6水電站壓力管道a詳解課件

1、水 電 站第五章 水電站壓力管道作用：從水庫、前池或調(diào)壓室向水輪機輸送水量。特點：坡度陡、內(nèi)水壓力大，承受動水壓力，且靠近廠房，失事后果嚴重，所以必須安全可靠。第一節(jié) 壓力管道的類型按布置方式分按材料分明管：暴露在空氣中(無壓引水式電站)鋼管(大中型水電站)，鋼筋混凝土管、木管(小型電站)地下埋管（隧洞埋管) :埋入巖體。(有壓引水電站)不襯砌、錨噴或混凝土襯砌、鋼襯混凝土襯砌，聚酯材料管等混凝土壩身埋管： 依附于壩身(混凝土重力壩及重力拱壩)，包括：壩內(nèi)管道、 壩上游面管、壩下游面管鋼筋混凝土管道、鋼襯鋼筋混凝土管道鋼 管鋼筋混凝土管聚酯材料管 木管第二節(jié) 壓力管道的布置和供水方式一、壓力管

2、道的布置壓力管道線路選擇應結(jié)合其它建筑物(前池、調(diào)壓室)和水電站廠房布置統(tǒng)一考慮。路線盡可能短、直。(經(jīng)濟，hf和H小)。地質(zhì)條件好。山體穩(wěn)定、地下水位低、避開山崩、雪崩地區(qū)以及山水集中的地區(qū)和沉降量很大的地段，可沿山脊布置。宜避開村鎮(zhèn)居民區(qū)及交通道路等，若避不開村鎮(zhèn)居民區(qū)應考慮工程對環(huán)境的影響。盡量減小起伏, 避免出現(xiàn)負壓; 轉(zhuǎn)彎半徑R3D。明鋼管首部設(shè)事故閘門，并考慮事故排水等。二、壓力管道引進廠房的方式正向引近：低水頭電站。水流平順、水頭損失小，開挖量小、交通方便。鋼管發(fā)生事故時直接危機廠房安全?？v向引近：高、中水頭電站。避免水流直沖廠房。斜向引近：分組供水和聯(lián)合供水。三、供水方式1單元

3、供水：一管一機。不設(shè)下閥門。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單(無岔管)、工作可靠、靈活性好，易于制作，無岔管。缺點：造價高。適用：(1) 單機流量大、長度短的地下埋管或明管； (2)混凝土壩內(nèi)管道和明管道。2聯(lián)合供水： 一根主管，向多臺機組供水。設(shè)下閥門。優(yōu)點：造價低缺點：結(jié)構(gòu)復雜（岔管）、靈活性差適用：機組少、單機流量小、引水道長的地下埋管和明管。3. 分組供水： 設(shè)多根主管，每根主管向數(shù)臺機組供水。設(shè)下閥門。適用：壓力水管較長，機組臺數(shù)多，單機流量較小的情況。地下埋管和明管。第三節(jié) 水力計算和經(jīng)濟直徑的確定一、水力計算恒定流計算：確定管道的水頭損失，包括沿程和局部兩部分。沿程損失：處于紊流，可按曼寧公式計算

4、。局部損失：進口、門槽、漸變段、彎段、分岔等部位，按水力學公式計算。hw電能裝機容量管徑選擇非恒定流計算：水錘計算(N變Q變H變) ，確定管道中各點的動水壓力和變化過程。 水擊壓強確定壓力管道荷載和管線(最高壓力線和最低壓力線) 二、壓力管道直徑的選擇動能經(jīng)濟比較法：基本原理與渠道相同(要考慮流速、水錘壓力的影響)，擬定幾個直徑，進行動能經(jīng)濟計算，比較確定最優(yōu)經(jīng)濟直徑。經(jīng)驗公式法：簡化條件推導公式。精度較低，初步設(shè)計時采用 Qmax壓力管道設(shè)計流量，H設(shè)計水頭經(jīng)濟流速法：壓力管道經(jīng)濟流速一般為46m/s，最大不超過7m/s，Ae= Qmax/Ve第四節(jié) 鋼管的材料和管身構(gòu)造 一、鋼管的材料鋼管

