开发，目前美、法各国的年产量达数十万km，其中美国、加拿大是世界上推广使用预应力钢筒混凝土管最多的国家，广泛应用于城市输配水干管、火电站供水管、水利工程、雨污水干管、工业供水及废水管线等方面，目前世界上规模最大的利比亚"人工河"工程，全长数千km，就是使用直径4m、工压2.8MPa的预应力钢筒混凝土管敷设，工程完工部分运行情况良好。

由美国水工协会负责制定的《预应力钢筒混凝土管》美国国家标准，代表了国际先进水平，主要包括了ANSI/AWWA C301-1999《AWWA STANDARD FOR PRESTRESS CONCRETE PRESSURE PIPE，CYLINDER TYPE(钢筒型预应力混凝土压力管)》产品标准和ANSI/AWWA C304-1999《AWWA STANDARD FOR DESIGN OF PRESTRESS CONCRETE CYLINDER PIPE(预应力钢筒混凝土压力管设计标准)》。

世界上主要制造预应力钢筒混凝土管的厂家有美国"Ameron"公司(DN1200～4000mm)，美国的"Price Brather"公司(DN1200～4000mm)，法国的"Bonna"公司(DN600～2500mm)，德国的"Dyckerhoff-Widmann"公司(DN600～2500mm)。

二十世纪八十年代末，随着我国城市供水、工业用水、农田水利建设的迅猛发展，对于输水管材提出更高的要求，山东电力管道有限公司、无锡华毅管道有限公司先后从美国"Ameron"公司引进技术及关键设备，深圳太阳管道公司从美国的"Price Brather"公司全套引进该公司的制管技术及设备。

经过近十年对引进技术及设备的消化，完全己能国产化了。

于1996年此类管材在我国建材行业颁布了《预应力钢筒混凝土管》行业标准（JC625-1996），2002年国内颁布了CECS 140：2002《给水排水工程埋地管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》，但ANSI/AWWA C301-1999和ANSI/AWWA C304-1999仍为国内预应力钢筒混凝土管设计、生产、铺设及监理的主要技术依据，近年已编制了国家标准(报批稿) ，该标准结合国内传统标准要求，列入了成品管材的物理力学性能检验内容和方法，列入了产品制造过程控制条款和部分生产工艺参数，方便了国内预应力钢筒混凝土管的产品设计，产品制造、安装铺设及施工监理部门的工作。

短短十多年来，国内从无到有，已建成了40多条生产线，年设计生产能力达1000多km，涉及管材规格范围从DN600mm到DN4800mm，适用工作压力最高达1.6MPa，适用最大覆土深度达10m以上。

近几年来不完全统计，全国巳安装此类管材达400多km，在广东、江苏、江西、山东、四川等省使用情况良好，通常试压检验一次成功，通水后没有发现大的故障。

一、预应力钢筒混凝土管的制造
此种管材分两个类型：内衬式管及埋置式管。

内衬式(Lined Cylinder Type)和埋置式(Embedded Cylinder Type)的区别，前者系指在钢筒内壁成型混凝土层后，在钢筒外表面上缠绕环向预应力钢丝，并作水泥砂桨保护层而制成的管子；后者系指在钢筒内、外侧成型混凝土层后，在管芯混凝土外表面上缠绕环向预应力钢丝，并作水泥砂桨保护层而制成的管子。

前者采用离心工艺成型，口径偏小(DN≤1400mm)，后者采用立式振动工艺成型，口径偏大(DN≥1200mm)。

此种管材
抗渗压力很高，工作压力通常为1.5～3.0MPa，可达5.0MPa。

此种管材的管径范围是DN400～4000mm，最大可达DN7600mm。

产品型号以代号PCCPL表示内衬式结构(其中PCCPSL为单胶圈密封；PCCPDL 为双胶圈密封)；以代号PCCPE表示埋置式结构(其中PCCPSE为单胶圈密封；PCCPDE为双胶圈密封)。

