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PCCP国内外发展状况及创新发展探索（上篇）——PCCP国外发展状况
本期“技术交流”栏目刊载的是中国南水北调集团中线有限公司原副总经理、总工程师程德虎先生在2023年7月25日中国水利学会组织举办的“PCCP管线安全提升学术沙龙”（线上+线下）所作的主题报告，原标题为《PCCP在国内外发展及管线安全提升措施》，本次编辑修改标题为《PCCP国内外发展状况及创新发展探索》。由于文章较长，本编将全文分三期刊载：上篇－PCCP国外发展状况、中篇－PCCP国内发展状况、下篇－PCCP创新发展探索。本期刊载的是上篇。欢迎读者阅读。
程德虎，现为水利部南水北调工程专家委员会委员、中国水利学会水工结构专业委员会副主任委员、中国大坝工程学会水工混凝土建筑物检测与修补加固专业委员会副主任委员，曾负责南水北调中线工程技术工作，主持开展了大流量U形渡槽结构设计和施工关键技术、穿黄隧洞全面加强内衬结构缝防水体系等设计优化、膨胀土渠坡建设及运行关键技术、PCCP管道设计、建设及运行关键技术等研究工作。发表论文30篇，专著3部，获得大禹水利科学技术一等奖1项，水力发电科学技术一等奖2项，湖北省科技进步二等奖1项，河南省科技进步二等奖1项。
PCCP国外发展状况
预应力钢筒混凝土管（PCCP）自上世纪八十年代末从美国引进生产技术和主要装备，在中国落地至今已30多年，作为一种综合性能优良的压力输水管材，已经成功应用于国内引黄入晋、南水北调等诸多跨流域的重大引调水工程。今天主要介绍其在国内外发展状况及目前在PCCP创新发展方面所作的探索。
一、PCCP在国外的起源
1894年，法国Bonna公司的创始人Aime Bonna发明了带钢筒的混凝土管（无预应力钢丝），并申请了专利（见图1）。1900年世界博览会上此项发明获得两项金奖。
1939年，法国邦纳管道公司又增加了预应力钢丝，设计并制造了预应力钢筒混凝土管(PCCP)。（参见图2）
二、PCCP在北美的发展
1942年，美国国洛克昭公司引入上述技术工艺后成功制造出第一节内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCP-L），以后在美国逐渐推广，但多数是中等口径的管材。
1952 年，美国艾美隆公司生产出第一节埋置式预应力钢筒混凝土管（PCCP-E），该公司相继在不同时期根据工程的需要制作了大口径PCCP，最大直径达到6400mm。
1950-1970年，PCCP在美国发展很快，这期间，采用半经验的“工作应力控制法”对管道结构进行设计，钢丝用量相对较大。用于PCCP保护层的拌合砂浆能够保证足够的含水率，从而使砂浆保护层具有非常低的吸水率。因此，1970 年以前生产的PCCP至今表现仍然很好。
1970年到1980年，美国的PCCP迎来了生产高峰期，欧美主要制造商有：美国Ameron、Price Brothers、Interpace、Vianini公司、法国Bonna公司、意大利Casagrande公司等。
这一时期也经历了惨痛的教训。首先，因AWWA C301标准没有对钢丝的抗拉强度设置上限，为了降低成本，美国的PCCP生产使用了高强度Ⅳ级钢丝。特别是Interpace公司采用自己制造的快速拉拔法预应力钢丝，随后其他的生产商也开始使用这种钢丝，致使在腐蚀条件下产生氢脆和造成钢丝脆断。这些主要因素的结合导致了在20世纪70年代在美国生产的PCCP更快的失效，尤其是由Interpace公司生产的管道。见图3。
图3 Iterpace公司生产的PCCP失效管道项目统计图（图片来源于网络）
1980-2000年，美国PCCP行业从教训中走出，对PCCP进行研究和改进：
美国PCCP行业对有关钢丝、钢丝动态应变老化机理以及如何预防做了很多研究；
当管道铺设在干湿交替的环境中时，如何采用防腐措施保护管道免受高浓度盐的影响；
掌握了如何制造致密的砂浆保护层的方法；