5、所用鋼材應根據(jù)鋼管結(jié)構(gòu)型式、鋼管規(guī)模、使用溫度、鋼材性能、制作安裝工藝要求以及經(jīng)濟合理等因素選定。鋼管主要受力構(gòu)件(包括管壁、支承環(huán)、岔管加強構(gòu)件等)可采用下列鋼種：Q235C、D級碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q345C、D級及Q390C、D級低合金結(jié)構(gòu)鋼；20R、16MnR、15MnNbR、15MnVR等壓力容器鋼；07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR等高強度壓力容器鋼。明管宜采用容器鋼。如需采用其他鋼種，應先研究其性能，確定相應的焊接方式熱處理工藝等。明管支座輥輪可采用下列鋼種：Q235A、B、C級鋼；Q345A、B、C級鋼；30、35、40、45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；ZG230-450、ZG270

6、-500、ZG310-570等鑄件。支座支承板可采用與管材、支承環(huán)相同的材料。支座墊板可采用上列鋼板或鑄件。二、鋼材性能的要求(一) 壓力管道的工作特點與制作程序工作特點：內(nèi)水壓力大，并經(jīng)常承受沖擊荷載的作用；低溫狀態(tài)下工作(水溫在4左右)對鋼材的工作條件不利。制作過程：板裁：冷卷、輥壓成形；現(xiàn)場焊接(自動焊、手焊)；檢查焊縫(射線、超聲波) (二) 鋼材性能要求1、機械性能屈服強度s 、抗拉強度b ；塑性指標：斷裂時的延伸率、斷面收縮率；沖擊韌性ak。要求強度高、塑性好(沖擊、低溫、加工)可焊性能好。A3鋼機械性能適用于壓力管道，但容許應力低。當HD600m2，=32mm40mm，不易加工。

7、當HD較高時采用16Mn，其強度高，但塑性差：強度越高，塑性越差。若采用高強鋼，要有充分的論證。2、加工性能輥軋、冷彎、焊接、切割，要求焊接性能好，冷加工的塑性變形小，加工后無殘余應力，焊縫和熱影響區(qū)不產(chǎn)生裂紋。3、化學成份影響鋼材的強度、焊接性能，含碳不要過高(脆)，含硫量和含硅量也不能高。三、容許應力鋼材的容許應力一般用屈服強度除以安全系數(shù)得到，即 =s/ K不同的荷載、不同的部位采用不同的容許應力。應力區(qū)域膜應力區(qū)局部應力區(qū)荷載組合基本特殊基本特殊產(chǎn)生應力的內(nèi)力軸力軸力軸力和彎矩軸力軸力和彎矩允許應力明鋼管0.55s0.7s0.67s0.85s0.8s1.0s地下埋管0.67s0.9s壩

8、內(nèi)埋管0.67s0.8s0.9s按明管校核情況四、管身構(gòu)造1、無縫鋼管：無縱縫，橫縫用焊接、法蘭連接成整體，強度高，造價高，施工困難。 國內(nèi)：D60cm；國外：D120cm。 適用高水頭小流量電站。2、焊接管：鋼板按要求的曲率輥成弧形，焊接成管段。適用于各種直徑、水頭，造成價低。 (1) 縱縫：焊縫交錯排列，避開兩個中心軸 (2) 相鄰管壁厚度差2mm，內(nèi)部光滑，外部成臺階狀。3、箍管：鋼管外加鋼箍。鋼管縱橫縫布置鋼管最小厚度：min(D/800+4)mm，或6mm防腐、防銹措施： 涂料、噴鍍、化學保護。加防銹厚度2mm。第五節(jié) 明鋼管的敷設(shè)方式、鎮(zhèn)墩、支墩和附屬設(shè)備 一、敷設(shè)方式明鋼管一般敷

