水电站压力管道

1水电站压力管道•作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。•特点：坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且靠近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。第一节压力管道的类型按布置方式分按材料分明管：暴露在空气中(无压引水式电站)钢管(大中型水电站)钢筋混凝土管(小型电站)地下埋管（隧洞埋管):埋入岩体。(有压引水电站)不衬砌、锚喷或混凝土衬砌、钢衬混凝土衬砌，聚酯材料管、木管等混凝土坝身埋管：依附于坝身(混凝土重力坝及重力拱坝)，包括：坝内管道、坝上游面管、坝下游面管钢筋混凝土结构、钢衬钢筋混凝土结构3第一节压力管道的类型钢管管节钢筋混凝土管4第一节压力管道的类型聚酯材料管木管5第二节压力管道的布置和供水方式6一、压力管道的布置压力管道线路选择应结合其它建筑物(前池、调压室)和水电站厂房布置统一考虑。路线尽可能短、直。(经济，hf和ΔH小)。地质条件好。山体稳定、地下水位低、避开山崩、雪崩地区。尽量减小起伏,避免出现负压;转弯半径R≯3D。避开可能发生山崩或滑坡的地区以及山水集中的地区，可沿山脊布置。明钢管首部设事故闸门，并考虑事故排水等7二、压力管道引进厂房的方式1.正向引近：低水头电站。水流平顺、水头损失小，开挖量小、交通方便。钢管发生事故时直接危机厂房安全。2.纵向引近：高、中水头电站。避免水流直冲厂房。3.斜向引近：分组供水和联合供水。8二、压力管道引进厂房的方式(a)、(b)正向引进(c)、(d)纵向引进(e)斜向引进压力水管引进厂房的方式9三、供水方式1．单元供水：一管一机。不设下阀门。•优点：结构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好，易于制作，无岔管•缺点：造价高•适用：(1)单机流量大、长度短的地下埋管或明管；(2)混凝土坝内管道和明管道10三、供水方式2．联合供水：一根主管，向多台机组供水。设下阀门。•优点：造价低•缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差•适用：机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管3.分组供水：设多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。•适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。地下埋管和明管.11三、供水方式单元供水联合供水分组供水12第三节水力计算和经济直径的确定一、水力计算•恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和局部两部分。沿程损失：处于紊流，可按曼宁公式计算局部损失：进口、门槽、渐变段、弯段、分岔等部位，按水力学公式计算。hw→电能→装机容量→管径选择•非恒定流计算：水锤计算(N变→Q变→H变)，确定管道中各点的动水压力和变化过程。水击压强→确定压力管道荷载和管线(最高压力线和最低压力线)13二、压力管道直径的选择1.动能经济比较法：基本原理与渠道相同(要考虑流速、水击压力的影响)，拟定几个直径，进行动能经济计算，比较确定最优经济直径。2.经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初步设计时采用Qmax——压力管道设计流量，H—设计水头3.经济流速法：压力管道的经济流速一般为4~6m/s，最大不超过7m/s，Ae=Qmax/Ve73max2.5HQD14第四节钢管的材料和管身构造15一、钢管的材料•管道的受力构件有管壁、加劲环、支承环、支座滚轮、支承板等•常用的钢材：经过镇静熔炼的热轧平炉低碳钢或低合金钢，如：A3、16Mn，或经过正火的15MnV、15MnTi。滚轮可采用A3、A4、A5、16Mn或35、45等优质钢材。16二、钢材性能的要求(一)压力管道的工作特点与制作程序•工作特点：内水压力大，并经常承受冲击荷载的作用；低温状态下工作(水温在4℃左右)对钢材的工作条件不利。•制作过程：板裁：冷卷、辊压成形；现场焊接(自动焊、手焊)；检查焊缝(γ射线、超声波)17二、钢材性能的要求(二)钢材性能要求1、机械性能•屈服强度σs、抗拉强度σb；塑性指标：断裂时的延伸率ε、断面收缩率ψ；冲击韧性ak。要求强度高、塑性好(冲击、低温、加工)可焊性能好。•A3钢机械性能适用于压力管道，但容许应力低。•当HD600m2，δ=32mm～40mm，不易加工。•当HD较高时采用16Mn，其强度高，但塑性差：•强度越高，塑性越差。若采用高强钢，要有充分的论证。一般A3、16Mn不需论证，可直接采用。18二、钢材性能的要求2、加工性能•辊轧、冷弯、焊接、切割，要求焊接性能好，冷加工的塑性变形小，加工后无残余应力，焊缝和热影响区不产生裂纹。3、化学成份•影响钢材的强度、ε、焊接性能，含碳不要过高(脆)，含硫量和含硅量也不能高。19三、容许应力•钢材的容许应力一般用屈服强度除以安全系数得到，即[σ]=σs/K•不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力，见表8-2。20四、管身构造1、无缝钢管：无纵缝，横缝用焊接、法兰连接成整体，强度高，造价高，施工困难。国内：D≤60cm；国外：D≤120cm。适用高水头小流量电站。2、焊接管：钢板按要求的曲率辊成弧形，焊接成管段。适用于各种直径、水头，造成价低。(1)纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴(2)相邻管壁厚度差≯2mm，内部光滑，外部成台阶状。21四、管身构造22四、管身构造3、箍管：钢管外加钢箍。钢管最小厚度：δmin≮(D/800+4)mm，或6mm防腐、防锈措施：涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度2mm。23第五节明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备24一、敷设方式•明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm•转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。•水管受力明确，在自重和水重作用下，相当于一个多跨连续梁.25一、敷设方式•连续式布置：管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大，一般较少采用。•分段式：两镇墩之间设置伸缩节(在上镇墩的下游侧)。温度应力小。26二、支墩(support)1.功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动(温度变化时)。