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pccp失效解析:美国结构设计标准问题探讨

PCCP失效解析— 美国结构设计标准一个细节有错 沈之基 (上海市自来水公司, 上海原水股份有限公司) 摘要 PCCP主要失效模式是钢丝腐蚀管爆裂,防护层裂缝是钢丝腐蚀主要原因; 防护层裂缝不可避免,产品结构设计中存在先天隐蔽性缺陷; 高内压的大口径PCCP管线“膨胀量”大,特别危险。信息高度不对称,造成不公平的竞争环境和结果。 美国主流的管道设计已经不再考虑PCCP。 失效信息在中国慢慢传开,输水管线市场将出现大变局。 0.前言 PCCP能够经济,其核心手段是采用高强度钢丝和预应力技术。钢丝的设计应力是钢管钢材的5倍以上,由此节约了钢材而取得经济性。 PCCP能够耐腐蚀,是因为主要受力元素---钢丝,有砂浆保护层保护。砂浆保护层能充分保护钢丝,这是发展这个产品时开发人员的期望,也是这个产品投入运行一段时间内的表现; 但是随着时间推移,大量的管线运行实践表明,PCCP中钢丝容易腐蚀,其结果是管爆裂(1、2)。新构造的实际表现同开发期望有极大的差异。 1.主要失效模式是钢丝腐蚀管爆裂,防护层裂缝是钢丝腐蚀主要原因。 PCCP主要失效模式是爆裂,是钢丝腐蚀断裂引起,这已经得到大量运行实践证明并为行业公认。 钢丝腐蚀断裂原因,可以列举很多。因为腐蚀本质上是腐蚀电池或杂散电流运动结果,所以通常总会自然地将“土壤有腐蚀性介质(含杂散电流)、保护层裂缝”看成是钢丝腐蚀的二个必要条件和主要原因,是二者交集才发生腐蚀。 这二个主要原因实际作用是怎么样的,哪一个实际作用更大一些,现在有二种观点。 1.1. 腐蚀性介质说 这种观点紧紧抓住腐蚀断裂是腐蚀电池或杂散电流运动结果这个事实,对土壤有腐蚀性介质、杂散电流特别看重,认为土壤有腐蚀性介质时,才需要采取对应措施。如果土壤没有腐蚀性介质等,那保护层即使有裂缝,裂缝处因砂浆提供了高碱性环境,钢丝表面被钝化而不会腐蚀,就不需要采用防腐蚀措施。 对策的重心也就自然针对腐蚀性介质:如采用环氧煤沥青涂覆管道外壁,加阴极保护措施;这种观点无论在理论上还是实践上,都可以认为是有效果、可操作的;但其最大不足是效力不高而且不彻底,做了这么多的努力,结果还是对钢丝的腐蚀不放心,还要再对运行中PCCP钢丝状况, 采取实时监测的措施,而这个实时监测的进行也需要化很大力气和费用。 中国现在以南水北调工程为主导的水利系统,就接受这样观点并行动的。 1.2.保护层裂缝说 如果问,钢丝腐蚀为何发生在这个管子而不是相邻的管子,为何发生在这个管子的这个局部而不是这个管子的其他部位,这显然不能从“土壤有腐蚀性介质、杂散电流影响”中得到回答;回答只能是这个部位最利于腐蚀电池生成、运动,或者这个部位杂散电流最 “通畅”,这个部位就是保护层裂缝最厉害的地方。不发生钢丝腐蚀的“相邻的管子”、 “管子的其他部位”,自然是保护层处于相对完好状态。 同样的土壤腐蚀环境,保护层裂缝处钢丝腐蚀,保护层完好处,钢丝就就不发生腐蚀,这表明保护层裂缝对决定钢丝是否腐蚀更有力。 对PCCP来说,土壤有腐蚀性介质是外来的因素,多数情况下总是会遇到,只能采用应对措施;保护层裂缝是产品自身的因素,是应该首先自律的。 中国城镇供水系统的同行,现在多数已经接受这样观点(2 ) 2.水泥砂浆保护层裂缝不可避免 PCCP标准规定,砂浆保护层不允许有任何可见裂缝,实际情况砂浆保护层种种裂缝不可避免。 水泥砂浆保护层脆、抗拉强度低,一定强度的冲击、拉伸就会出现裂缝。即使工厂中PCCP保护层完好的,出厂后运输吊装中的碰撞、震动,铺设运行后承受的内外负载,都将是产生裂缝的原因。在这些原因中,碰撞、震动等等只要认真措施是可以避免产生伤害的,最厉害的是内压,因为它和它产生的伤害无法避免。 保护层是在管芯缠绕钢丝后,在无内压状态下成形、养生、定型的 ;运行或试压时,这个绕钢丝管芯将承受内压,有内压时同无内压时相比,整个构造应该有小小的“膨胀”,这个膨胀有将保护层涨裂倾向,是保护层裂缝生成源头且无法避开。 (2.水泥砂浆保护层裂缝不可避免) 标准规定,管芯的最小厚度是内径的1/16,按圆管管壁环向应力理论计算公式,同砂浆抗拉极限强度相应的管道内压约为0.625MPa,这就是说,管道内压超出0.625MPa,就有可能引起水泥砂浆保护层产生微裂缝。 变形迭加原理认为,最薄弱处将产生最大变形;一旦开裂,最薄弱处就成为其他部分变形能释放优先部位,微裂缝渐渐合并最终形成表面裂缝或较大裂缝。也就是说,微细裂缝在运行内压持续作用下,能归合为可见裂缝、有害裂缝。当土壤为有腐蚀性场合,钢丝腐蚀发生,5~10年后就发生管爆裂,美国、非洲、中国,都经历了这样的结果(1、2)。 3. 美国结构设计标准

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