大口徑PCCP壓力管道施工技術(shù)研究與應(yīng)用

馬 斌

（寧夏水利水電工程局有限公司，寧夏 銀川 751400）

0 引言

隨著我國(guó)各城鎮(zhèn)的發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)園區(qū)、污水處理廠、大型工廠等建設(shè)在城鎮(zhèn)，為了滿足城鎮(zhèn)日益增加的用水需求量，國(guó)家不斷推進(jìn)遠(yuǎn)程輸水工程的建設(shè)。長(zhǎng)距離輸水對(duì)壓力管道的要求較為嚴(yán)格，普通的鋼筋混凝土壓力管道已經(jīng)無(wú)法滿足要求，這時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道引起人們的注意。由于預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道接頭密封性好且長(zhǎng)久耐用，符合人們對(duì)長(zhǎng)距離輸水管道的功能性需求，因此PCCP成為我國(guó)許多大型輸水工程應(yīng)用最廣的壓力管道。該文將深入研究PCCP壓力管道的施工技術(shù)，以期有助于PCCP行業(yè)的蓬勃發(fā)展。

1 工程概況

在某輸水工程中，由于管線較長(zhǎng)，且壓力管道沿途地質(zhì)地形條件特殊，需要根據(jù)地形、壓力、成本以及施工條件等因素綜合考慮大口徑壓力管道的選材。該文選取預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道（PCCP）。工程施工在室外完成，輸水管道全長(zhǎng)5km，主要為當(dāng)?shù)靥峁┥钣盟凸I(yè)用水。本次輸水工程主要采用地下埋管以及單排布局的形式，所以在施工中要重點(diǎn)關(guān)注大口徑PCCP壓力管道的抗?jié)B性能與防腐蝕性能。

2 大口徑PCCP壓力管道制管工藝

2.1 制作鋼筒

大口徑PCCP管道中主要抗?jié)B部件就是鋼筒[1]，鋼筒的制作精度將直接影響整個(gè)PCCP管道的質(zhì)量，所以在制作鋼筒時(shí)需要嚴(yán)格要求鋼筒成型工藝。當(dāng)下流行的鋼筒成型工藝有拼板焊接與螺旋鋼筒卷焊機(jī)。從焊制工序以及成本等方面考慮，該文選擇螺旋鋼筒卷焊機(jī)來(lái)制作鋼筒，螺旋鋼筒卷焊機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，所以在鋼筒制作時(shí)可以避免熱軋薄鋼板的浪費(fèi)，為了制作出要求長(zhǎng)度的鋼筒，該文在焊接鋼筒時(shí)在螺旋卷焊機(jī)的轉(zhuǎn)筒上添加限位裝置，改進(jìn)螺旋卷焊機(jī)，如圖1所示。

關(guān)于鋼筒的選材，美國(guó)ANSI/AWWA C301標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，鋼板的厚度不能小于1.5mm，如果選用冷軋薄鋼板，屈服強(qiáng)度不可以小于195MPa；如果選用熱軋薄鋼板，屈服強(qiáng)度不可以小于205MPa，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，本次選擇熱軋薄鋼板。按下料-焊接滾筒-焊接承插口-規(guī)圓步驟進(jìn)行焊制。焊接過程中，需要參考鋼筒的直徑和熱軋薄鋼板的寬度數(shù)據(jù)來(lái)獲取鋼筒的螺旋周長(zhǎng)，以此保證鋼筒制作的精度。鋼筒制作完畢后，需要對(duì)每節(jié)鋼筒分別進(jìn)行水壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)全部焊縫處是否出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，有漏水的地方做好標(biāo)記進(jìn)行補(bǔ)焊，直到全部鋼筒無(wú)漏水現(xiàn)象后才可以投入使用。

2.2 制作混凝土管芯

在PCCP壓力管道的鋼筒制作完畢后，在鋼筒內(nèi)部注入混凝土[2]，以此制作管芯。為了加強(qiáng)混凝土管芯的強(qiáng)度，該文通過立式振動(dòng)成型工藝來(lái)制作混凝土管芯。在該過程中，需要選擇合適的模具，模具需要具有高強(qiáng)度以及抗沖擊的韌性，這樣才可以避免混凝土管芯在制作過程中發(fā)生變形現(xiàn)象，并且可以較好傳遞激振力[4]。模具內(nèi)外模圓角偏差需要符合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并且合縫處要具有良好的密封性以及平整性，鋼筒承插口鋼圈與模具中心線的誤差不可以大于3mm，鋼筒與模具對(duì)接后要保證鋼筒內(nèi)壁的光滑度。在工廠制作模具時(shí)，要嚴(yán)格控制尺寸，并且定期測(cè)量，出現(xiàn)誤差的模具需要報(bào)廢，這樣才能保證混凝土管芯與鋼筒之間的連接質(zhì)量。選擇好合適的模具之后，進(jìn)行混凝土管芯的澆筑[3]工作，澆筑前需要檢查好模具與鋼筒是否出現(xiàn)異常，如果出現(xiàn)異常則需要及時(shí)調(diào)整，避免在管芯成型過程中損壞或移動(dòng)鋼筒[1]。將混凝土下料錐放置于鋼筒與模具的頂部位置，在下料錐外面小心地套上混凝土料斗后開始下料，并且在澆筑混凝土的同時(shí)開啟振動(dòng)器，使混凝土更密實(shí)。在澆筑過程中，需要注意鋼筒內(nèi)外兩側(cè)的混凝土要保持均勻上升。澆筑結(jié)束后，再讓振動(dòng)器工作一段時(shí)間，確保混凝土管芯中無(wú)泛漿現(xiàn)象，然后將鋼筒插口斷面多余的混凝土抹平，等待混凝土管芯成型。在混凝土管芯定型后，卸掉模具，檢查管芯是否出現(xiàn)裂縫、孔隙等，為了保證混凝土管芯的強(qiáng)度，需要及時(shí)修整表面缺陷。