管子的产品标记以管材代号、公称内径、有效管长、工作压力(P)、覆土深度(H)和标准号组成。

如公称内径1600mm、有效管材长度为5000mm、工作压力为0.8MPa、覆土深度为4m的双胶圈埋置式预应力钢筒混凝土管。

标记为：PCCPDE1600×5000/P0.8/H4 GB/T ××××-××××。

埋置式PCCP生产线的关键设备有螺旋制筒设备、钢筒水压检验设备、管芯立式振动成型及蒸养设备、立式差速缠绕预应力钢丝的设备、立式辊射喷浆设备、承插口环成型设备(采用分层手工对接焊)、薄钢板埋弧焊设备。

以上设备现国内均能自制，多数厂家仅焊接设备外购。

内衬式PCCP生产线，除山东电力管道工程公司有进口的螺旋制筒设备外，均采用平板直缝焊接卷筒设备，其它设备有钢筒卧式水压检验设备、管芯卧式离心成型设备、蒸养设备、卧式差速缠绕预应力钢丝的设备、卧式辊射喷浆设备、承插口环成型设备(采用分层手工对接焊)、薄钢板埋弧焊设备。

以上两条生产线的设备，主要是仿制美国‘Ameron’公司的工艺。

致于美国的‘Price Brather’公司的工艺，采用平板直缝焊接卷筒设备，管芯成型、缠绕预应力钢丝、辊射喷浆等均采用卧式设备，承插口环成型采用了高频对接焊设备。

预应力钢筒混凝土管（‘Ameron’公司埋置式制管）的工艺流程如下：(图片不可显示)
二、管件
与预应力钢筒混凝土管（PCCP）配套使用的管件，是一种厚壁钢管和混凝土的复合管材。

其基本结构型式是：带钢制承插口或其它特殊接口的钢件，内外衬敷焊接钢丝网，而后内外涂覆砂浆。

管道接口采用橡胶圈密封或法兰等其他相应的接合方式。

配件的设计和生产目前还没有国家标准，其设计一般是依据AWWA M9《混凝土管手册》；产品的生产、检验一般是依据《压力钢管制造安装及验收规范》及《埋地给水钢管道水泥砂浆衬里技术标准》。

目前，PCCP管件已经实现了从类型到口径的全系列设计、生产，并成功应用于国内大型、重点工程项目，如深圳岭澳核电站、山西万家寨引黄工程等工程。

与PCCP配套的管件，接口形式与标准管、其它类型管道或阀门等可以全部对应，但是它也是PCCP管道管线中最薄弱、故障率最高的部位，其质量直接制约管线的服务能力。

因此，必须重视PCCP管件的制造和安装质量。

管件制造的每项工序，均应有质量控制要求与检验手段；承揷口应校调圆度；DN≥600mm的承揷口在组装前应设米字撑。

(1)异形管
异形管如短管、半(全)斜口管、开孔直径较小的开孔管等。

它亦是釆用标准预应力钢筒混凝土管相同的生产工艺制成的非标准直管。

(2)管配件
管配件是釆用厚钢板焊接制成钢筒，两端焊有钢制接头连接件(包括承插口钢圈、法兰)，钢筒内外配以规定的钢丝网片，内部用水泥砂浆或混凝土衬砌，外部作水泥砂浆或混凝土保护层。

常用的配件有：弯管、三通、四通、渐缩管、承插合龙短管、双承合龙短管、双插合龙短管、吐泥管、人孔等。

配件钢筒的钢板壁厚最小值如表11。

表11
圈、护套或翼板对配件开孔处进行加强。

配件的制作和焊接应符合GB50236-1998的规定，焊缝可采用染色法(PT法)或磁粉法(MT法)加以检验，对于重要部位的焊缝应采用超声法(UT法)或X射线法(XT法)进行检验。

