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北美PCCP的发展与现状 —专访ACPPA主席兼CEO 穆勒先生(Richard I. Mueller,P.E.)

2017/12/06 李世龙 刘川翻译 田华视角 混凝土协会PCCP美国 评论0 0
本文是中国混凝土与水泥制品协会陈辉博士收集整理了困扰中国PCCP应用发展的一些传闻和疑问、对美国混凝土压力管道协会(ACPPA)主席兼CEO穆勒先生进行的书面专访,由李世龙先生和刘川先生翻译整理,并经穆勒先生同意发表。......
 穆勒先生简介
  理查德·穆勒(Richard I. Mueller,P.E.):美国混凝土压力管道协会主席兼CEO;Ameron供水集团前任主席;美国预应力钢丝标准和混凝土压力管标准的起草人;管道物流概念的倡导者;具有40年的混凝土压力管设计、生产、安装、运营和维护/保养方面的经验。   【编者按】自上篇"对话沈之基先生”的文章11月18日发表后,在业内及许多PCCP应用部门引发了强烈反响。许多读者希望编者发表更多此类文章,以客观、真实地了解PCCP。本文是中国混凝土与水泥制品协会陈辉博士收集整理了困扰中国PCCP应用发展的一些传闻和疑问、对美国混凝土压力管道协会(ACPPA)主席兼CEO穆勒先生进行的书面专访,由李世龙先生和刘川先生翻译整理,并经穆勒先生同意发表。通过下面的专访我们可以了解PCCP在北美地区的实际发展历程。   由于原材料控制、生产工艺、成本控制、设计理论等多方面因素的影响,PCCP在北美地区经历过曲折的发展过程,但随着对1970年 - 1985年期间经验和教训的分析总结,并通过将其纳入AWWA和ASTM材料标准,已使PCCP技术、标准和质量不断完善,PCCP在美国各种输水工程中得到更加广泛地应用。中国上世纪八十年代末从美国引进PCCP成套工艺生产技术,中国的PCCP技术是建立在北美近半个世纪的技术发展、经验总结基础上的,中国现行产品标准中也很好的沿用了AWWA C301的条款及试验方法,如果说中国PCCP行业起步阶段就免费享用了北美PCCP用痛苦的代价换来的福利也不为过。早在2000年的山西万家寨引黄工程就专门针对钢丝的氢脆性灵敏度试验和部分区段的环氧煤沥青防腐在工程合同文件里做了专门规定。经过近三十年的技术进步和技术创新,中国PCCP从成套装备、标准化、生产技术和质量控制技术等都较引进PCCP技术之初更加完善和提升。因此,只要严格按照标准和规范对PCCP进行设计、制造、安装和运营管理,必将证明PCCP确实是一种综合性能优良的管材,必将在我国的引调水重大工程中发挥更加重要的作用。   前言   预应力钢筒混凝土管(PCCP)作为一种综合性能优良的大型压力输水管材,已经成功应用于国内南水北调、引黄入晋等众多的大型长距离输水工程。PCCP作为一种国外引进技术的产品,在中国落地近30年,尽管已得到广泛应用,但部分用户对PCCP的质量和性能仍有一些疑问。在全球范围内,北美地区是目前PCCP应用最多的地区之一,PCCP的历史也更长,真实地了解PCCP在北美的发展及现状,有利于国内用户对PCCP的深入了解,增强对PCCP产品的信心。为此,2017年8月24日中国混凝土与水泥制品协会陈辉博士对ACPPA主席兼CEO穆勒先生通过电子邮件进行了专题书面采访。现将这次专访的详细内容翻译整理如下(注:下文中的“问”为陈辉博士提问内容,“答”为穆勒先生回答内容):   问:最近关于美国PCCP生产和应用有各种传说,为此我们想了解一下:PCCP是否仍然是美国公用事业局感兴趣的产品?目前是否有部分公用事业局决定不使用PCCP了?或大多数公用事业局还在使用?换句话说,PCCP是否仍然是输水工程的好产品?   答:是的,他们对PCCP仍然很感兴趣。和其他管材一样,PCCP也必须要经过正确的设计、正确的制造、正确的安装和正确的运营管理,PCCP管线才能运行良好。我喜欢将PCCP与公路、桥梁或其他构筑物的预应力混凝土梁进行比较,没有人建议不使用预应力混凝土结构梁。以上两者都是预应力混凝土结构,但工程师必须明确材料面临的环境条件,然后作出相应设计。   