PCCP簡介

一、結構型式

　　PCCP是由預應力鋼絲、鋼筒、混凝土構成的復合管材，是預應力鋼筒混凝土管（PRESTRESSEDCONCRETECYLINDERPIPE）的英文縮寫。這種管材是在帶鋼筒的混凝土管芯上，環(huán)向纏繞預應力鋼絲，最后在管外部施噴水泥砂漿保護層而制成的。結構形式詳見圖2-1、圖2-2、圖2-3。

圖2-1PCCP-E標準結構圖

圖2-2PCCP-E埋置式預應力鋼筒混凝土管

圖2-3PCCP-L內襯式預應力鋼筒混凝土管

　　PCCP從結構型式上分為兩種：一種為內襯式預應力鋼筒混凝土管（PCCP-L），即在鋼筒內壁成型混凝土，在鋼筒外面纏繞環(huán)向預應力鋼絲，然后噴射沙漿保護層而制成的管道；一種是埋置式預應力鋼筒混凝土管（PCCP-E），是將鋼筒埋置在管芯混凝土里面，然后在管芯混凝土上纏繞環(huán)向預應力鋼絲后輥射沙漿保護層。

　　PCCP由以下部分構成：

　　1、高強度混凝土管芯：它是管道的主要結構部分，可提供光滑的內表面以利水流。該管芯內的鋼筒起防滲作用和提供縱向抗拉強度，并可增加環(huán)向強度。在PCCP-E型管道中，鋼筒嵌在混凝土管芯中，在PCCP-L型管道中，鋼筒包在混凝土管芯的外部。鋼筒兩端連接鋼制承、插口環(huán)和彈性○型橡膠環(huán)，它可為管與管間的連接提供止水并可使相鄰兩管道中心對齊。PCCP-E型管混凝土在鋼模內立式澆筑，多用于大管徑PCCP。PCCP-L型管的混凝土靠離心澆筑或在鋼筒內徑向壓實澆筑，多用于小管徑PCCP。

　　2、冷拉預應力鋼絲：以一定的拉應力螺旋式纏繞在管芯上，在管芯上產生均勻的預壓應力以抵償由內壓和外荷載產生的拉應力?？筛鶕?jù)具體運行條件設計鋼絲直徑、預壓應力和纏絲密度，以提供所需的最佳預應力。

　　3、一個密實的水泥砂漿保護層：保護高強度鋼絲和管芯，使之免受物理損壞和外界腐蝕。

　　4、鋼制承、插口接頭：焊在鋼筒的兩端，是PCCP的聯(lián)接件和密封件。

　　二、PCCP的技術、經濟特性

　　1、設計方法先進、安全

　　PCCP設計采用美國供水協(xié)會AWWAC304設計規(guī)范，設計過程中綜合考慮了使用極限狀態(tài)準則、彈性極限狀態(tài)準則和強度極限準則，將預壓力、內壓力和外荷載合理組合，考慮了管壁的彈性變形和非彈性變形，充分、合理地發(fā)揮鋼材抗拉、易密封性的混凝土的抗壓及耐腐蝕性，安全地限制了混凝土的抗拉和抗壓應力，從而使得設計工程師可以根據(jù)管線的實際情況進行最經濟、最可靠的管材設計。設計荷載及應力簡圖見圖2-4。

圖2-4設計荷載及應力簡圖

　　2、承受高的內壓和外荷載

　　因為PCCP使用了經過水壓檢驗的鋼筒，解決了一般混凝土管存在的滲水問題，所以它可以承受很高的工作壓力，我國產品的標準工作壓力指標為0.4～2.0MPa，國外應用的PCCP工作壓力有的高達3.0MPa以上。由于PCCP在設計上考慮充分運用混凝土的抗壓強度，所以它較其它管材可承受更大的外荷載。不同管材內壓、外壓承載比較見圖2-5。就PCP而言，由于其接頭形式等原因，纏繞環(huán)向預應力鋼筋受到限制，影響PCP的工作性能，使其無法成為高工壓管材。SP是一種揉性管，承受外壓能力差，對側壁回填土密實程度要求很高，且當外壓較大時，還需要混凝土基礎或增加鋼筋，使管線的成本和施工復雜程度大大增加。

