压力管道总论及明钢管

材料及强度
• • • • （一）钢材性能的基本要求 （二）材质检验 （三）允许应力和强度校核 （四）水电站管道钢材的现状
钢材性能的基本要求
• 钢材是强度和塑韧性的矛盾统一体，要求具有 良好的机械力学性能和工艺性能，符合设计规 范和相应的国家标准。
• ——机械力学性能：屈服强度σs、抗拉强度 σb 、塑性指标（δ、ψ ）、常规冲击韧性ak、 断裂韧性 。前三项由拉伸试验确定，后两项由 冲击试验确定；（影响因素）
化学成分
• ——碳素结构钢由纯铁、碳及常存杂质Si、Mn、S、P、 N、O等元素组成。其中纯铁占99%，其余约占1%； • ——低合金钢除上述元素外，还加入等合金元素，其 含量不超过3%。C等含量不大，但对钢材性能的影响 很大； • ——C：增加可提高强度，但塑性、冷弯性能和冲击 韧性降低，可焊性变差，一般不超过0.22%，对可焊 结构，不宜大于0.2%； • ——S：降低塑性、韧性和抗锈蚀性能，高温变脆，即 热脆，不利于涵、铆和热加工； • ——P：降低塑性、韧性、冷弯性能和可焊性，低温时 变脆，即冷脆； • ——N：与P相似，使钢材变脆； • ——O：使钢材热脆，比S还剧烈。
压力管道总论及明钢管
一、功用和类型* 二、供水方式和水力计算* 三、材料及强度 四、设施和构造* 五、明钢管线路选择和布置** 六、作用在钢管及墩座上的力和荷载** 七、明钢管的结构分析 八、明钢管的抗外压失稳* 九、镇墩和支墩结构分析 十、明钢管的伸缩节、进人孔及排水孔 十一、小结
功用和类型
• • • • ——功用 ——特点 ——规模 ——类型
• ——水电站钢管尺寸大，难于整体热处理，安 装环缝、甚至某些纵缝必须在安装现场施焊， 但现场工作条件往往不利，如场地狭小，湿度、 温度条件差，不利于焊接质量和热处理，所以， 钢种和合理的加工工艺选择就特别重要。
材质检验
• 必须对钢材和焊接材料进行材质检验， 如可焊性试验等，以保证使用材料的质 量。漏检或不按要求进行材质检验，往 往是造成事故的重要原因。
允许应力和强度校核
• ——允许应力：大都按允许应力设计，以屈服 强度的百分比表示。 • 基本荷载组合时，[σ]=Φ(0.55~0.67)σs，钢管 膜应力和明管取低值，局部应力和埋管取高值； • 特殊荷载组合时，[σ]=Φ(0.80~0.90)σs，放宽 限制。
• ——强度校核：钢材为均质、弹塑性体，按第 三及第四强度理论计算，我国采用第四强度理 论（畸变能理论），各计算点应力满足下式：
2 x2 r2 2 x r x r 3( xr x2 r2 ) [ ]
• 当 、 xr、 x 很值小时，可以忽略，公式可 简化为：
x 3
2 x 2
2 x
[ ]
设施和构造
• ——设施：进水阀或闸阀、通气孔（井）或通 气阀、排水孔、进人孔； • ——构造要求： • （1）管末设进水阀，或管首设闸阀，以便事 故紧急关闭； • （2）管线顶部至少在最低压力线以下2m，以 防管内发生真空； • （3）排水孔等设施应位于管道最低点，以便 完全排除管道内积水和渗漏水； • （4）管道应有进人孔，以便检查和维修；
水力计算
• 1 工况 • 管道水力计算包括水头损失和水锤计算，用以 确定电站的工作水头、作用在水轮机部件上的 压力和管线布置，工况有： • ——正常工作情况最高压力线； • ——特殊工作情况最高压力线； • ——最低压力线。 • 2 水头损失 • ——沿程摩阻损失； • ——局部损失：进口、拦污栅、门槽、渐变段、 弯段、分岔管、进水阀等处 • 3 水锤计算
• ——在负温范围，温度下降，抗拉强度 和屈服强度提高，塑性和韧性降低，钢 材变脆。 • ——低温冷脆：当温度下降到一定程度 时，钢材的冲击韧性急剧下降，破坏特 征明显地由塑性破坏转变为脆性破坏； • ——在低温（低于-20℃ ）工作的结构， 特别是承受动力荷载作用的结构，钢材 应保证常温冲击韧性合格，尚应保证负 温（-20~-40 ℃ ）冲击韧性合格，以提高 抵抗低温脆断的能力。