2.布置：间距L=6~12m，D特别大时，L取3m。L小→M、Q小→支墩造价高。3.类型：滑动式、滚动式、摆动式。27(1)滑动式支墩•鞍式(saddlesupport)：包角：90~120°，结构简单，造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀，适用于D1m。•支承环式(sliddingringgirdersupport)：在支墩处管身四周加刚性支承环。摩擦力小，支承部位受力较均匀，D2m28(2)滚动式(rollingringgirdersupport)•在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，摩擦系数f小，适用于D2m。29(3)摆动式(rockingringgirdersupport)•在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数f很小，适用于大直径管道。30三、镇墩(anchorblock)1.功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力。水管在此处不产生任何位移。2.布置：在水管转弯处，直线段不超过150m。3.类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固定效果好。开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。31三、镇墩(anchorblock)封闭式开敞式32三、镇墩(anchorblock)4、设计•荷载见表8-3，P126。根据管道的满水、放空、温升、温降等情况，找出最不利的荷载组合。•设计内容包括抗滑稳定、地基应力校核、细部构造设计。•一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。33四、钢管上的闸门、阀门和附件1、闸门及阀门•压力管道进口设快速闸门(事故门)(在前池、调压室、水库等位置)。•对于联合供水或分组供水的管道，在水轮机进口前应设快速阀门(事故阀)，其型式有蝴蝶阀、球阀。小型水电站有时用平板阀。34四、钢管上的闸门、阀门和附件(1)蝴蝶阀(ButterflyValve)•优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小,重量轻，造价低。•缺点：开启状态时，阀体对水流有扰动，水头损失较大；关闭状态止水不严。•动水中关闭，在静水中开启35四、钢管上的闸门、阀门和附件(2)球阀：球形外壳+可旋转的圆筒形阀体+附件。•优点：开启状态时没有水头损失，止水严密，能承受高压。•缺点：结构复杂，尺寸和重量大，造价高。•适用：高水头电站。世界上最大的球阀36四、钢管上的闸门、阀门和附件2、伸缩节(expansionjoint)•功用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷•位置：常在上镇墩的下游侧•伸缩节的型式较多，常见的几种见下页图。37伸缩节(a)套筒式伸缩节(b)波纹密封套筒式伸缩节(c)压盖式限拉伸缩节(d)波纹管伸缩节38伸缩节动画39四、钢管上的闸门、阀门和附件3、通气阀作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压；水管充水时，排出管中空气位置：阀门之后4、进人孔作用：检修钢管；位置：钢管上方；直径：50cm左右,间距100m。5、旁通阀及排水设备•旁通阀：设在水轮机进水阀门处；作用：阀门前后平压后开启，以减小启闭力。•排水管：水管的最低点应设置；作用：在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水40第六节明钢管的管身应力分析•结构设计状况：持久状况、短暂状况、偶然状况•三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计。•持久状况还应进行正常使用极限状态设计，短暂状况可根据需要进行正常使用极限状态设计。•承载能力极限状态：指钢管结构或构件，或达到最大承载能力、或丧失弹性稳定、或出现不适合于继续承载的变形。•正常使用极限状态：钢管结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。41第六节明钢管的管身应力分析•结构设计状况分为持久状况、短暂状况和偶然状况三种。•三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计。•持久状况还应进行正常使用极限状态设计；•短暂状况可根据需要进行正常使用极限状态设计；•偶然状况可不进行正常使用极限状态设计。•承载能力极限状态，是指钢管结构或构件，或达到最大承载能力、或丧失弹性稳定、或出现不适合于继续承载的变形；•正常使用极限状态，是钢管结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。42•按照设计规范要求，明钢管要求进行承载能力极限状态验算，其内容包括：•主要结构构件的承载能力计算，管壁和加劲环的抗外压稳定计算。•如有必要应进行镇墩和支墩抗倾、抗滑及抗浮验算；•如有抗震要求，还应进行抗震承载能力计算43一、荷载计算及其分项系数•按荷载的作用方向可以将其分为轴向力、径向力和法向力。每种荷载都有其不同的作用分载系数，见表8-2。•作用在明钢管上的各种作用力计算公式及作用方向见表8-3，但风荷载、雪荷载、地震荷载等需查阅《水工建筑物荷载设计规范》。44二、荷载组合•钢管结构设计应根据承载能力极限状态的要求，对不同设计状况下可能同时出现的作用，进行相应的作用效应组合，对明钢管要求的组合见表8-4。表8-4明钢管按承载能力极限状态设计的作用效应组合与计算情况45第七节管身应力分析和结构设计钢管管壁厚度估算•锅炉公式初拟管壁厚度•根据规范要求，焊缝系数φ一般取为0.9~0.95，允许应力取钢管材料允许应力的75%~85%。考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差，δ实际=δ+2mm（锈蚀厚度）•在实际工程中，考虑到制造、运输、安装等条件，必须保持一定的刚度，因而需要限制管壁的最小厚度δmin。δmin一般取为D/800+4(mm)，且不宜小于6mm22HDPD46一、管身应力分析和结构设计1、四个基本断面47一、管身应力分析和结构设计一般情况下，最后一跨的应力最大。根据受力特点常选四个断面进行应力分析。•跨中断面1－1:只有弯距作用，且弯距最大,无局部应力——受力最简单；•支承环旁管壁膜应力区边缘，断面2－2：弯距和剪力共同作用，均按最大值计算，无局部应力——受力比较简单；•加劲环及其旁管壁，断面3－3：由于加劲环的约束，存在局部应力；•支承环及其旁管壁，断面4－4：应力最复杂，存在弯距和剪力(支承反力)的作用，有局部应力。48(一)跨中段面(1)-(1)的管壁应力跨中段面属于膜应力区，其特点是弯矩最大，剪力