全面禁止使用Ⅳ级钢丝；
重新重视管材防腐蚀设计；
将上述相关成果写进了AWWA和ASTM的升级标准中，PCCP 重新得到了认可，自1984年以后生产的PCCP的失效率下降到几乎为零。
三、ACPPA及PCCP成员状况
美国混凝土压力管协会，简称：ACPPA。
目前，北美有三家PCCP制造商，Decast LTD，Rinker Pipe, 和 Thompson Pipe Group-Pressure，他们目前都是ACPPA的成员。
Rinker Materials是美国最大的混凝土管（PCCP）、箱涵、预制件及相关产品的制造商。成立于1964年，拥有超过70家工厂，服务于超过35个州和加拿大东部省份。2017 年成为Quikrete Companies的一部分。在产品创新、产品质量、安全性和客户服务方面被公认为行业领导者。
Thompson Pipe Group-Pressure （TPG）是美国最大的管道制造商之一，总部位于加利福尼亚州里亚托。TPG目前是最大、最多元化的排水、卫生、压力管道和非开挖管道供应商，其生产基地遍布全国，不仅服务于美国，还服务于整个北美。主要产品包括钢筋混凝土钢筒管（ C300）、PCCP （C301）、非钢筒型钢筋混凝土压力管（ C302）、钢筋缠绕混凝土钢筒管（ C303）、焊接钢制压力管（S-200）、玻璃纤维增强管、预制钢筋混凝土箱涵、预制钢筋混凝土管等。
四、PCCP在其他国家的发展
印度及中东地区阿曼公司目前在生产PCCP。
The Indian mume Pipe Co.Ltd是一家印度公司，其产品网站显示生产PCCP。
图4 The Indian mume Pipe Co.Ltd（图片来源于网络）
阿曼公司成立于1974年，是阿曼最大的制造公司之一，产品种类繁多，其有一条全自动化生产线是目前国际最先进的PCCP生产线。
五、国外PCCP失效率统计分析
1、美国水工协会的统计分析
美国水工协会统计在1942年-2006年的65年中，美国共发生了399次爆管事故（数据来自AWWARF 4304报告“PCCP的失效破坏”）。美国爆管事故主要集中在 1970年-1980年；爆管的管材主要供应商是Interpace公司；PCCP失效主要原因是采用了Ⅳ级钢丝。
2、Pure公司的统计分析
加拿大Pure Technologies 公司（简称：Pure公司）上世纪 90 年代末以来，针对 PCCP 给水和排水压力管道断丝破坏的识别和量化，实施了大量的检测和监测项目。
2012年Pure公司Michael S.Higgins等发表了一篇调研分析报告，Pure公司原中国区负责人王五平先生对该报告进行了翻译，报告名为《数据不会说谎——基于10年状态评估数据统计结果的PCCP性能和劣化分析》。
该报告查阅的资料涉及美国和加拿大 55 个水务部门的 PCCP 电磁法检测。统计结论基于在美国和加拿大安装的PCCP，调查的管线直径 400mm～4000mm，安装时间从1952 年到 2004 年，数据调查涉及 676 千米PCCP。
AFO监测数据库包括 269 千米PCCP 管线，直径 900mm～2600mm，安装时间从1958 年到1990 年。
通过查阅电磁法检测和声监测报告的数据库，确定管道损坏比例，结果见表1。
报告指出，仅有3.9%的PCCP具有断丝破坏的电磁特征，也就是说，96.1%的管道没有损坏，处于“安全可靠” 的状态。AFO报告中出现断丝破坏的管道数量也占3.9%，与电磁法检测结果一致。
查阅电磁法检测的数据库，确定断丝破坏的比例与制造年份的相关性，结果见表2。
表2 按照不同AWWA标准制造的管道损坏率
与Bell/Romer的发现一致，1972年到1978年制造的PCCP 的损坏率比其它年代制造的管道高。
该报告最后得出以下结论：
平均损坏率和破坏等级：根据电磁法检测和声监测结果，计算得到PCCP的平均损坏率为3.9%。而在受损管道中，占总数2.0%的管道损坏程度较低。这意味着，98.6%的 PCCP 管道没有损坏，处于接近全新的状态，损坏程度和失效风险低。
