9——压力管道(一)

《水电站》2009年11月第八章水电站压力管道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，木管(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管道、钢衬钢筋混凝土管道钢管钢筋混凝土管聚酯材料管木管第二节压力管道的布置和供水方式一、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、雪崩地区以及山水集中的地区和沉降量很大的地段，可沿山脊布置。宜避开村镇居民区及交通道路等，若避不开村镇居民区应考虑工程对环境的影响。尽量减小起伏,避免出现负压;转弯半径R≯3D。明钢管首部设事故闸门，并考虑事故排水等。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。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。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。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)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、水锤压力的影响)，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：压力管道经济流速一般为4~6m/s，最大不超过7m/s，Ae=Qmax/Ve73max2.5HQD第四节钢管的材料和管身构造一、钢管的材料钢管所用钢材应根据钢管结构型式、钢管规模、使用温度、钢材性能、制作安装工艺要求以及经济合理等因素选定。钢管主要受力构件(包括管壁、支承环、岔管加强构件等)可采用下列钢种：Q235—C、D级碳素结构钢，Q345—C、D级及Q390—C、D级低合金结构钢；20R、16MnR、15MnNbR、15MnVR等压力容器钢；07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR等高强度压力容器钢。明管宜采用容器钢。如需采用其他钢种，应先研究其性能，确定相应的焊接方式、热处理工艺等。明管支座辊轮可采用下列钢种：Q235—A、B、C级钢；Q345—A、B、C级钢；30、35、40、45优质碳素结构钢；ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570等铸件。支座支承板可采用与管材、支承环相同的材料。支座垫板可采用上列钢板或铸件。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)(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。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。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。应力区域膜应力区局部应力区荷载组合基本特殊基本特殊产生应力的内力轴力轴力轴力和弯矩轴力轴力和弯矩允许应力明钢管0.55σs0.7σs0.67σs0.85σs0.8σs1.0σs地下埋管0.67σs0.9σs坝内埋管0.67σs0.8σs0.9σs按明管校核情况四、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。3、箍管：钢管外加钢箍。钢管纵横缝布置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。第五节明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备一、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。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。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。(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，D2m(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。(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。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。封闭式开敞式镇墩的两种形式四、镇墩和支墩结构设计(一)镇墩结构分析镇墩承受明管传递来的轴向力、剪力、弯矩等荷载，其中轴向力为主要外荷载。镇墩必须以其自重来平衡外荷载，以满足抗滑动和抗倾覆稳定和地基承载能力等要求。1、作用力分析求出明钢管作用于镇墩上的各种力，并按照温升情况下钢管充水运行、钢管放空和温降情况下钢管充水运行、钢管放空等进行最不利的组合。2、求轴向力分量设x轴水平顺水方向为正。y轴垂直向下为正，水管轴线交点为坐标原点。求出轴向力总和在x和y轴下的分力：coscosAAXXXsinsinAAYYY3、拟定镇墩尺寸镇墩的尺寸应能够将钢管的转弯段完全包住。镇墩上游面为使钢管受力均匀而垂直管轴，管道的外包混凝士厚度不宜小于管径的0.4~0.8倍。为维护、检修方便，管道底距地面不宜小于0.6m。在土基上的镇墩，底面常做成水平。镇墩地基应坚实、稳定、可靠。在严寒地区，镇墩埋深应在冰冻线以下1m，对岩基不少于0.5m。地震区应将镇墩较深地埋入地基中并适当加大基础面，同时减小镇墩间距。根据结构上的要求拟定出尺寸后，求出镇墩的重心位置及其重量G。4、求合力作用点及偏心距利用图解法或数解法求G及∑A的合力作用点位置及偏心距e。应保证e在镇墩底宽的二分点以内。5、抗滑稳定校核抗滑稳定应符合下式要求：ccKXGYfK)35~8(62BBGYMen6、地基承载能力校核要求地基上均为压应力，且最大值不超过地基的容许值[R]。可按偏心受压公式计算地基应力。要求最大值σmax＜[R]，最小值σmin＞0，不应出现负值。(二)支墩结构分析支墩承受管重和管内水重的法向分力与镇墩相似。主要内容也是抗滑、抗倾覆稳定及地基承载力校核RBeLBGY61.五、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。(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(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(为什么？)伸缩节的型式较多，常见的几种见下页图。伸缩节的几种形式(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)波纹管伸缩节伸缩节动画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：应设置在水管的最低点；作用：在检修水管时用于排出管中的积水和渗漏水。第六节明钢管的管身应力分析一、明钢管的荷载内水压力(包括各种静水压力、水重，水压试验和充、放水时的水压力)钢管自重温度变化引起的荷载镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力风荷载和雪荷载施工荷载地震荷载管道放空时通气设备造成的负压。明钢管的荷载计算公式指向受力部位序号作用力方向作用力名称计算公式上段下段管壁支墩镇墩1.1径向内水压力强度PHP√√2.1钢管自重的分力QscosLqQss√√√2.2垂直管轴管内水重的分力QwcosLqQww√√√3.1钢管自重的分力A1sin1LqAs顺顺√√3.2关闭的阀门及闷头上的力A24/202PDA顺或逆顺或逆√√3.3渐缩管上的内水压力A34/)(2min2max3PDDA顺顺√√3.4伸缩节端部的内水压力A44/)(22214PDDA顺逆√√3.5弯管上内水压力的分力A54/205PDA顺逆√√3.6弯管上水流离心力的分力A6gvDAw4/