9、設(shè)在一系列支墩上，離地面不小于60cm。轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩，將水管完全固定，相當于梁的固定端。水管受力明確，在自重和水重作用下，相當于一個多跨連續(xù)梁。連續(xù)式布置： 管身在兩鎮(zhèn)墩間連續(xù)，不設(shè)伸縮節(jié)。溫度應力大，一般較少采用。分段式： 兩鎮(zhèn)墩之間設(shè)置伸縮節(jié) (在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè))。 溫度應力小。 二、支墩(support)功用：承受水重和管重的法向分力。相當于連續(xù)梁的滾動支承，允許水管在軸向自由移動(溫度變化時)。布置：間距L=612m，D特別大時，L取3m。L小M、Q小支墩造價高。類型：滑動式、滾動式、擺動式。(1) 滑動式支墩鞍式(saddle support)：包角：90120，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，摩

10、擦力大，支承部位受力不均勻，適用于D1m。支承環(huán)式(slidding ring girder support)：在支墩處管身四周加剛性支承環(huán)。摩擦力小，支承部位受力較均勻，D2m。(3) 擺動式(rocking ring girder support)在支承環(huán)與墩座之間設(shè)一擺動短柱。摩擦系數(shù)f很小，適用于大直徑管道。三、鎮(zhèn)墩(anchor block)功用：固定鋼管，承受因水管改變方向而產(chǎn)生的軸向不平衡力。水管在此處不產(chǎn)生任何位移。布置：在水管轉(zhuǎn)彎處，直線段不超過150m。類型：一般由混凝土澆制，靠自重維持穩(wěn)定。封閉式：應用廣泛。結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約鋼村，固定效果好。開敞式：采用較少。易于檢修，但受

11、力不均勻。 封閉式 開敞式 鎮(zhèn)墩的兩種形式四、鎮(zhèn)墩和支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(一)鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)分析鎮(zhèn)墩承受明管傳遞來的軸向力、剪力、彎矩等荷載，其中軸向力為主要外荷載。鎮(zhèn)墩必須以其自重來平衡外荷載，以滿足抗滑動和抗傾覆穩(wěn)定和地基承載能力等要求。 1、作用力分析 求出明鋼管作用于鎮(zhèn)墩上的各種力，并按照溫升情況下鋼管充水運行、鋼管放空和溫降情況下鋼管充水運行、鋼管放空等進行最不利的組合。 2、求軸向力分量 設(shè) x軸水平順水方向為正。y軸垂直向下為正，水管軸線交點為坐標原點。 求出軸向力總和在x和 y軸下的分力：3、擬定鎮(zhèn)墩尺寸鎮(zhèn)墩的尺寸應能夠?qū)摴艿霓D(zhuǎn)彎段完全包住。鎮(zhèn)墩上游面為使鋼管受力均勻而垂直管軸，管道的外包

12、混凝士厚度不宜小于管徑的0.40.8倍。為維護、檢修方便，管道底距地面不宜小于0.6m。在土基上的鎮(zhèn)墩，底面常做成水平。 鎮(zhèn)墩地基應堅實、穩(wěn)定、可靠。在嚴寒地區(qū)，鎮(zhèn)墩埋深應在冰凍線以下1m，對巖基不少于0.5m。地震區(qū)應將鎮(zhèn)墩較深地埋入地基中并適當加大基礎(chǔ)面，同時減小鎮(zhèn)墩間距。根據(jù)結(jié)構(gòu)上的要求擬定出尺寸后，求出鎮(zhèn)墩的重心位置及其重量G。 4、求合力作用點及偏心距 利用圖解法或數(shù)解法求G及A的合力作用點位置及偏心距e。應保證e在鎮(zhèn)墩底寬的二分點以內(nèi)。 5、抗滑穩(wěn)定校核 抗滑穩(wěn)定應符合下式要求：6、地基承載能力校核 要求地基上均為壓應力，且最大值不超過地基的容許值R?？砂雌氖軌汗接嬎愕鼗鶓?。