配件的内外表面应配置钢筋焊接网，钢筋网的网格尺寸不大于50×100mm，钢筋的最小直径不应小于2.3mm。

配件外配的钢筋网应固定在离钢板表面约10mm 的位置，配件内配的钢筋网可直接焊在钢板内表面。

配件外侧可采用纤维混凝土或纤维水泥砂浆喷抹，厚度不小于25mm；配件内侧可采用微膨胀混凝土或微膨胀水泥砂浆衬抹，最小厚度不小于10mm。

且采用适宜方式进行养护。

(3)管体的开孔方式
管体的开孔，主要为了引接分支管、引接通气阀、放空阀的需要。

由于钢筒的存在，它的开孔方式优于一、三阶段预应力混凝土管的开孔，开孔的结构设计与安装制作应分别符合GB50236、DL5017及其它相关标准的规定，管体的开孔处应采用衬圈、护套板加强。

开孔部位的衬圈与分支管端面连续焊接，因开孔切断的环向预应力钢丝应牢牢固定在护套板边缘，且开孔配件内外应作水泥砂浆或环氧树脂保护。

衬圈边缘开坡口，且与钢筒整体焊接，若衬圈较重，钢筒难以支撑，不应在钢筒上加肋，而应钢筒壁厚增加，因为钢筒加肋影响混凝土成型时不易密实。

(4)限制性接头
为了防止承插式接口轴向位移，特制的限制性接头，它用于管件附近可减小或免作支墩。

包括铠装接头、焊接接头、法兰接头等。

焊接式接头分外焊式接头，内焊式接头。

外焊式接头便于操作，通常以相同焊接长度沿圆周对称施焊；对于大口径管，内焊式接头更为经济实用，通常接头处胶圈不应安装，施焊时内部应设排风设施。

铠装式接头是通过机械方式传递管材接头处所受的纵向推力，它包括夹鉗式铠装接头、承口螺栓式铠装接头、卡环式铠装接头、开口环限制性接头。

配用了铠装接头的标准管、异形管均称为铠装管；铠装接头的配件均称为铠装配件。

铠装管的钢筒壁厚，应通过计算增加。

三、预应力钢筒混凝土管的特点
(1)此类管材由于管芯中嵌入了一层薄壁钢筒，实质上是一种钢板与预应力
混凝土的复合管材，它比一阶段、三阶段预应力管具有较好的抗渗性。

(2)此类管材由于承插端的工作面是定型钢制口环，几何尺寸误差小，承插工作面间隙仅1～2mm，O型胶圈占满凹型槽内，密封性能良好，在内水压力下，胶圈无法冲脱，往往滴水不漏，从而改善了一阶段、三阶段管胶圈安装不到位则容易冲脱、承插口容易滴水的问题。

承口、插口的钢制口环，有单胶圈及双胶圈两种，单胶圈的插口钢环上为一个凹形槽，双胶圈的插口钢环上为两个凹形槽。

此类大口径管材的承插口，若设计成双胶圈，在在接口安装就位后可在承插口双胶圈之间的小孔处，用小型人工试压的方法检验接口的密封性，有利及早发现问题，及时进行返工。

致于接口试压后，管道仍需作水压检验。

(3)此类管材的承插接口是半柔性接口，要求承插钢制口环首先喷锌或刷可焊漆，再在完成成品管后作卫生级的环氧树脂刷涂，通常为1道底漆、2～3道面漆，刷涂总厚度≥0.4mm。

若是采用非卫生级的带锈防锈漆是欠妥的，口环卷制成型后不作喷锌处理亦是较差的。

刷涂环氧树脂的防腐效果与钢板端面除锈的效果关系密切，防腐作业往往在管材最后一道工序完成，除锈方式受多方面的限制，毕竟会影响效果，因此管材承插接口安装就位后，在接口内外间隙处要用水泥砂浆灌注封口或用卫生级的双组份密封膏填嵌，钢板则在高碱度的钝化区内，从而不易发生腐蚀。

