水电站压力钢管-8 介绍

(1) 滑动式支墩
鞍式(saddle support)：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D<1m。 支承环式(slidding ring girder support)：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，D<2m
15MnV、15MnTi。滚轮可采用A3、A4、A5、
16Mn或35、45等优质钢材。
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)；
当于一个多跨连续梁.
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。
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。
(2) 滚动式(rolling ring girder support)
在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，摩擦系数f小， 适用于D>2m。
(3) 摆动式(rocking ring girder support)
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(anchor block)
世 界 上 最 大 的 球 阀
四、钢管上的闸门、阀门和附件
2、伸缩节(expansion joint) 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。
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
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 3
5.2Qmax D H

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。
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。
检查焊缝(γ射线、超声波)
二、钢材性能的要求
(二) 钢材性能要求
1、机械性能 屈服强度ζs 、抗拉强度ζb ；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HD>600m2，δ=32mm～40mm，不易加工。
联合供水
分组供水
第三节
一、水力计算
水力计算和经济直径的确定
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。
封闭式
开敞式
三、镇墩(anchor block)
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。
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。
一、管身应力分析和结构设计
1、四个基本断面
一、管身应力分析和结构设计
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》。
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
第七节 管身应力分析和结构设计
7
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/Ve
第四节
钢管的材料和管身构造
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
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。
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。
暴露在空气中(无压引水式电站)
地下埋管（隧洞埋管) : 埋入岩体。(有压引水电站)
混凝土坝身埋管： 依附于坝身(混凝土重力坝及重 钢筋混凝土结构、钢衬钢筋 力拱坝)，包括：坝内管道、 混凝土结构 坝上游面管、坝下游面管
第一节
压力管道的类型
钢管管节
钢筋混凝土管
第一节
压力管道的类型
聚酯材料管
木管
第二节 压力管道的布置和供水方式
四、管身构造
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。
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
(d)波纹管伸缩节
伸缩节动画
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
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.
三、供水方式
单元供水
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。
二、压力管道引进厂房的方式
(a)、(b) 正向引进
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。
三、镇墩(anchor block)
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
按布置方式分 明管：
压力管道的类型
按材料分 钢管(大中型水电站) 钢筋混凝土管(小型电站) 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
(c)、(d) 纵向引进
(e) 斜向引进
压力水管引进厂房的方式
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
三、供水方式
2．联合供水：
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。
四、钢管上的闸门、阀门和附件
(1) 蝴蝶阀(Butterfly Valve) 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
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。
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。
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。
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
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
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。
钢管管壁厚度估算
锅炉公式初拟管壁厚度
PD HD 2 2
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6 mm