2.3 制作管芯保護(hù)層

為了加強(qiáng)管道的抗壓性與耐用性，需要在管芯外面制作一定的保護(hù)層。在管芯外面纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲[4]，鋼絲整體規(guī)格需要滿足大口徑壓力管道的保護(hù)條件，不能有銹蝕以及斷裂情況，還應(yīng)測(cè)試其氫脆敏感性，達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)才可以使用。在混凝土管芯冷卻后，開始纏絲工序，通過立式差速纏絲機(jī)自動(dòng)纏絲，注意控制間距和預(yù)應(yīng)力，且每節(jié)管芯上的鋼絲接頭最多只能有一個(gè)[2]。當(dāng)?shù)谝粚愉摻z纏繞完成后，需要將水泥漿噴涂在管芯上，然后進(jìn)行一定的養(yǎng)護(hù)，再纏繞第二層鋼絲。鋼絲全部纏繞完成，需要立即對(duì)鋼絲進(jìn)行保護(hù)工作，不可以讓鋼絲長(zhǎng)期曝露在外界環(huán)境中。這里該文在鋼絲外面加了一層砂漿[5]作保護(hù)，在鋼絲的表面輥射一層砂漿保護(hù)層，此保護(hù)層厚度要在25mm以上，才可以有效保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼絲不被外界環(huán)境侵蝕。砂漿采用天然細(xì)沙，且含泥量不可以超過2%，在制作水泥砂漿時(shí)，注意控制水和細(xì)砂的比例，水不可以低于細(xì)砂的7%。通過輥射裝置將砂漿輥射于鋼絲表面。等待砂漿成型后，在管道的最外面涂抹一層防腐涂料，避免壓力管道埋入土壤中受侵蝕，防腐涂料該文選取環(huán)氧煤瀝青，嚴(yán)格遵守防腐層相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，涂膜厚度不低于0.6mm，涂抹均勻，無(wú)裂縫、褶皺等缺陷，采用電火花檢漏儀檢測(cè)是否有漏點(diǎn)，及時(shí)處理相關(guān)缺陷。整個(gè)管芯保護(hù)層的豎向剖面示意圖如圖2所示。

由于整個(gè)PCCP管道是在帶有鋼筒的混凝土管芯上添加了多個(gè)保護(hù)層，是一種新型的復(fù)合型壓力管道，所以適用于長(zhǎng)距離的輸水工程中，具有持久耐用等優(yōu)點(diǎn)。

3 大口徑PCCP壓力管道安裝

大口徑PCCP壓力管道安裝前需要做好管道安裝定位工作，由于PCCP管道安裝過程中使用的是承接口，因此，PCCP管是不能截?cái)嗟模虼?，在安裝期間需要漸進(jìn)的推進(jìn)，所以，需要做好管道的定位工作，一般情況下，管道起點(diǎn)位置在管槽的轉(zhuǎn)折位置，確定管道安裝的起點(diǎn)位置后，可以進(jìn)行標(biāo)注，為下一環(huán)節(jié)的安裝提供參考。管道在吊裝環(huán)節(jié)中，要對(duì)吊索的材質(zhì)和質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，盡量選擇材質(zhì)較軟的，這樣可以避免在吊裝環(huán)節(jié)中損壞PCCP管道的防腐層，吊裝需要科學(xué)的選擇承重力較大的附帶吊，吊裝整個(gè)環(huán)節(jié)要保證PCCP管的安全性，注意輕拿輕放，避免發(fā)生損壞。在吊裝完成后需要對(duì)PCCP管進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，對(duì)管道的數(shù)量和出廠型號(hào)以及外觀等進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，是否符合管道安裝的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。管道安裝完成后需要做好管溝回填工作，盡量避免管道長(zhǎng)期暴露在空氣中，導(dǎo)致發(fā)生不同程度的損壞問題[5]。管溝回填工作要嚴(yán)格按照施工要求開展，保證每個(gè)階段管溝回填的平整性和均勻性，合理的選用壓實(shí)處理方式，確保實(shí)現(xiàn)良好的回填料壓實(shí)處理效果。