但半柔性接口承担不均匀沉降引起接口处的应力集中，将比柔性接口困难，故管道基础及管胸腔的回填，比一阶段、三阶段预应力管要求较严，通常在较硬的沟底应作砂垫层。

如同一阶段、三阶段预应力管在接口安装就位前，沟底是要挖接头坑的。

(4)此类管材承内水压力高、埋土深度大，由于管材是复合管材，承受内水压力可达2～3MPa，最高可达5MPa，由于预应力钢丝可多层重叠，故可适应较大深度的覆土。

(5)此类管材可适应腐蚀性土壤的恶劣环境，在一般性土壤中敷设，由于混凝土、砂桨使钢筒四周受高碱性环境保护，钢材处于钝化状态，可以减缓腐蚀。

若埋设在腐蚀性强的土壤中，通常管外壁应作防腐处理，必要时将管体之间的钢筒端面用导线连接在一起，采取牺牲阳极的阴极保护措施进行更好的保护，此类管材采用阴极保护方法比一阶段、三阶段预应力管更容易实施，这也是此类管材的一个优点。

(6)此类管材的管件配套齐全、简便、可*。

在推广使用一阶段、三阶段预应力管时，成都水司已成熟地采用相应的专用管件，引接分支管一律使用套管三通后开孔措施，从而使预应力管可用于配水管线上，而不依赖大量金属配套管材转换，既方便、可*，又节省造价，这一经验在预应力钢筒混凝土管道上可以同样适用。

由于此类管材具有钢板口环及钢筒，使推广复合转换管件的接口性能可*，若在工厂里管材开孔接分支时，只要如前面所述，在钢筒上作加强处理，可免用套管三通，节省费用，这对此类管材的推广使用将是重要的因素。

(7)此类管材虽属非金属管材，但它是复合管材，埋于土中容易巡管定位。

四、预应力钢筒混凝土管使用中的注意事项
尽管在前面述及了此类管材的特点，使用它的工程造价虽比三阶段预应力管高，但它的综合质量比后者强得多；它的工程造价比钢管低，它的敷设速度、防腐性能等方面比后者好，它是大口径输水管材中比较理想的管材。

在选用此类管材时希能关注以下问题：
(1)原材料的质量控制
(1.1)水泥
水泥应釆用由大型回转窑生产的符合GB/T175、GB/T748及GB/T1344的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，水泥强度等级不低于425，碱含量不大于0.6％，C3A(3Cao.Al2o3)含量不大于5％。

(1.2)细骨料
用于管芯混凝土宜釆用细度模数Mx为3.2～2.3的中粗砂；用于保护层砂浆宜采用细度模数Mx为2.2～1.6的细砂。

砂的质量应符合GB/T14684的规定，比重不小于2.6t/m3，含泥量不大于1％，且不应具有碱活性。

(1.3)粗骨料
制管混凝土用的粗骨料应用质地坚硬、清洁、多重级配的人工碎石或卵石，碎石质量符合GB/T14685的规定，比重不小于2.6t/m3，含泥量不大于0.5％，且不应具有碱活性，最大粒径不超过30mm，且不大于混凝土层厚度的2/5。

(1.4)水
制管及养护过程中使用的水，应符合JGJ63的规定。

(1.5)活性掺合料
成品粉煤灰、磨细矿渣或硅粉等活性掺合料，均可作为水泥的替代物，其最大替代量应经试验确定，替代物的质量应符合相应标准的规定。

(1.6)混凝土外加剂
所用外加剂不应对管材及输送的水质产生有害影响，其质量应符合GB/T8076的规定；混凝土外加剂的使用，应符合GB/T50119的规定。

(1.7)制作钢筒的簿钢板
制作钢筒的簿钢板可釆用冷轧薄钢板或热扎薄钢板，应符合GB/T700、GB/T912、GB/T11253的规定，厚度不应小于 1.5mm，最小屈服强度不应低于215MPa，标距50mm时的断裂伸长率不应小于15％。