问:如何评价PCCP在美国50多年来的表现?  答:注意到PCCP在美国的经验教训是非常重要的。在1970年之前,大多数PCCP生产商都非常重视技术,并努力生产出优质的产品。1970年以前,用于PCCP的预应力钢丝采用的是弹簧丝(高强钢丝)的标准,并规定了钢丝的抗拉强度上限。同样在1970年之前,用于PCCP保护层的拌合砂浆是保证了足够的含水率的,当砂浆喷射在旋转的管身上时,由于砂浆拌合物的湿度可以降低砂浆中颗粒的内部摩擦,并使砂浆中骨料颗粒聚集得更紧密,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至今的表现仍然很好。   在20世纪70年代,我们经历了“工商管理”的一代毕业生,他们对PCCP的技术方面一无所知,但却运营着Interpace公司这样世界上最大的PCCP制造商。 Interpace公司决定制作自己的预应力钢丝,而实际上他们对钢丝性能的掌握并不专业,他们虽然制定了通过ASTM批准的专门用于PCCP的预应力钢丝标准,但该标准却并没有对钢丝的抗拉强度设置上限。因为该钢丝的使用在AWWA C301标准中是被允许的,所以其他PCCP制造商也使用了这种钢丝,同样他们也不了解钢丝的性能。这导致钢丝生产商开始使用快速拉拔法生产钢丝,从而引起钢丝过热并产生“动态应变老化”。这种钢丝对普通的腐蚀比较敏感,而对氢脆性异常敏感。有时,钢丝开始仅受到一般腐蚀,之后钢丝腐蚀点处聚集的氢原子会产生氢脆和造成钢丝脆断。   另外一些情况是,一些对产品不甚了解的防腐工程师将阴极保护放在PCCP上,他们并不了解过强的阴极保护将会导致PCCP钢丝表面产生氢原子,反而使具有阴极“过保护”的管道受到破坏,有的破坏甚至在管道投入使用前就发生了。在相同的时间内,有几家PCCP制造商并未采用专业的制造工艺,而是采用含水率较低的拌合砂浆喷射保护层生产管道,这些砂浆保护层比以前的保护层更多孔,使土壤中的腐蚀性物质更容易地侵入到预应力钢丝。低质量的砂浆和易腐蚀的钢丝,这两个主要因素的结合导致了在20世纪70年代在美国生产的PCCP有着显着更高和更快的失效,尤其是由Interpace公司生产的管道。
Iterpace公司生产的PCCP失效管道项目统计图   注:图中为Interpace公司生产/安装的4500万英尺(13720km)PCCP管道总计11500个项目中出现问题的管道项目统计(数据来源:J.S. Clift, “PCCP – A Perspective on Performance”,presented at the AWWA National Conference, 1991)   同样在20世纪70年代,美国西部的沙漠地区铺设了一大批PCCP。沙漠地区的问题是,在有河流和小溪的区域,土壤是饱和的,当管道从干燥土壤环境铺设到潮湿土壤的环境中时,会有一个边界区域,其中的盐会从潮湿土壤扩散到边界区域,这时铺设的管道在砂浆保护层中就会由于盐的浓度产生吸附作用。在密实的砂浆保护层中,吸附作用虽然需要很长时间,但是最终在砂浆保护层中将聚集足够的氯化物(氯离子),使预应力钢丝钝化层破坏,使其生锈甚至断裂。在大约1980年之前,基于当时管道按照盐雾试验2.5年是不会发生腐蚀的认识,PCCP行业的期望是只要制造合格的PCCP则可以永久抵抗土壤盐浸蚀。但不幸的是,盐雾试验需要持续很多年才能显示开始腐蚀,即使在合格地制造和安装的管道上也是如此。结果,由于美国东部地区Interpace公司的“不合格产品”的管道问题,以及美国西部大型PCCP管道出现的一些意想不到的腐蚀问题,使许多客户对PCCP的应用产生了怀疑。   从教训中走出,美国PCCP行业学习了很多有关钢丝、钢丝动态应变老化机理以及如何预防它的知识。当管道铺设在干湿交替的环境中时,我们学会了如何保护管道免受高浓度盐的影响,掌握了如何制造始终致密的砂浆保护层的方法。我们将有关知识写进AWWA和ASTM的升级标准中,建立了PCCP工厂质量审核体系作为美国混凝土压力管协会所有成员的要求,以更好地保证美国和加拿大所有PCCP生产商按照正确的方法生产PCCP。所有这些努力的结果是,自1984年以来生产的PCCP的失效率已经下降到几乎为零,表现可能比1970年之前更好。