預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管施工工藝及操作要點(diǎn)

李瑩，寧富剛

(中國水利水電建設(shè)集團(tuán)遼寧工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179)

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管PCCP(Prestressed Concrete Cylinder Pipe)是一種技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用廣泛的新型壓力介質(zhì)輸送管材。它與一般的預(yù)應(yīng)力混凝土輸水管相比具有抗?jié)B性能優(yōu)越、承壓能力高的特點(diǎn)，既具有混凝土壓力管剛性好、耐防腐的優(yōu)點(diǎn)，又兼?zhèn)滗摴艹袎焊?、安全性好的?yōu)點(diǎn)。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管按其結(jié)構(gòu)分為內(nèi)襯式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCPL)和埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCPE)。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管自20世紀(jì)90年代引入我國以來，被廣泛用于水利、電力、市政和自來水供水主管線項(xiàng)目上。本文以大伙房水庫輸水(二期)工程DN 2 400 PCCPE管材制造為例，總結(jié)出一套PCCP管材制造工藝及質(zhì)量控制措施，為以后的PCCP管材生產(chǎn)提供指導(dǎo)與借鑒。

1 施工方法

(1)承插口鋼圈采用脹拉法施工，精度高，尺寸穩(wěn)定。

(2)鋼筒制作采用螺旋焊接成型技術(shù)，生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量好。

(3)管芯澆筑采用立式振搗成型工藝，管芯密實(shí)度高。

(4)纏絲工序采用應(yīng)力自動控制系統(tǒng)，保證了應(yīng)力均勻。

(5)采用了加強(qiáng)型生產(chǎn)線，關(guān)鍵工序設(shè)備為雙套布置(如螺旋焊機(jī)、纏絲機(jī)、噴漿機(jī)均為雙套配置)，確保了各工序的產(chǎn)能均勻流暢。

2 工藝原理

PCCPE型管材結(jié)構(gòu)如圖1所示，PCCP制管工藝流程如圖2所示。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管制管工藝過程為:采用承插口鋼圈及薄鋼板卷制并焊接成筒體，然后澆灌混凝土成為管芯并在管芯外圓上纏繞高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲，最后噴射沙漿保護(hù)層。

首先制作承口鋼圈和插口鋼圈，鋼筒制作采用承、插口鋼圈與薄鋼板一次性自動螺旋卷焊成型的方法，鋼筒經(jīng)水壓試驗(yàn)合格后放入管模內(nèi)澆灌混凝土。

PCCPE型管芯采用立式振動成型工藝，管模整理好后，將合格的鋼筒放入管模內(nèi)，混凝土沿鋼模內(nèi)、外壁澆入，在澆筑混凝土的同時，開動振動器以利于混凝土密實(shí)。管芯成型后采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，達(dá)到脫模強(qiáng)度后拆模。

管芯經(jīng)養(yǎng)護(hù)達(dá)到纏絲強(qiáng)度后，采用立式纏絲機(jī)，用7mm高強(qiáng)鋼絲按設(shè)計(jì)的張拉力及螺距進(jìn)行纏絲，張拉力記錄儀連續(xù)記錄鋼絲張力。

纏絲后的管芯用立式噴漿機(jī)噴沙漿保護(hù)層，再經(jīng)養(yǎng)護(hù)、修理、成品水壓試驗(yàn)、成品檢驗(yàn)后為合格產(chǎn)品。

3 施工操作要點(diǎn)

3．1 鋼筒成型

3．1．1 鋼筒組成

PCCP管的內(nèi)襯鋼筒由承口鋼圈、插口鋼圈及鋼板在螺旋焊機(jī)上卷焊成型。3．1．2 承口鋼圈、插口鋼圈

承插口由軋制好的型材卷焊成鋼圈并在脹圓機(jī)上脹至設(shè)計(jì)尺寸。

(1)承口鋼圈。按設(shè)計(jì)要求的長度下料，在卷圓機(jī)上卷成圓環(huán)并焊接。焊縫應(yīng)打磨平整，經(jīng)扳邊機(jī)扳成所需的角度。

