预应力钢筒混凝土管（PCCP）的破坏模式及原因分析

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发布时间：2021-09-04

资料介绍

预应力钢筒混凝土管(PCC P)的
破坏模式及原因分析
窦铁生，燕家琪
(中国水利水电科学研究院结构材料研究所，北京100038)
摘要：将PCCP的破坏模式归纳为沿环向和纵向破坏两大类，指出PCCP破坏的原因主要包括设计、制造、安
装、环境和运行这5个方面，并结合几个典型的工程实例，对PCCP的破坏类型和原因进行了分析。
关键词：预应力钢筒混凝土管(PCCP)；断丝；裂缝；腐蚀
Abstract：Prestressed concrete cylinder pipe (PCCP)failure modes include circumferentially failure and longitudinally
failure．Here．the causes of PCCP failures are divided into 5 categories of design、manufacture、installation、environment and
operation．Aeorrding to some typical engineering examples，the failure modes and failure causes of PCCP are anlyzed．
Key words：Prestressed concrete cylinder pipe(PCCP)；Broken Wires；Cracking；Corrosion
中图分类号：TU525 文献标识码：A 文章编号：1000—4637(2014)01—29一O5
0 前言
预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete
Cylinder Pipe，以下简称PCCP)是由混凝土管芯、预
应力钢丝、砂浆保护层、钢筒组成的一种新型复合
管材。其生产和应用至今已有70多年的历史，在美
洲、欧洲、非洲、亚洲等地区已得到广泛使用。按照
美国ANSI／AWWA C301—07 “ stressed Concrete
Cylinder Pipe。Steel—Cylinder Type” 制造和ANSI／
AWWA C304-07 “Des ign of Prestressed Concrete
Cylinder Pipe”设计的PCCP的使用寿命为50年【l_21．
国外现以PCCP病险检测、维修加固等方面的研究
为主。我国开发研制和生产PCCP起步较晚，山东电
力管道公司于1988年开始引进美国Ameron公司
的制造技术和设备，近几年，由于引水调水和市政
工程的建设高潮．PCCP行业得到了长足发展。
尽管PCCP耐久性、抗老化性能突出，但随着使
用年限的增加．也会在工作运行中发生一些损伤破
坏，有的甚至发生爆管等工程事故。PCCP工程一般
在建成后15—2O年左右发生破坏．美国从1970年
起已经有500多起事故发生。本文结合工程实例，
介绍了PCCP的两种破坏形式以及破坏成因。
1 PCCP的破坏模式
PCCP的破坏可以归纳为沿环向和纵向破坏两
大类
基金项目：国家自然科学基金一裂缝与断丝对PCCP安全性
的影响研究(50979116)。
1．1 环向破坏
环向破坏模式的破坏过程包括初始腐蚀和随后
发生的断丝，或氢脆性引起的钢丝断裂，随后保护层
发生开裂和分层。腐蚀和断丝会引起预应力损失，
导致混凝土管：芑：发生开裂，使埋置于管芯混凝土中
的钢筒暴露于环境中，进而引起钢筒的腐蚀和破裂，
最后导致PCCP工作状态部分失效或者完全失效。
环向破坏模式的破坏过程中，一旦砂浆保护层
的防腐性降低，钢丝就开始发生腐蚀。高强钢丝除
了发生腐蚀以外，还会产生氢脆性断裂，与钢丝腐蚀
断裂不同的是，钢丝氢脆性断裂没有规律性，沿管子
长度和圆周随机发生。埋置式PCCP的管芯开裂使
钢筒暴露于土壤的腐蚀环境中．内衬式PCCP的钢
筒腐蚀会随着钢丝的腐蚀而发生，管子发生渗漏之
前是否会发生破裂取决于管子的设计和压力。
1．2 纵向破坏
纵向破坏模式，通常是由于在管子弯头或岔口
接头处不能充分抵抗推力、基础不均匀沉降、爆炸或
地震引起的地面动态移动造成的
纵向破坏过程从管道移动开始，然后导致管子
连接处断开或混凝土管芯出现环向开裂．使钢筒暴
露于腐蚀的环境中，进而钢筒发生屈服和破裂，最终
导致外部混凝土管芷：破坏，这一过程导致PCCP渗
漏和破裂。纵向破坏模式中钢筒可能会发生腐蚀，
也可能不会腐蚀。内部压力和温度荷载引起的环向
应变的泊松效应(内压和温度荷载使混凝土管芯产
一29—
2014年第1期混凝土与水泥制品总第213期
生径向膨胀，从而使管子变短)也属于纵向效应．由
此引起的破坏模式也属于纵向破坏。
2 PGGP的破坏原因
2．1 设计缺陷
PCCP结构的设计不充分。使用的标准要求不
符合工程实际状态，如使用较高强度的钢丝、砂浆
保护层太薄或者钢筒厚度太薄：设计荷载选择不
当．如选择不当的设计T作荷载和瞬时荷载，不合
理的土荷载和活荷载。另外对于环境腐蚀有要求的
PCCP，保护设计不恰当也会存在设计上的缺陷。
2．2 制造缺陷
制造缺陷包括：制造过程中使用不恰当的材
料，不恰当焊接等制造过程，对管子进行不恰当的
标注和不恰当的质量控制。
(1)等级Iv的钢丝：钢丝会由于氢脆性而出现
脆断，等级Iv的钢丝比等级III的钢丝表现出更敏
感的氢脆性。
(2)多孑L或比较薄的砂浆保护层：为了使钢丝不
受环境腐蚀，保护层要求必须使用密实度高、耐久
性好的水泥砂浆。多孔的保护层增加了腐蚀性氯离
子的渗透率，从而使钢丝的恶化率提高。
(3)制造缺陷还包括：预应力钢丝缺乏拉力；钢
筒表面有凹损；承捅口附近的缠丝间距过密，导致
保护层分层：对管道等级标注不恰当；钢筒接缝或
钢简与连接环之间的焊接缺陷。
2_3 安装缺陷
一般引起破坏的安装缺陷包括基础和回填不
充分(尤其是岩石地基)；错误的管子安装(如在高
压力区安装低等级的管子)；运输时保护层的损坏，
处理时保护层的抹擦或压缩、冲击损坏等；限制接
头的不恰当安装(如没有完全置于控制夹中或连接
处存在焊接缺陷)。
2．4 恶劣环境
恶劣环境是PCCP损伤的最常见原因。在恶劣
环境中安装的管子可能需要额外的保护措施。
AWWA M9“Concrete Press~re pe”中规定的恶劣环
境包括高腐蚀性土壤(承载力低、含氯量高、含硫酸
量高)，严重的酸性环境，侵蚀性的CO：或离散电流
环境【。
2．5 运行
管道的不恰当运行会使管子中产生较高应力，
从而引起混凝土管芯和砂浆保护层开裂并出现断
丝。最常见的运行因素是：除设计荷载以外，管子中
产生较大的瞬时压力、土荷载或活荷载。另外，对于
有阴极保护的管道，不恰当的阴极保护通常会造成
一30一
比较高的断丝率，这也是一个比较常见的运行因
素。在某些管子中，由于第三方的原因也会造成
PCCP管的破裂。
3 典型工程实例
3．1 德克萨斯州休斯顿PCCP的破坏情况
美国得克萨斯州南部直径1．524m 的PCCP管
线主要是将东部净水厂的水输送到休斯顿市的南
部和西部，服务区域包括德克萨斯医疗中心，该管
线工程对于德克萨斯州非常重要，但是从2001年
开始．此输水系统出现了灾难性破坏和显著的腐蚀
渗漏现象，使得该管线不能正常运行