• ——工艺性能：切割、冷弯、焊接等。冷弯性 能由冷弯试验确定。（工艺要求）
影响钢材力学性能的因素
• • • • • • • • • • 1 化学成分 2 冶金缺陷、冶炼和轧制过程的影响 3 钢材的硬化 4 温度 5 应力集中 6 复杂应力作用 7 重复荷载作用 8 加载速度 9 板厚较大 10 残余应力
冶金缺陷、冶炼和轧制过程的影响
• a)冶金缺陷：有偏析、非金属夹杂、裂纹和分层 等。 • ——主要偏析元素是S和P，沸腾钢的偏析比镇静 钢还严重，使塑性、冲击韧性、冷弯和可焊性变 差； • ——非金属夹杂：主要是硫化物和氧化物夹杂， 使钢材机械性能和工艺性能降低； • ——裂纹和分层：使冷弯性能、冲击韧性和疲劳 强度大大降低，从而使钢材抵抗脆性破坏能力降 低；
供水方式
供水方式 (1)单元供水 (2)联合供水 (3)分组供水
技 术 经 济 比 较
运行
灵活
差 设快速阀门 单管规模大，多 分岔
布置较容易 一次投资 同水损时，造价 较高 埋管、明管、机 组较少、单机流 量小，引水道长
较好 设快速阀门 单管规模适中， 少分岔
介于（1）、 （2）之间 介于（1）、 （2）之间 介于（1）、 （2）之间 埋管、明管、 机组较多、单 机流量小，引 水道长
水电站管道钢材的现状
• ——钢材的现状：广泛而成熟使用的钢种是镇 静钢——普通碳素钢A3（σs=235N/mm2）和 低合金结构钢16Mn（σs=345N/mm2），其次 是15MnV和15MnTi（σs=390N/mm2） ——用 于制造管壁、支承环、分岔加强构件等。但这 类钢生产工艺简单、价格不贵，加工和焊接性 能好，板厚较薄时，焊前不需预热，但强度不 够高。 • ——发展趋势：HD值越来越高，在使用同等 钢材条件下，钢板厚度势必增加，给制造、运 输、安装带来诸多不便；采用高强钢是趋势。
应力集中
• ——应力集中现象是由于钢构件及其连接中存 在构造缺陷引起的，它使钢材的抗拉强度提高， 屈服点变得不明显，塑性减小，钢材变脆； • ——构件截面改变越急剧，应力集中现象越严 重，也是造成构件破坏的主要原因之一，设计 时要避免截面陡变，使截面改变处能平缓过渡， 必要时磨光。在制造和施工时，应防止造成刻 槽等缺陷。 • ——缺陷：内外裂纹、孔洞、刻槽、凹角等。
复杂应力作用
• ——当钢材受复杂应力作用，即双向或三向应 力作用时，钢材的屈服不能以某一方向的应力 达到屈服强度σs来判断，而应按材料力学的能 量强度理论以折算应力σeq是否达到σs来判断。 • ——若σeq＜σs时，钢材处于弹性状态；当 σeq≥σs时，钢材进入塑性状态。折算应力表 示为： 1 2 2 2
功用
• ——从水库或引水道末端的前池或调压 室，将水在有压状态下引入水轮机的输 水管。它集中了水电站的全部或大部分 水头。
特点
• ——坡度陡； • ——承受电站的最大水头，且承受水锤 动水压力； • ——靠近厂房；
规模与实例
• 正是由于压力钢管的特点，要求压力钢管的 安全性和经济性受到特别重视，对材料、设 计方法和工艺等有不同于一般水工建筑物的 特殊要求。从而要求按规模等级进行设计。
• ——规模：HD值来反映，也是技术难度的 最重要特征值。HD≈ • HD＞500m2，或PD＞5000kg/cm2，大 型钢管；
•
HD＞500m2，或PD＞12000kg/cm2，大 型钢管；
• • • • •
• • • •
——PD≈5500~6500kg/cm2以下用普通低碳钢； ——PD＞5500~6500kg/cm2则用高强钢； ——HD＜50m2，采用普通钢筋砼； ——HD＞200m2，采用预应力钢丝网。 ——以礼河三级盐水沟，HD=1824m2，H=629m， D=2.2~2.0m，N=144MW； ——三峡， HD=1468m2，D=12.4m ，N=700MW ； ——龚嘴， D=8m ； ——岩滩， D=10.2m ； ——五强溪， D=11.2m ；
钢材的硬化