(2)插口鋼圈。按設(shè)計(jì)要求的長度下料，在卷圓機(jī)上卷成圓環(huán)并焊接。焊縫應(yīng)打磨平整，然后在脹圓機(jī)上脹至設(shè)計(jì)直徑。

(3)每個承插口鋼圈不允許超過2個接頭且接頭焊縫間距不應(yīng)小于500mm。接頭應(yīng)對接平整，錯邊不應(yīng)大于0．5 mm，采用雙面熔透焊接并打光磨平。

3．1．3 筒體

(1)鋼筒用鋼板多為冷軋鋼板，其厚度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，最小厚度不得小于1．5 mm;對于限制性接頭的管材，根據(jù)設(shè)計(jì)亦可采用厚度大于1．5mm的鋼板。宜采用寬度為1250mm鋼板。

(2)制造鋼筒用的鋼板應(yīng)分別符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》、GB 912—1989《碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋薄鋼板及鋼帶》及GB 11253—2007《碳素結(jié)構(gòu)鋼冷軋薄鋼板及鋼帶》的規(guī)定，其最小屈服強(qiáng)度為235MPa。

(3)鋼筒應(yīng)按要求的尺寸精確卷制，鋼筒端面傾斜度≤9 mm。承插口兩端的距離公差不能超過±3mm。

(4)螺旋搭接焊焊縫高度不得超過(1．6+板厚)mm。外觀缺陷處或水壓試驗(yàn)檢出的缺陷處的補(bǔ)焊焊縫凸起高度不應(yīng)大于2．0mm。

3．1．4 鋼筒水壓試驗(yàn)

(1)每節(jié)鋼筒都必須持續(xù)進(jìn)行不少于3min的靜水壓檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)所有焊縫。如發(fā)現(xiàn)有滲水處，應(yīng)做好標(biāo)記，待卸壓后補(bǔ)焊并在補(bǔ)焊后再次進(jìn)行水壓檢驗(yàn)，直到鋼筒所有焊縫無滲漏為止。

(2)焊縫同一部位補(bǔ)焊不得超過2次。

3．2 管芯成型

3．2．1 管芯混凝土成型

PCCPDE型管芯采用立式振動成型工藝成型。

3．2．2 模具要求

(1)模具應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和抗沖擊韌性，以便抵抗變形并很好地傳遞激振力。

(2)內(nèi)、外模的圓度偏差應(yīng)小于ANSI/AWWA C301—1999《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土壓力管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對管材圓度的要求。內(nèi)、外模各自的合縫處要嚴(yán)密并有良好的平整度。

(3)承插口輪廓對中心線的偏差應(yīng)小于3mm，對接后的管材內(nèi)壁應(yīng)平整、光滑。

(4)每次脫模后應(yīng)仔細(xì)清除模板上的污垢、雜質(zhì)并涂刷非油性脫模劑;成品管芯模具表面不允許有凹坑、浮皮和其他異物。

(5)模具進(jìn)廠后必須嚴(yán)格進(jìn)行尺寸檢測、調(diào)整、編號統(tǒng)計(jì);應(yīng)定期對模具進(jìn)行檢測，對偏差超過允許值的模具，必須立即進(jìn)行修整，以保證管芯混凝土、鋼筒和承插口的幾何尺寸和公差要求;經(jīng)過修整仍不能滿足要求的模具應(yīng)予以報(bào)廢。

3．2．3 拆、裝模的要求

(1)拆、裝模應(yīng)重點(diǎn)檢查模具接縫、錨固塊位置。

(2)裝模時應(yīng)檢查底模是否放置平穩(wěn)，然后將內(nèi)模吊放在底模上鎖緊定位;再用專用吊具將鋼筒吊放在底模上，檢查鋼筒與內(nèi)模之間、鋼筒承口與底模之間的間隙是否一致;然后將外模吊放在底模上;最后將頂蓋合放在內(nèi)模和鋼筒插口端面上，將合縫螺栓依次對稱擰緊。

(3)拆模時先松開管模合縫螺栓，先將頂蓋吊出，再從上到下依次打開內(nèi)模緊固扳手，松開底模定位銷;將內(nèi)模慢慢地垂直吊起移開，再將外模垂直吊起移開。

