水电站压力钢管岔管计算书

5
θ 23=180-(ω 23+a2+a3) ω23 a2
70 20
a3
20
（二 ） 公切球半径RT（mm）
R T = R i cos a i + A i sin a i (对主管Ⅰ及主岔管Ⅱ,i=1、2,对支岔管Ⅲ,i=3) 一般, RT取主管进口半径的(1.1~1.2)倍,Ri对主管Ⅰ指进口半径,对主岔管Ⅱ、Ⅲ指出口断面
1
1 理

c
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岔管壁厚及体形
第1页
引水钢岔管设计
管壁厚度δ1（mm）计算
K1 1.1 R（m） 1.26 K1 1.1 R（m） 1.260 K1 1.1 R（m） 1.260 ▽H（m） 63.41
a（ ）
10 ▽H（m） 67.04
。
H1（m） H（m） 90.59 154.00 δ1主管壁厚（mm） 20.63 H1（m） H（m） 90.59 154.00 δ1支管壁厚（mm） 21.53 H1（m） H（m） 90.59 154.00 δ1支管壁厚（mm） 21.53
S13 1044.09 S31 1944.64 S23 1117.39 S32 1117.39 A1 1301.20 A3 2310.00 A2 2310.00 A3 2310.00
a1
10 a3 20 a2 20 a3 20
RT 1260 RT 1260 RT 1260 RT 1260
θ
θ θ
13
P（Pa） 1509229.4
c（mm）
2
σs（Pa） [σ]1（Pa） 240000000 120000000
φ 0.95
▽校核水位 ▽钢管轴线 655.59 565
P（Pa） 1509229.4
c（mm）
2
σs（Pa） [σ]1（Pa） 240000000 120000000
φ 0.95
▽校核水位 ▽钢管轴线 655.59 565.00
1、按钢管极限强度设计管壁厚度 岔管壁厚度按下面二式的最大值拟定
d1 =
式中:
K 1 PR +c 1 cos a
d2 =
K 2 PR +c 2 cos a
（13-1）——Page340，《手册》
P—设计内水压力（N/m2），P=10*1000*H，H=▽H+H1=H1（1+64%），▽H——水击水头； H1——作用水头，H1=▽校核水位-▽钢管轴线； R—该节钢管最大内半径（m）； a—该节钢管半锥顶角（度）； φ—焊缝系数； [σ]1、[σ]2—材料用于岔管时的容许应力（Pa），此处钢材为A3钢，（见表13-1，340Page，《手册》）； K1—系数，K1=1.0~1.1； K2—边缘应力集中系数，（见图13-13，Page357，《手册》）； c—锈蚀系数，c=1~2mm
1509229.4
2
240000000 160800000
0.95
655.59
565.00
P（Pa） 1509229.4
c（mm）
2
σs（Pa） [σ]2（Pa） 240000000 160800000
φ 0.95
▽校核水位 ▽钢管轴线 655.59 565.00
a（ ）
0 ▽H（m） 63.41
。
S 13 =
A1 q 13 - RT (tg + tga1) cos a1 2
S 31 =
A3 q 31 - RT (tg + tga3) cos a3 2 A3 q 32 - RT (tg + tga3) cos a3 2
S 23 =
A2 q 23 - RT (tg + tga2) cos a 2 2
r 3 4 2 3 n = 4 56.48d¨ £ © £ = 56.48 * 20 * ¨ £ © £ = 5.8 lh 2
由 lh/r=2/2=1，r/δ=2000/20=100，n=6 ，查图12-20，——Page326，《手册》）的曲线，得Pcr=22E+5Pa。 K=Pcr/△P=2200000/49000=44.9≥2，即环间管壁的外压稳定满足要求。
K 2
Kp 1.100
3、管壁厚度的确定 综合以上两种管壁计算， 比较管壁厚度δ1，δ2的大小，取大值作为相应管节的壁厚。但考虑钢管实际受力情况复杂 及岔管外压稳定， 所以管壁厚度δ值可取为： 钢岔管壁厚(mm) 主钢岔管壁厚(mm) 支钢岔管壁厚(mm) 21 22 22
二、 主钢管设计 1、管壁厚度的确定 由于岔管壁厚为21mm，且岔管与钢管主管间有管节过渡，为便于管壁厚度的连续性，所以初取主钢管壁厚δ=22mm，钢材为A3钢。 2、管壳抗外压稳定
σs（Pa）
[σ]2（Pa）
φ
▽校核水位 ▽钢管轴线
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引水钢岔管设计
1.3 R（m） 0.5 K2 1.250 R（m） 0.5 K2 1.3 R（m） 0.500
63.41
a（ ）
0 ▽H（m） 63.41
。
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90.59 154.00 δ2主管壁厚（mm） 8.17 H1（m） H（m） 90.59 154.00 δ2支管壁厚（mm） 8.17 H1（m） H（m） 90.59 154.00 δ2支管壁厚（mm） 8.17
S12 1044.09 S21 1944.64 A1 1301.20 A2 2310.00
S 32 =
a1
10 RT 1260 RT 1260
式中: 各符号的意义及单位同上 值S12(mm) 值S21(mm) θ θ
12
5
12
a2
20
5
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引水钢岔管设计 值S13(mm) 值S31(mm) 值S23(mm) 值S32(mm)
a（ ）
20 ▽H（m） 63.41
。
P（Pa） 1509229.4
c（mm）
2
σs（Pa） [σ]1（Pa） 240000000 120000000
φ 0.95
▽校核水位 ▽钢管轴线 655.59 565.00
a（ ）
20
。
管壁厚度δ2计算
K2 ▽H（m） H1（m） H（m） P（Pa）
12
c（mm）
P（Pa） 1509229.4
c（mm）
2
σs（Pa） [σ]2（Pa） 240000000 160800000