13、 要求最大值maxR，最小值min0，不應出現(xiàn)負值。 (二) 支墩結(jié)構(gòu)分析 支墩承受管重和管內(nèi)水重的法向分力與鎮(zhèn)墩相似。主要內(nèi)容也是抗滑、抗傾覆穩(wěn)定及地基承載力校核 五、鋼管上的閘門、閥門和附件1、閘門及閥門壓力管道進口設(shè)快速閘門(事故門)(在前池、調(diào)壓室、水庫等位置)。對于聯(lián)合供水或分組供水的管道，在水輪機進口前應設(shè)快速閥門(事故閥)，其型式有蝴蝶閥、球閥。小型水電站有時用平板閥。(1) 蝴蝶閥(Butterfly Valve)優(yōu)點：啟閉力小，操作方便迅速，體積小，重量輕，造價低。缺點：開啟狀態(tài)時，閥體對水流有擾動，水頭損失較大；關(guān)閉狀態(tài)止水不嚴。動水中關(guān)閉，在靜水中開啟 (2) 球閥：球形

14、外殼+可旋轉(zhuǎn)的圓筒形閥體+附件。優(yōu)點：開啟狀態(tài)時沒有水頭損失，止水嚴密，能承受高壓。缺點：結(jié)構(gòu)復雜，尺寸和重量大，造價高。適用：高水頭電站。世界上最大的球閥2、伸縮節(jié)(expansion joint) 功用：消除溫度應力，且適應少量的不均勻沉陷。 位置：常在上鎮(zhèn)墩的下游側(cè)(為什么？) 伸縮節(jié)的型式較多，常見的幾種見下頁圖。伸縮節(jié)的幾種形式(a)套筒式伸縮節(jié) (b)波紋密封套筒式伸縮節(jié)(c)壓蓋式限拉伸縮節(jié) (d)波紋管伸縮節(jié)伸縮節(jié)動畫 3、 通氣閥 作用：當閥門緊急關(guān)閉時，向管內(nèi)充氣，以消除管中負壓；水管充水時，排出管中空氣。 位置：閥門之后。 4、 進人孔 作用：檢修鋼管；位置：鋼管上方；直

15、徑：50cm左右，間距100m 。 5、旁通閥及排水設(shè)備旁通閥：設(shè)在水輪機進水閥門處；作用：閥門前后平壓后開啟，以減小啟閉力。排水管：應設(shè)置在水管的最低點；作用：在檢修水管時用于排出管中的積水和滲漏水。第六節(jié) 明鋼管的管身應力分析一、明鋼管的荷載內(nèi)水壓力(包括各種靜水壓力、水重，水壓試驗和充、放水時的水壓力) 鋼管自重溫度變化引起的荷載鎮(zhèn)墩和支墩不均勻沉陷引起的力風荷載和雪荷載施工荷載地震荷載管道放空時通氣設(shè)備造成的負壓。明鋼管的荷載計算公式 明鋼管荷載組合 序號荷載基本荷載組合特殊荷載組合正常運行放空特殊運行水壓試驗施工充水地震(一)(二)1內(nèi)水壓力正常蓄水位的靜水壓力正常工況最高壓力特殊工