(1.8)配件用的厚钢板
配件用的厚钢板应符合GB/T699、GB/T700、GB/T3274的规定，钢材的最小屈服强度不小于205MPa或不小于配件设计时工压得出环向应力的2倍，两者取大值。

(1.9)承口钢板和插口异型钢
接头钢圈所用的承口钢板、插口异型钢应符合GB/T699、GB/T700、GB/T3274的规定，钢材的最小屈服强度不应小于205MPa，标距50mm内的最小伸长率为20％。

(1.10)预应力钢丝
预应力钢丝应釆用力学性能符合ASTM C648及GB/T5223-2002规定的冷拉钢丝，钢丝直径可选用5、6、7mm，钢丝应满足氢脆性灵敏度要求，钢丝在拔制过程中表面任何点温度不应超过182℃。

(1.11)钢筋焊接网
水泥砂浆保护层及配件加强用钢筋焊接网应采用机械制造，钢丝网的网格尺寸为50×100mm，钢丝直径不小于 2.3mm，焊接钢丝网的技术符合GB/T1499.3-2002的规定。

(1.12)加强钢筋
加强用钢筋应分别符合GB/T1499、GB/T13788的规定，钢筋的最小屈服强度不应低于335MPa。

(1.13)接头密封胶圈
(1.13.1)管材接头用橡胶密封圈应采用圆形截面的实心胶圈，胶圈的尺寸和体积应与承插口钢环的胶槽尺寸和配合间隙相匹配。

其基本性能和质量要求，应符合JC/T748-1987(1996)的规定。

(1.13.2)胶圈采用AWWA C301标准中规定的聚异戊二烯或合成橡胶(三元乙丙橡胶、丁苯橡胶)制造，由于圆形橡胶圈安装上预应力钢筒混凝土管的插口端槽内，需要胶圈拉长，这一点不同于球铁管的胶圈，因此胶圈不应是纯合成橡胶，务必在合成橡胶中天然胶含量不得少于50％(按体积计)。

其它填料中不得有橡胶代用品、再生胶，不得污染饮用水的有毒有害物质。

(1.13.3)胶圈的主要物理力学指标应满足以下要求：
A.抗拉强度：聚异戊二烯(美国常用的一种合成橡胶)胶圈的抗拉强度应至少为18.6MPa，其它合成橡胶胶圈的抗拉强度应至少为13.8MPa。

B.断裂伸长率：聚异戊二烯胶圈的断裂伸长率应不小于400％，其它合成橡胶胶圈的断裂伸长率应不小于350％。

C.比重控制在0.95～1.45，波动范围应不大于±0.05。

D.压缩永久变形以原始变形的百分率表示的压缩永久变形不得大于20％。

E.胶圈老化后的抗拉强度不得低于老化前抗拉强度的80％。

F.胶圈硬度为邵氏硬度50°～65°（邵氏）度。

G.按10％的频率检查外观质量及尺寸，胶圈不得龟裂、裂缝、起皮或其它损环迹象。

H.检查胶圈的接头时，至少将其拉伸至原长度的2倍，转360º，目检经拉伸的接头，有剝落或裂缝的接头为不合格。

(1.14)接口试压
采用双胶圈的管材，承插对接后，可用预留孔对接头密封性进行试压，预留孔通常一个，用氮气钢瓶对接头进行试压。

若水压检验，必须预留孔为两个，一个注水加压，另一个预留孔打开排气。

总之接头试压力求用气体简单、安全；水压检验繁琐，少量水不易排出，留在间隙内呈‘呆滞水’是欠妥的。

(1.15)封口材料
接头内、外间隙应采用硅酸监水泥砂浆进行灌浆处理，灌浆前接头间隙应清理干净，并喷水湿润，外用纤维布扎实在后灌浆，对腐蚀性強的地段，砂浆内应掺和阻锈剂；内间隙填嵌的砂浆略干，灌填在顶部间隙的砂浆不至于自然掉落，且用抹刀手工抹平或用卫生级的双组份密封膏填嵌。