φ 0.95
▽校核水位 ▽钢管轴线 655.59 565.00
a（ ）
0
。
2、按抗外压稳定设计管壁厚度
2E t 3 pcr = £ ¨ £ © ³ Kp £ ¨ 1 -n 2£ © D
式——（6-2） Page253 （《压力钢管》电力工业出版社）
P 1 =
s Fh 3EJ R ¬ £ P = 2 rl h R 3l n
（12-26）——Page325，《手册》
据《规范》取上两式的较小值作Pcr。 上式中：E—钢弹性模量系数，E=2.058E+8，kPa；
JR——环计算断面（包括环两侧各 b2 = 0.78 长的等效变形管壳面积）的断面惯矩积。 rd R——环计算断面重心圆半径，m； lh——环间距，m； Fh——环计算断面积，m2； 在计算出Pcr值后，利用K=Pcr/△P≥2.0 ，△P=49000Pa ； 若计算的K≥2则钢性环满足抗外压稳定要求；否则，应加大环断面刚度或调整环间距，而通常以前者更经济。 计算P1，P2，Pcr b1=b 2b2 h1=H h2=δ管壳 l1 l2 JR σs 〖K〗 0.02 0.312 0.2 0.02 2.12 2.02 0.0435 1.2E+08 2 E R r lh Fh P1 P2 Pcr K 2.06E+14 2.12 2 2 0.01024 1.409E+12 307200 307200 6.27 所以，从上式计算中有：K≥〖K〗，即：钢性环的设计满足要求。
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（5）、环间管壁的外压稳定计算： 环间管体在外压的作用下，可发生（图12-21，——Page327，《手册》）所示失稳形式。 环间管体失稳的临界外压力Pcr计算可采用（图12-20，——Page326，《手册》）的曲线查出Pcr值。 按E=2.058E+8（kPa），μ=0.3，r/δ=40~350，
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半径,脚标分别为本1、2、3。Ri在拟定体形和划分管段时定出。由上式能计算基本管节 的轴线长Ai。 公切球半径RT： RT=1050*1.2=1260 轴线长Ai（mm）计算： 轴线长A1（mm） RT（mm） a1(。) R1(mm) A1(mm) 轴线长A2（mm） 轴线长A3（mm） 1260 RT（mm） 1260 RT（mm） 1260 10 20 20
a2 ( ) a3(。)
。
1050 R2(mm) 500 R3(mm) 500
1301.20 A2(mm) 2310.00 A3(mm) 2310.00
S 12 =
（三）基本管节Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ沿腰线的节距Sij(mm): A1 q 12
cos a1 - R T (tg 2 + tga 1)
S 21 =
A2 q 12 - RT (tg + tga2) cos a 2 2
三、 钢岔管岔管体形的几何尺寸 （一 ） 腰线转折角与半锥顶角 θ12=0, θ13=ω23-（2a1+a2+a3）-θ12 ，（θ12、θ13 ——腰线转折角） θ 12 ω23 a1 a2 a3 θ 13
5 腰线转折角θ 70
23:
（13-54）——Page358，《手册》
10
20
20 θ 23 70
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Pcr——明管临界压力（N/mm2），
式中：
E——钢管弹性膜量（N/mm2）， t——管壁厚度（mm）， ν——钢管抗剪切系数， D——钢管内径（mm）， K——安全系数， p——钢管承受外压（N/mm2）， 考虑到在实际受力情况下，钢管无外水压力，且外面包有砼，并在隧洞进口设有通气孔 所以，钢管承受外压仅为大气压力，还可以考虑0.5折减系数。 E t ν D Pcr p 2,100,000 21 0.25 2100 4.480 0.55 所以：Pcr≥Kp；即，钢管抗外压稳定满足要求。 所以，管壁厚δ取为21mm。
5
31
5
23
70 θ 32 70
（四）基本管节Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ管轴夹角
w 12 = w 21 = 180° - (q 12 + a1 + a 2) w 13 = w 31 = 180 ° - (q 13 + a1 + a 3) w 23 = w 32 = 180° - (q 23 + a 2 + a 3)
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（1）、气压差选择——△P=49000Pa， （2）、抗外压安全系数K=2.0， （3）、钢性环布置及环断面拟定 圆管处是否设置钢性环的判别标准式应满足下式：δ≥D/167，（（12-23）——Page324，《手册》）， 代入数据计算得：δ=22mm>2100/167=13mm。所以，不需设钢性加劲环。 （4）、钢性环抗外压计算：
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内加强月牙肋岔管设计
计算目的： 通过计算确定钢管管壁厚度，拟定岔管几何尺寸及展开图计算、月牙肋结构尺寸，岔管抗外压稳定计算。 计算资料：《引水发电隧洞设计图》， 设计依据：《小型水电站机电设计手册（金属结构）》，简称《手册》，——水利电力出版社； 《压力钢管》（水工建筑物设计丛书），——电力工业出版社； 参考资料：《引水系统部分施工图（凤冈县九道拐水电站工程）》 《引水系统施工图（安顺关脚水电站工程）》 一、 钢岔管管壁厚度δ（mm）的拟定
其中, ω 23=ω 32=β , β 为主岔管和支岔管的分岔角。 计算ω12=ω21 ω 12 θ12 a1 a2
145
计算ω13=ω31 计算ω23=ω32
ω 13
145
ω 23
70
5 θ13 5 θ23 70
10
20
a1
10
a3
20
a2
20
a3
20
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