圖2-5　　內壓外壓承載比較

　　圖中：PCCPPRESTRESSEDCONCRETE CYLINDERPIPE預應力鋼筒混凝土管

　　PCP　PRESTRESSEDCONCRETEPIPE　　　　　三階段預應力混凝土管

　　RCPREINFORCED　CONCRETEPIPE鋼筋混凝土管

　　SPSTEELPIPE鋼管

　　3、良好的抗?jié)B性及耐久性

　　PCCP利用埋藏在混凝土中的經過水壓試驗的鋼筒抗?jié)B，利用水泥砂漿對預應力鋼絲進行保護使其不受外界腐蝕，從而保證PCCP的抗?jié)B性、耐久性。

對于PCP，要保證和提高管體的抗?jié)B性，只有加厚管壁或使用高密度混凝土或者兩者并舉，這就對混凝土的配制、攪拌、澆筑和震搗提出了十分嚴格和苛刻的要求。但由于工廠工藝條件的限制，批量生產標號過高的混凝土是不現(xiàn)實的，因此也就很難達到要求的抗?jié)B性。另外，從生產工藝來看，PCP的水壓抗?jié)B試驗是在管材纏絲后才進行的，該水壓試驗并不能檢驗混凝土管芯本身的水密性?；炷磷鳛橐环N多孔材料，僅提高其抗裂性并不意味著其抗?jié)B性也得到相應的提高，作為壓力輸水管道用的管材，在單向壓力狀態(tài)下常期處于飽水狀態(tài)下的混凝土，不可避免的會發(fā)生滲漏，造成預應力鋼絲的銹蝕，從而影響了管材的耐久性。

　　而鋼管雖然具有較好的防滲性能，但鋼管的使用壽命與輸送的介質和管道周圍的環(huán)境介質有很大的關系。如果設計時沒有相應的防腐措施，施工、運行維護不當，則會達不到預期的使用年限，一般十五年左右就需要維修才維持使用。

　　4、接頭密封好

　　PCCP接頭采用公差配合，PCCP密封接頭形式見圖2-6，采用滑動○型膠圈密封，安裝時○型膠圈沿承插滑動○型膠圈密封，其鋼質承口圈和插口圈，加工尺寸精度高（承口和插口工作面直徑配合間隙最小0.5mm，最大2mm），承口呈鐘形，具有安裝自定位的作用；插口是帶有單凹槽或雙凹槽的特制型鋼，密封橡膠圈按照與膠槽等斷面設計，填充在凹槽內，安裝好以后的橡膠圈受雙向擠壓，形成很好的密封力，PCCP接頭安裝后，一般都能一次打壓成功，滴水不漏。這種型式的接頭可以承受高達3.0Mpa以上的水壓力。

　　PCP承口、插口的結合采用間隙配合，滾動膠圈密封。安裝時○型膠圈沿承、插口工作面滾動，膠圈受壓形成水密性接頭，但是膠圈在插口槽內滾動過程中易發(fā)生膠圈扭曲、不同步、撕裂和不到位等弊病。由于PCP的承、插口尺寸是由模具端板來保證，長期使用后模具的變形或端板的磨損都會影響承插口工作面的尺寸，間隙隨之發(fā)生變化，影響膠圈的密封效果。此外膠圈在密封時僅受承插口上、下兩個面的擠壓，很難保證接頭的水密性，從而加大了輸水成本，影響工程質量。

圖2-6　　PCCP管密封接頭

　　5、耐腐蝕性能好

　　由于構成PCCP的所有鋼材都被密實的混凝土或水泥砂漿所包裹，經防腐處理的承口鋼圈和插口鋼圈安裝后其外露部位又都用水泥砂漿灌注封口，混凝土或砂漿提供的高堿性環(huán)境使得包裹在PCCP內部的鋼材純化而不會發(fā)生腐蝕，因而使PCCP具有良好的防腐蝕性能，一般能達到60年以上，而沒有采取針對性防腐處理的鋼管很容易被腐蝕，一般20年左右就必須更換管材。不同管材耐久性比較見圖2-7。

圖2-7耐久性比較

　　6、較高的通水能力

　　PCCP及其接頭的內表面非常光滑，不結垢，使得管線在運行服務期間能保持很高的通水能力。PCCP經水力摩阻試驗測定：離心成型的PCCP—L管，n=0.012；對于立式振動成型的PCCP—E管，n=0.0107，可見PCCP的糙率n值是很小的，大大降低了PCCP對水流的摩阻力，提高了其通水能力。

　　7、安裝速度快

　　PCCP采用膠圈密封的自對中鋼制接頭，使其安裝快捷，管線一般一次打壓成功，而鋼管采用現(xiàn)場焊接的方法，其鋪設速度相對PCCP較慢，且管線往往需要多次試壓才能成功。

　　8、能夠抵抗一定的推力

　　當施工現(xiàn)場不方便做混凝土支墩抵抗推力，或經比較做混凝土支墩不經濟時，PCCP管可將轉角處一定數(shù)量管道設計成鎧裝接頭或將鋼質接口焊接起來，以抵抗軸向推力，使管道結構得到加強，不僅能夠方便施工而且不需要建造止推墩降低了工程造價。PCCP用的鎧裝接頭具有工廠批量生產的可靠性，可保證安裝時要求的精度。PCCP中的鋼制承插口和鋼筒還起著傳遞軸向力作用，鋼筒的壁厚可根據(jù)傳遞推力的大小來調整。而PCP的接頭由混凝土制成，無法“捆綁”，因而不能充分利用管內的縱向配筋。