該文工程中由于管線管線較長(zhǎng)、且壓力管道沿途地質(zhì)地形條件特殊，因此，安裝過程中全部PCCP壓力管道制作完畢后需要進(jìn)行吊裝工。由于PCCP壓力管道的質(zhì)量較普通混凝土管道要重，所以安裝時(shí)容易出現(xiàn)地基沉降等現(xiàn)象，所以為了保障管道安裝工程的順利進(jìn)行，需要對(duì)地基進(jìn)行加固處理，強(qiáng)度與穩(wěn)定性滿足施工條件后進(jìn)行管道的安裝。地基沉降一般分為壓縮與沉陷兩種情況，管道對(duì)土壤的壓縮值如公式（1）所示。

管道的沉陷值計(jì)算如公式（2）所示。

那么地基沉降量如公式（3）所示。

式中：r表示PCCP壓力管道的半徑；w表示土壤的容許承載力寬度；z表示土壤的承載力；x表示PCCP壓力管道的沉陷系數(shù)值；S表示土壤的壓縮系數(shù)值。通過土壤的壓縮值與沉陷值獲取地基的沉陷量數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)加固地基，使地基的強(qiáng)度滿足管道施工要求。然后進(jìn)行大口徑PCCP壓力管道的安裝工程，在安裝之前檢查好壓力管道的完整性，承插口斷面不能出現(xiàn)掉角及缺棱等現(xiàn)象，保護(hù)層不能出現(xiàn)裂紋及剝落等現(xiàn)象，膠圈不能出現(xiàn)破損、龜裂等現(xiàn)象，管道全方位的檢查無(wú)誤后，使用吊車將每個(gè)壓力管道緩慢地裝入管溝中，利用纖維布與水泥砂漿把每節(jié)管道進(jìn)行連接保護(hù)，完畢后將土壤回填，以此完成大口徑PCCP壓力管道施工[3]。

4 大口徑PCCP壓力管道施工技術(shù)應(yīng)用

4.1 技術(shù)應(yīng)用準(zhǔn)備

為了確保PCCP管道安裝的連續(xù)性，首先，需要在施工現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)配管圖對(duì)管道的規(guī)格和型號(hào)等進(jìn)行準(zhǔn)確的分類，并且在安裝地點(diǎn)或者施工道路旁安放特定數(shù)量的管道，保證管道安放的安全性。管道在路邊存放的過程中需要利用沙袋墊空，這樣有利于保障管道的安全，也為管道的吊起提供便利。還需要注意在干燥的氣候條件下需要對(duì)管道實(shí)施灑水養(yǎng)護(hù)。結(jié)合PCCP安裝的具體流程，設(shè)計(jì)還施工現(xiàn)場(chǎng)的安裝流程和環(huán)節(jié)。大口徑PCCP管道可能會(huì)受到水的壓力以及土壤回填壓力等多種原因的影響而發(fā)生變形損壞，所以本次施工中利用分布式光纖傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)PCCP結(jié)構(gòu)性能，以此判斷本次施工的質(zhì)量。傳感器需要在PCCP壓力管道吊裝工程中同步布設(shè)。由于工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境較為復(fù)雜，為避免土壤回填時(shí)破壞傳感器，需要使用鋼絞線保護(hù)傳感器，在管道的軸線方向布設(shè)傳感器，布設(shè)方案如圖3所示。

該文在每節(jié)PCCP壓力管道上分別布設(shè)3個(gè)分布式應(yīng)變傳感器以及2個(gè)分布式溫度傳感器，以此監(jiān)測(cè)管道的環(huán)向與軸向結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

4.2 應(yīng)用結(jié)果

通過分布式光纖傳感器，采集部分PCCP管道的溫度與彎曲應(yīng)變數(shù)據(jù)，然后根據(jù)溫度與彎曲應(yīng)變獲得管道在位的彎曲應(yīng)力，管頂?shù)膹澢鷳?yīng)力數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可知，管頂?shù)膽?yīng)力變化范圍為-125MPa～125MPa，且最大彎曲應(yīng)力為125MPa，根據(jù)我國(guó)管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范中所提的強(qiáng)度校核公式可知，管道當(dāng)量應(yīng)力允許的最大值為200MPa，而本次監(jiān)測(cè)獲得的管道彎曲應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該數(shù)據(jù)，說明大口徑PCCP壓力管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)處于安全范圍內(nèi)，進(jìn)而表示本次施工質(zhì)量較好。

5 結(jié)語(yǔ)

大口徑PCCP壓力管道施工技術(shù)主要涉及管道的制作與安裝過程，該文選用科學(xué)合理且經(jīng)濟(jì)性的工藝，完成PCCP壓力管道的施工，并且通過傳感器監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了本次施工的質(zhì)量，取得了較好的應(yīng)用效果。該文僅對(duì)PCCP管道施工技術(shù)進(jìn)行了初步的研究，下一步將深入探討如何完善管道的制作工藝，加強(qiáng)PCCP壓力管道的耐用性研究，為我國(guó)PCCP管道發(fā)展提供參考，進(jìn)而保障我國(guó)輸水工程的順利開展。