• ——时效硬化：随着时间的增长，钢 材的强度提高，塑性和韧性降低的现 象； • ——应变硬化：也叫冷作硬化，钢材 经过加工产生塑性变形后，屈服强度 提高，塑性和韧性降低的现象； • ——应变时效：应变硬化和时效硬化 的复合作用；
• ——钢材硬化后会变脆，常成为裂缝的根源。 普通钢结构不利用硬化现象所提高的强度，对 于承受动力荷载作用的重要结构还要把钢板因 剪切而产生硬化的边缘刨去；薄壁型钢结构设 计时允许部分利用冷加工而提高的强度； • ——不同种类钢材的时效硬化过程长短不一， 可从几小时到数十年； • ——人工时效：为加快测定钢材时效后的机械 性能，常先使钢材产生约10%的塑性变形，再 加热到一定的温度，然后冷却到室温进行试验， 称~。
eq
• 由上可知，三个主应力同号且相差很小时，即 使各自远大于，钢材也很难进入塑性状态，甚 至破坏时也没有明显的塑性变形，呈现脆性破 坏特征；当有一个主应力异号时，且同号的两 个主应力相差较大，钢材比较容易进入塑性状 态，呈现塑性破坏特征。
2
[( 1 2 ) ( 2 3 ) ( 3 1 ) ]
阀门设置 可省快速阀门 管道结构 尺寸小、易制作，无分岔
布置 平面尺寸大，与前池、调 压室连接困难
施工安装 可分期装，分期投资 经济性 同水头损失下，造价较高
使用情况 (1)砼坝身管道 (2)单管流量很大或长度较 短的埋管或明管
压力管道直径选择
• 常根据经济直径的理论公式和统计公式计算，结 合工程经验，计算造价和电量，综合分析技术经 济问题，选定最优直径。 • ——彭德舒公式： D= (5.2Qmax3/H)1/7 • ——比尔公式： D= 0.201(N/H)0.466 • ——沙卡里亚公式： D= 0.709P0.403 /H0.65 • ——美国肯务局公式： D=1.516(Qmax2/H)1/4 • ——中南院经验公式： D=1.04067Q0.4424H-0.1215 • ——流速判断： 钢筋砼衬砌隧洞v≤4~6m/s，钢 板衬砌隧洞或者明钢管v≤5~7m/s • ——设置调压井判断：ΣLV/H≤15~30m2/s，有的 达到ΣLV/H≤20~40m2/s，需要根据实际情况确定
• b)冶炼：碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢 法、侧吹碱性转炉连钢法三种； • c)轧制：在1200~1300℃高温下进行，不仅改变 钢材形状和尺寸，而且改变钢材的内部组织结 构，从而改变性能。尺寸较小的钢材轧制压缩 比较大，内部组织更致密，其屈服强度σs、 抗拉强度σb 、塑性指标（δ、ψ ）、常规冲 击韧性ak均较好。 • GBJ17-88对同一种钢材按厚度或直径分成 三组，取不同的强度设计值。
温度
• ——正温范围内，当在100℃以上时，温度升高， 总的趋势是钢材的抗拉强度和屈服强度降低， 塑性增大； • ——不超过200℃时，钢材的性能变化不大； • ——在250℃左右时，发生兰脆现象； • ——约260~320℃时，发生徐变现象； • ——约430~540℃时，钢材强度急剧下降； • ——在600℃时，钢材强度很低，不能承载； • ——当温度达到150℃时，结构表面要加隔热层， 在兰脆区进行热加工时，钢材可能产生裂纹。
类型
类型 明管 地下埋管 砼坝身管道 特点 埋入岩体中 依附于坝身 材料 不衬、锚喷、砼衬、 钢衬砼衬砌 钢筋砼、钢衬钢筋砼 结构 暴露在空气中 钢管、钢筋砼
1 坝内管道
2 坝上游面管道
3 坝下游面管道 备注 沟埋管、土坝下埋管、木管、铸铁 观等已经很少见
压力管道的供水方式和水力计算
• （一）供水方式 • （二）压力管道直径选择 • （三）水力计算
重复荷载作用
wk.baidu.com• ——在连续重复荷载作用下，钢材的抗 力和性能会发生变化，钢材的破坏强度 低于静力荷载作用下的抗拉强度，将发 生疲劳破坏，呈现突发性的脆性破坏特 征。
工艺性能
• ——要求：冷弯时的塑性变形、冷作强化和冷 脆等限制在允许范围内，可焊性好，焊接工艺 简单，焊缝和热影响区不产生裂纹，无残余应 力，具有不低于母材的机械性能；