　　9、PCCP半剛性接頭對地基適應性好

　　PCCP半剛性接頭使得此種管道既有一定程度的剛性，又具有一定的柔性，其接頭能夠轉動一定的角度，因而抵抗不均勻沉降的能力較強，對基礎的要求不高，可以適應地基變化的性能比其它管材要好。管道允許相對轉角見表2-1。

表2-1管道允許相對轉角

　　10、抗震能力強

　　大量實例表明，PCCP管材的抗震性能優(yōu)良，在強地震下也能保持完好無損。而鋼管的抗震性較差，發(fā)生地震時易損壞。1999年臺灣“九二一”大地震最大加速度接近1g時，其他管材如鋼管、球墨鑄鐵管、塑膠管等都遭到不同程度的損壞，而PCCP管線在離震中不到5公里的情況下沒有出現(xiàn)任何損壞。

　　11、可以制作各類配件和異形管

　　作為輸水管線用管材，PCCP具有很大的靈活性，可以提供不同形式PCCP，適應不同工程的地質、地形條件，可以根據(jù)施工現(xiàn)場的具體情況提供各類短管，滿足修改后管線的鋪設長度，還可以利用斜口管組合或接頭的自由轉動特性實現(xiàn)一定曲率半徑的管線轉彎，而無須廠家添置其他設備，在不增加投資的情況下滿足用戶的需要。但選擇PCP時，就無法做到，只能選用許多配件來補償短缺的管材，使得管線的設計和安裝復雜化，從而增加了工程成本。

　　12、工程造價和維護費用低

　　由于PCCP具有很強的承受外壓能力，使之對基礎和回填土的要求比柔性管低得多，降低了鋪設成本；PCCP具有良好的防腐蝕性、抗?jié)B性和耐久性，使用壽命很長，在各種管材中維護費用最低；可以制作各類配件和異形管，節(jié)約了工程投資；PCCP可通過在現(xiàn)場焊接部分接頭以抵抗推力，不僅便于施工而且不需建造止推 墩降低了工程造價。在同樣管徑及內外壓條件下，PCCP的價格比其它管材低廉，其價格比鋼管少10%以上，而且其鋪設成本低、鋪設工期短，其維護費用只有鋼管的五分之一，尤其是大直徑PCCP，其優(yōu)越性更顯明顯。

　　PCCP為直筒型，運輸、安裝方便，且鋼質接頭使得安裝過程中無損耗。安裝時溝槽開挖寬度窄，接口工作面較淺，綜合造價低，運行維修費用小，經久耐用，社會綜合效益好。不同管材成本比較見圖2-8。

圖2-8　不同管材成本比較圖

　　三、PCCP制造工序

　　預應力鋼筒砼管（Ameron公司埋置式制管）的工藝流程如圖2-9。

圖2-9PCCP生產工藝流程圖

　　1、承、插口接頭加工

　　PCCP接頭采用承、插口連接方式，承口鋼圈和插口鋼圈是管材連接、止水的重要部件，經鋼板剪切、卷環(huán)焊接、承口鋼圈壓邊成型、承口和插口鋼圈脹圓等工序，達到承、插口兩鋼圈應有的配合精度。

　　2、鋼筒制作

　　鋼筒是管體防滲的主要部分。將加工好的承口、插口鋼圈裝在螺旋制筒機上，按設計要求將1.5-3mm厚的卷板卷成鋼筒，邊卷邊焊；鋼圈與鋼筒一次焊接成型，經打壓試驗無滲漏點即為合格產品。

　　3、管芯混凝土澆筑

砼管芯是承受管材的內水壓和外荷載的主要部分。鋼筒制好后吊入模具中，澆筑混凝土，鋼筒鑲嵌在混凝土之中，經過強力震搗，形成PCCP混凝土管芯，管芯經過養(yǎng)護，混凝土強度達到設計強度的70%時，即可進入纏絲工序。

　　4、預應力鋼絲纏繞

　　將管芯吊至纏絲機工作臺，鋼絲以一定的拉應力螺旋式纏繞在管芯上，不允許密繞，鋼絲間最大螺距不得超過38mm（PCCP-E），應力波動值不得超過規(guī)定應力的±10%，纏絲過程需要同時噴涂水泥凈漿。纏絲是一道關鍵工序，管材的質量高低很大程度上取決于纏絲的質量，可謂“一絲重千鈞”。

　　5、水泥砂漿保護層

　　水泥砂漿保護層對鋼絲起保護作用，噴漿前首先按規(guī)定水灰比噴水泥凈漿，然后采用高速輥射機輥射水泥砂漿保護層。保護層凈厚度最小為19mm，經檢測達到設計要求后，結束噴漿，進行養(yǎng)護。

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