(1.16)管体防腐
当管材用于输送具有腐蚀性的海水或污水时，或用于含有腐蚀性介质的土壤环境中，或架空敷设时，应按GB50046-1995的规定，对管芯混凝土或水泥砂浆保护层进行防腐设计，涂覆防腐材料时应遵循GB50212的规定。

防腐施工的质量应按GB50224-1995的规定进行评定。

(2)采购须知
采购合同中明确以下技术参数及要求：
管径、管材长度、工压、覆土深度、地面荷载、土壤类别、土壤腐蚀性、密封胶圈具体要求（单条或双条）、运输中的护管措施（包括二次搬运）、到货日期、数量、价格、验管细则等。

(3)验管质控要点
在管材运至目的地时应进行以下质检：
管径、管材长度、工压、标记、制管日期、管内外表面质量（应包括平整度，无残缺、裂缝、空鼓、剥落、浮渣、露石，承插口金属面防腐良好及光洁、无脏物）、混凝土与钢筒之间无裂隙现象。

此类管材的空鼓问题是至关重要的，若钢筒与混凝土之间出现空鼓或裂隙，将会使接触钢筒面混凝土中的碱析出，最终导致钢筒锈蚀，管材报废。

尤其是离心成型的的管材，更应加强这方面的管理与检查。

混凝土与水泥砂浆表面出现裂缝是常见的，管子内表面不允许出现裂缝长度大于150mm的纵向可见裂缝；螺旋状和环状裂缝宽度小于0.5mm，距管端300mm 以内的环向裂缝宽度小于1.5mm时通常是容许的，否则应予修补。

覆盖预应力钢丝表面的水泥砂浆保护层不允许存在任何可见裂缝，覆盖在非预应力钢丝区域的水泥砂浆保护层出现的可见裂缝宽度不应大于0.25mm，否则应予修补。

水泥砂浆保护层出现损坏的表面积超过管材外保护层表面积的5％，则应退货到厂方铲除后重新制作水泥砂浆保护层。

(4)管材苯重不是管道安装的重大障碍
此类管材的重量类同三阶段预应力管，比其它管材重，在山区人工安装时是困难的，但在平原地区采用机械化安装时，问题就不那么严重，这是由于大口径管道安装都得用起重机械的。

(5)管沟基础是重要条件
此类管材是半柔性接口，它要求管道基础局部变形不应过大，在砂夹石的管基上应作砂垫层，在松软粘土层上应作砂夹石过渡层，使管道敷设过程中较少产生局部应力集中。

因此在敷设此类管材时，不重视管基处理是不好的，当然其它管材敷设中，管基处理同样也不可忽视。

(6)管材不应闲置过久
购置的管材应力求尽早敷设，闲置于堆场数月时，应定期用水喷洒，不使砂浆与混凝土干裂；闲置过久又未喷水养护，管材质量会受严重影响，甚至报废。

复合式钢板、混凝土管件运至工地以及安装过程中，均应用湿麻袋遮盖保护，定期洒水养护。

(7)引出分支短管的要点
主管道水平向引出分支短管时，应配加肋的法兰盘，以便与分支管的平承柔性接口组合，通过柔性接口，使分支管道局部沉降时不使主管分支开孔部位承受过大的弯矩应力与剪切应力。

对于较大的分支管，主管分支口部位的背向应作挡墩。

(8)管道可弧形借转
此类管材类同一阶段、三阶段预应力管，在敷设中每根管材可弧形借转一定角度，DN600～1000mm时允许相对转角1.5°；DN1200～2000mm时允许相对转角1.0°；DN2200～3000mm时允许相对转角0.5°。

借转时，亦是接口沿轴向安装就位，然后借转。

借转角度过大，使承插口环相碰，在受力状况下容易产生应力腐蚀，管道损坏。