16、況最高壓力水壓試驗內(nèi)水壓力2鋼管結(jié)構(gòu)自重3鋼管內(nèi)的滿水重4鋼管充水、放水過程中，管內(nèi)部分水重5溫度變化引起的力明鋼管荷載組合序號荷載基本荷載組合特殊荷載組合正常運行放空特殊運行水壓試驗施工充水地震(一)(二)6管道直徑變化處、轉(zhuǎn)彎處及作用在堵頭、閘閥、伸縮節(jié)上的水壓力7鎮(zhèn)墩、支墩不均勻沉陷引起的力8風荷載或9或99雪荷載10施工荷載11地震荷載12管道放空時，管內(nèi)外氣壓差二、管身應力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計鋼管管壁厚度估算用鍋爐公式初擬管壁厚度根據(jù)規(guī)范要求，焊縫系數(shù)一般取為0.90.95，允許應力取鋼管材料允許應力的85%?？紤]鋼管運行期間的銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差， 實際=+2mm（銹蝕厚度）由于制造

17、、運輸、安裝等要求有一定的剛度，因而需要限制管壁的最小厚度min。min=D/800+4(mm)，且不宜小于6 mm。管壁應力計算坐標系 應力分析的四個基本斷面 一般情況下，最后一跨的應力最大。根據(jù)受力特點常選四個斷面進行應力分析?？缰袛嗝?1：只有整體彎距作用，且彎距最大,無局部應力受力最簡單；支承環(huán)旁管壁膜應力區(qū)邊緣，斷面22：整體彎距和剪力共同作用，均按最大值計算，無局部應力受力比較簡單；加勁環(huán)及其旁管壁，斷面33：由于加勁環(huán)的約束，存在局部應力；支承環(huán)及其旁管壁，斷面44：應力最復雜，存在整體彎距和剪力(支承反力)的作用，有局部應力。(一) 跨中段面(1)-(1)的管壁應力 跨中段面屬

18、于膜應力區(qū)，其特點是彎矩最大，剪力為零。 1徑向應力 管壁內(nèi)表面: ， “-”表示壓應力。 管壁外表面： 2切向(環(huán)向)應力 設(shè)壓力水管中心處的水頭為H，而水管軸線與水平面的夾角為，則在管壁中任意一點(該點半徑與管頂半徑的夾角為)的水頭為 壓力管道水壓力分布及管壁微圓弧的受力平衡圖因此推導出環(huán)向拉力和環(huán)向拉應力1簡化為：3軸向應力 =法向力引起的軸向彎曲應力 +軸向作用力引起的軸向應力 法向力引起的彎矩和剪力 均布荷載作用下連續(xù)梁內(nèi)力分布(1) 法向力作用引起的管壁軸向應力 M水重和管重的法向分力作用下連續(xù)梁的彎矩；W連續(xù)梁(空心圓環(huán))的斷面模數(shù)， (2) 軸向力引起的軸向應力 在軸向力的合力

19、A作用下，管壁中產(chǎn)生的軸向應力為，管壁的斷面積為F，則 1-1 斷面應力狀態(tài)圖形(二) (2)-(2) 斷面的管壁應力(2)-(2)斷面雖然靠近支承環(huán)，但在支承環(huán)的影響范圍之外，即不考慮支承環(huán)對管壁的約束作用。為了安全起見，認為該斷面的彎矩和剪力與支承環(huán)斷面相等?？缰袛嗝婧椭С协h(huán)斷面的管道彎矩大小相等，方向相反，支承環(huán)處存在剪力V。所以在垂直于管道軸線的橫斷面上剪應力的計算公式為式中 V管重和水重法向分力作用下連續(xù)梁的剪力; SR計算點以上管壁環(huán)形截面積對重心軸靜矩, ； b受剪截面寬度， ； J截面慣性矩， 。當=0(管道頂部)和=180(底部)時， =0；當=90(側(cè)面中點)時，達到最大值