PCCP行业经历了客户在过去的采购标准中不接受使用PCCP到现在重新使用PCCP的过程。 问:保护管道免受开裂和腐蚀的有效措施是什么?   答:我不知道你提到的是什么样的开裂。我假设裂缝是存在于砂浆外保护层上,因为管子内壁的开裂通常不会造成失效。为了避免外部裂缝,必须严格遵循AWWA C301和AWWA C304中关于设计和砂浆保护层的技术要求(包括在高温炎热地区防止太阳暴晒),如果不按照上面的要求做,是有可能出问题的。此外,我知道在美国某个大的公用事业局对他们的管道进行流量测试时,他们当时没有注意到阀门是关闭的,不断增加管道压力,直至部分管道发生爆裂时,才意识到已经有相当多的管道承受了超高压力,我们确信这些管道外壁砂浆保护层已经开裂,所以最终他们不得不将整条管线增加了阴极保护设施。   问:大直径的和较高的工作压力(超过0.8MPa)的PCCP是否会更容易导致砂浆保护层表面的开裂?   答:不会的!管道只要合理地设计、制造、安装和操作运行, PCCP在超过2MPa的压力下依然表现良好。
倒虹吸管,直径6.4m,覆土深度7.6m 图中PCCP项目地址:美国亚利桑那州   问:在美国水厂管线中采用PCCP有什么趋势,最重要的原因是什么?   答:在美国,人工成本昂贵,所以即使每英尺PCCP材料成本比钢管少,但PCCP需要比钢管更多的人工,所以PCCP的出厂价格要比钢管贵。此外,由于钢管更轻,可以比PCCP具有更大的运输量,因此每英尺PCCP的运输成本高于钢管。目前至少有一家PCCP制造商重新设计了他们的管道生产线,使其具有较高自动化的PCCP生产水平,同时仍然保持严格的质量控制,因此他们对钢管仍具有成本竞争力,但这家只是特例而非普遍现象。此外,在有些情况下,设计工程师允许PCCP铺设在低成本的基础上,而在另一些情况下则不允许,所有这些问题都会影响PCCP的成本竞争力。虽然目前仍然有个别公用事业局由于过去的管道出现的问题而不使用PCCP,但是这个数字正在减少。   问:请问你可以给我发送你在两年前(编者注:2015年10月)在中国做的演讲吗?是pdf格式的。我们将组织一个关于PCCP发展的论坛,并希望邀请您出席和发表演讲,我们也可以先访问您,以便对PCCP的问题进行深入的交流。   答:非常感谢您的时间和考虑。不知道我还能再提供什么信息,我力争囊括我演讲中的所有内容,并在这里重复了很多。无论如何,我都可以提供你所需要的任何信息。您也可以查看我们的acppa.org <http://acppa.org/>网站的“Technical Resources”页面。所有的信息都是最新的,相当全面的。   我再补充我的一些看法,这并不意味着要有意贬低,而是要直面事实。以我40年的从业经验,以及从至少三家美国的PCCP厂访问中国后了解到的第一手观察资料,我略有知晓中国PCCP面临的困境。美国和加拿大PCCP生产商在1970 - 1985年间走过弯路,我们已经撰写了这些经验教训,并将其纳入了AWWA和ASTM材料标准以及ACPPA网站。PCCP绝不允许存在不合格的材料或制造技术,如果PCCP行业在中国要继续良性发展,PCCP制造商需要审视每一个细节。不要让20世纪70年代的美国历史在中国重演。   后记   (本文经整理后,我们再一次通过邮件和穆勒先生就译文的准确性进行了沟通,穆勒先生请他懂中文的同事对本译文进行了认真审核。经穆勒先生本人同意,本文内容可以公开发表!)穆勒先生在回复邮件时最后说到:   需要强调的是如果经过了正确的制造、安装和操作运行,PCCP将在非常长的时间内运行良好。 两年前我做的报告列出了多年来随着美国PCCP安装环境(和数量)的增加遇到的许多不可预见的问题。 另外,AWWA规范和腐蚀性环境设计程序的变化于20世纪90年代初开始发布实施(此时我们还对所有PCCP生产线进行了强制性审核,以确保每个都符合最低质量标准),从那时开始, 除了由于安装错误(如管道铺设在大型岩石上),PCCP的失效现象没有再次发生。
(责任编辑:徐洁)
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