(4)達(dá)到蒸汽養(yǎng)護(hù)要求時間后才能拆除模具。管芯混凝土脫模不能有明顯的損壞，管芯混凝土內(nèi)、外表面不得出現(xiàn)粘模和剝落現(xiàn)象。

3．2．4 立式振動成型

(1)混凝土管芯采用立式澆筑振動成型。管芯澆筑前應(yīng)認(rèn)真檢查合縫螺栓和振動器連接螺栓有無松動現(xiàn)象，無異常情況方可啟動;成型過程中采用合適的振搗頻率和振動成型時間，以保證管芯獲得足夠的密實(shí)度;成型過程中鋼筒不得出現(xiàn)變形、松動、移位。

(2)管模頂部裝好下料錐，混凝土料斗緩慢地套入料錐，開動振動器，邊下料邊振動，注意卸料節(jié)奏。應(yīng)充分振搗，使混凝土密實(shí)、泛漿和排氣。澆筑過程中必須控制鋼筒內(nèi)、外側(cè)混凝土均勻上升且高度差(內(nèi)高外低)不超過500mm。

(3)混凝土澆筑時必須記錄環(huán)境溫度。每根管芯的全部成型時間不得超過管芯底部混凝土的初凝時間。

(4)為保證混凝土的均勻性，宜采用連續(xù)喂料的方式，喂料結(jié)束后繼續(xù)振動一段時間。成型完畢后，應(yīng)及時清除插口端面多余的混凝土料并用專用抹刀抹平。

(5)當(dāng)環(huán)境溫度低于4℃時，不應(yīng)進(jìn)行PCCP管芯澆筑工作。

3．2．5 管芯養(yǎng)護(hù)

(1)管芯混凝土應(yīng)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度及升溫速度應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范執(zhí)行，建立科學(xué)的養(yǎng)護(hù)制度，每根管芯都要做好養(yǎng)護(hù)記錄。

(2)在自然條件下放置時應(yīng)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，或覆蓋保護(hù)材料防止混凝土水分過度損失。3．2．6 管芯的檢驗(yàn)

(1)脫模后應(yīng)檢查每個管芯是否存在接縫錯臺、孔隙、碎屑、裂縫、水泥浮皮、表面缺陷和外部物質(zhì)。對表面出現(xiàn)的深度或直徑大于5．0mm的凹坑或空隙、高于3．0mm的凸起以及超過1．6mm的接縫錯臺應(yīng)進(jìn)行修整。

(2)任何情況下不得對管芯內(nèi)表面采用涂刷方式處理或遮蔽缺陷。管芯混凝土內(nèi)、外表面出現(xiàn)的凹坑、氣泡的寬度或深度大于5mm時，用水泥沙漿或環(huán)氧水泥沙漿予以填平并用鏝刀刮平。

(3)管芯混凝土在制造、搬運(yùn)過程中因碰撞造成的掉角或凹坑應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)用的混凝土、水泥沙漿或無毒樹脂水泥沙漿采用的水泥材料應(yīng)與制管材料一致。

(4)管芯表面不允許出現(xiàn)蜂窩麻面，對內(nèi)、外表面出現(xiàn)縱向裂縫的管芯應(yīng)做報(bào)廢處理。

3．3 纏絲

(1)鋼絲應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力混凝土用冷拉鋼絲，鋼絲公稱直徑不得小于5mm。同層配筋設(shè)計(jì)最小螺距不得小于鋼絲直徑的2倍，最大螺距不得大于38 mm。管芯軸線方向任意0．6m長度內(nèi)的環(huán)向鋼絲數(shù)量不得少于設(shè)計(jì)要求。

(2)纏絲前管芯混凝土抗壓強(qiáng)度不應(yīng)低于設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度的70%;同時，在纏絲過程中，管芯混凝土上施加的初始壓應(yīng)力不應(yīng)超過纏絲時混凝土抗壓強(qiáng)度的55%;預(yù)應(yīng)力鋼絲內(nèi)總的設(shè)計(jì)纏繞應(yīng)力不得超過鋼絲規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度的70%。