20、 斷面(2)-(2)的其他正應力r、和x均與斷面(1)-(1)相等，但符號不盡相同。 2-2 斷面應力狀態(tài)圖形(三) 加勁環(huán)及其旁管壁，斷面(3)-(3)管壁應力 管壁變形圖1、軸向應力支承環(huán)處的管壁由于支承環(huán)的約束，在內(nèi)水壓力作用下發(fā)生局部彎曲，因此，與斷面2-2相比，增加了局部彎曲應力x2，切向應力也因支承環(huán)的影響而改變。支承環(huán)在管壁中引起的局部彎曲應力隨離開支承環(huán)的距離而很快衰減，因此影響范圍不大。影響范圍的等效寬度為： 式中 r和管道的半徑和管壁的厚度;由殼體理論和變形協(xié)調(diào)方程，可以求出管壁處的局部剪力Q和局部彎矩M： Q=lHP M=0.5 (l)2HP =(Fk-a)/(Fk+2l

21、)其中：Fk為加勁環(huán)的凈面積。所以：x2=6M/2=1.82HPD/2 =1.821(內(nèi)壁受拉)2、剪應力xr管壁的內(nèi)緣和外緣，xr=0管壁的中心： xr=3Q/23、環(huán)向應力2由內(nèi)水壓力和局部剪力所引起，所以：因為 所以斷面(3)-(3)各應力的方向和分布(四) 支承環(huán)及其旁管壁，斷面(4)(4)的管壁應力 支承環(huán)由于承擔管重和水重法向力Q而在支墩處引起的支承反力R，從而在支承環(huán)內(nèi)產(chǎn)生附加應力。 1支承環(huán)的支承方式 側(cè)支承和下支承兩種形式。圖中點劃線為支承環(huán)有效截面重心軸，它與圓心距離為半徑R，支墩支承點至支承環(huán)截面有效重心軸距離為b，支承反力為Q/2cos。 當采用側(cè)支承時，根據(jù)理論分析，

22、在設(shè)計時取b=0.04R，可使環(huán)上最大正彎矩與最大負彎矩接近相等，則鋼材性能得到最充分的發(fā)揮。2 支承環(huán)所承受的荷載 (1)管重和水重法向分力產(chǎn)生的剪力； 管重和水重在支承環(huán)兩側(cè)管壁上產(chǎn)生的剪應力均為 ，因此沿管壁圓周單位長度上作用在支承環(huán)上的剪力為 (2) 支墩兩側(cè)的反力0.5Q，鋼管一般都是傾斜布置，支承反力為 ； (3) 支承環(huán)自重，但相對較小，可以不計。3支承環(huán)內(nèi)力計算支承環(huán)的內(nèi)力計算常采用結(jié)構(gòu)力學中的彈性中心方法進行。因為鋼管斷面是一個對稱圓環(huán)，是一個三次超靜定結(jié)構(gòu)，可用彈性中心法計算支承環(huán)上各點的內(nèi)力。要進行支承環(huán)截面的內(nèi)力計算，實際上是要計算一個封閉圓環(huán)各斷面上的彎矩MR、剪力T

23、R和軸力NR。 支承環(huán)計算簡圖 b=0.04R時支承環(huán)內(nèi)力圖圖中彎矩畫在受拉一邊，正的MR表示支承環(huán)外側(cè)受拉，正的NR表示拉力，正的TR方向如。計算出支承反力產(chǎn)生的彎矩MR、軸力NR和剪力TR后，它們所產(chǎn)生的應力分別為ZR計算點與重心軸的距離；JR支承環(huán)有效截面對重心軸的慣性矩；WR支承環(huán)有效截面對重心軸的面積矩；SR支承環(huán)有效截面上，計算點以外部分對重心軸的靜矩；a支承環(huán)腹板厚度；F支承環(huán)有效截面積，包括管壁等效翼緣 斷面(4)-(4)各應力的方向和分布明鋼管管身應力計算公式匯總(五)、管身強度校核鋼管為三維受力狀態(tài)，計算出各個應力分量后，應按強度理論進行校核。如果不滿足強度要求，則重新調(diào)整管壁厚度和支墩間距，再重新計算，直到滿足強度條件。目前多采用第四強度理論。目前電力行業(yè)規(guī)范采用極限強度理論驗算鋼管的強度，各項荷載給出分項系數(shù)，驗算承