管道制造年份：1972年到1978年制造的管道损坏率最高。因为这一阶段PCCP使用Ⅳ级预应力钢丝制造，钢丝的质量差。
3、几种主要管材失效率对比
1990 年，美国开垦局（垦务局）调查报告各种类型管材失效率对比见图5，从统计对比看PCCP平均失效率（即PT,包括ECP/LCP）低于各种管材平均失效率，与钢管（ST）相当。
图5 不同管材类型平均失效率
（图片来源于网络）
六、近10年PCCP工程案例
1990 年后，美国汲取了Interpace公司使用Ⅳ级钢丝的教训，重新评估了 PCCP的安全性，严格了原材料和制作标准，使PCCP供水项目建设重新进入了快车道。
到21世纪初，美国各区的供水体系基本完善，PCCP供水项目建设速度放慢。
美国近10年PCCP供水项目案例：
（1）新的墨西哥湾沿岸泵站/PCCP管道-2020年
●项目名称：新SRA海湾海岸分部水泵站的施工现场
●项目概述：新的墨西哥湾沿岸分区泵站为 SRA 的客户提供更可靠的供水。现有的墨西哥湾沿岸分区泵站已有 85 年以上的历史，导致其原有泵送能力丧失了 50%。新项目建造一个新的泵站和进水口，安装一条 7 英里（11.28km）、66 英寸（1676mm）的预应力钢筒混凝土管道。
●项目特点：湾沿岸泵站
（2）用新型优质预应力钢筒混凝土管取代旧的Interpace管（2021年发布）
●项目名称：纽约伊利县PCCP工程项目
●项目概述：20世纪70年代，Interpace公司制造的30英寸（762mm）预应力钢筒混凝土管（PCCP）安装在伊利县电网系统附近。经过多年的泄漏和对 Interpace管道的不满，伊利县水务局寻求更换。伊利县是纽约西部近100万人口的家园。布法罗-尼亚格拉都会区是该州第二大地区。
●项目特点：腐蚀性土壤、五车道高速公路和架空电力线
（3）PCCP安装困难条件下的最佳管道（2020年发布）
●项目名称：迈阿密戴德县PCCP工程项目
●项目概述：迈阿密戴德县供水和排水管道部门新建一条6英里长（9.66km）管道，迈阿密戴德县容易发生洪水，地面多孔。该地区每年的降雨量约为66 英寸（1676mm），且地区拥有7700 多英里（12397km）地下水管线。
●项目特点：土壤支撑不足且有很强的腐蚀性，积水使接头焊接困难
（4）非开挖径大口径 PCCP管——市中心的最佳选择（2021年发布）
●项目名称：达拉斯市中心PCCP工程项目
●项目概述：达拉斯市中心PCCP工程项目为了避免道路封闭、昂贵的交通维护和公用设施限制，设计了1800英尺（548m）的 36英寸（914mm）PCCP的非开挖安装。项目通道毗邻一座 50 层的摩天大楼和一条轻轨交通线。达拉斯市中心是大型建筑、公共交通和繁华街道的所在地。
●项目特点：道路封闭，交通限制，重负载、振动和杂散电流
（5）PCCP 是发电行业的选择（2020年发布）
●项目名称：佛罗里达州新的天然气设施工程PCCP工程项目
●项目概述：佛罗里达州新的天然气设施工程，汤普森管道集团PCCP已在全球数百个发电厂装置中使用。结构强度和易于安装使 PCCP成为发电厂最受欢迎的管道。
●项目特点：刚性管道、可测试接头和线束夹驱动的易于安装
（6）PCCP 在非开挖应用中的应用—污水处理厂使用管道进行深隧道处理
●项目名称：密尔沃基大都会PCCP工程项目
●项目概述：密尔沃基大都会下水道区海港虹吸管项目，该项目扩大了该区拦截系统的容量，以输送与北方污水处理厂容量相等的污水流量。该项目旨在将分流至深隧道系统的废水直接输送至处理厂，减少下水道溢流，同时还可以清洁和修复原始虹吸管。
●项目特点：深井下安装隧道
七、PCCP在北美的未来
迄今为止，美国已使用PCCP超48000千米，最大管径达6400mm。作为大口径长距离调水用管材，PCCP是最有竞争力的管材！
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