(3)纏絲過程中張、拉力與平均值偏差不得超過±10%。

(4)纏絲過程中單節(jié)管材每層鋼絲的接頭不應(yīng)超過1個，鋼絲接頭必須保持平直;在管芯軸線方向上，鋼絲接頭距纏絲初始位置的距離不應(yīng)小于300mm。

(5)每周應(yīng)對纏絲機(jī)應(yīng)力裝置進(jìn)行1次檢測;每周應(yīng)對鋼絲接頭進(jìn)行1次抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，拉力不應(yīng)小于鋼絲抗拉強(qiáng)度的75%。鋼絲錨固塊抽取0．2%進(jìn)行進(jìn)廠質(zhì)量檢測，錨固力不應(yīng)小于規(guī)定鋼絲最小極限抗拉強(qiáng)度的75%。

3．4 沙漿保護(hù)層制作

(1)制作保護(hù)層的沙漿中不得含有石塊等雜質(zhì)，以免損傷鋼絲。

(2)每天測定1次沙的含水率(陰雨天加大測定頻率)并進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)配比計(jì)算，確保噴射水泥沙漿含水量不小于拌和物干總質(zhì)量的7%。

(3)沙漿配合比(按質(zhì)量計(jì))不低于1．0∶2．5(水泥∶沙)。沙漿保護(hù)層拌合物中水溶性氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得超過0．06%。

(4)預(yù)應(yīng)力鋼絲上的最外層凈沙漿保護(hù)層自預(yù)應(yīng)力鋼絲外側(cè)邊緣不得低于25mm。

(5)制作完成的水泥沙漿保護(hù)層應(yīng)采用適當(dāng)方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、采用自然養(yǎng)護(hù)法時，在保護(hù)層水泥沙漿充分凝固后，應(yīng)間歇噴水保持濕潤至少4 d。

3．5 修補(bǔ)、防腐

達(dá)到養(yǎng)護(hù)時間的管子用翻管機(jī)放倒進(jìn)行修補(bǔ)和承插口鋼圈防腐。

(1)達(dá)到報(bào)廢條件的管材不準(zhǔn)修補(bǔ)。

(2)修補(bǔ)的材料可以選用混凝土、水泥沙漿和無毒樹脂等。

(3)承插口鋼圈的外露部分均需進(jìn)行防腐處理。

(4)防腐前應(yīng)將金屬表面的油污、銹跡及雜物等清理干凈，然后均勻噴涂無毒防腐涂料。

4 效益分析

(1)大伙房水庫輸水二期工程PCCP管線制作工程由遼寧龍泉管道有限公司承攬，該工程廠房、設(shè)備總投資4 500萬元，年產(chǎn)DN 2 400 PCCP管材46 km，年產(chǎn)值1．28 億元。

(2)近幾年，PCCP在水利、電力、市政和城市供水等主管線項(xiàng)目上已成為大口徑輸水管道的首選管材，產(chǎn)品完全符合國家的能源政策、產(chǎn)業(yè)政策和行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。以DN 2 400管徑為例，PCCP用鋼量約占同規(guī)格鋼管的18%，每延米管材單價約為同規(guī)格鋼管的35%，其性能指標(biāo)可以代替鑄鐵管、鋼管。PCCP的應(yīng)用大大降低了工程造價，在當(dāng)前較高的鋼材價格、能源價格和節(jié)能減排壓力面前，PCCP產(chǎn)品的優(yōu)勢更加凸顯。

5 應(yīng)用實(shí)例

(1)在遼寧省大伙房水庫輸水(二期)工程PCCP采購三標(biāo)中，使用此工藝生產(chǎn)DN 2400 PCCP管材78．8 km，合同總額3．29億元。獲得了業(yè)主頒發(fā)的質(zhì)量、進(jìn)度、安全綜合獎——“施工標(biāo)兵”獎。

(2)大伙房水庫輸水應(yīng)急入連工程正在使用以該工藝制作的DN 2800 PCCP管材。(3)遼寧省三灣水利樞紐及輸水工程正在使用以該工藝制作的DN 1800 PCCP管材。

［1］GB/T 19685—2005，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管［S］．

［2］李洪志．大口徑預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土制管技術(shù)研究［D］．大慶:大慶石油學(xué)院，2009．