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1、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第1页/共88页钢 管第2页/共88页钢筋混凝土管第3页/共88页聚酯材料管聚酯材料管 木管木管第4页/共88页第二节 压力管道的布置和供水方式第5页/共88页一、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
2、统一考虑。路线尽可能短、直。(经济，hf和H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R3D。明钢管首部设事故闸门，并考虑事故排水等。第6页/共88页二、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。第7页/共88页三、供水方式1单元供水：一管一机。不设下阀门。优点
3、：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。第8页/共88页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。第9页/共88页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10页/共88页第三节 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
4、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第11页/共88页非恒定流计算：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)第12页/共88页二、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46m/s，最大不超过7m/s，Ae=Qmax/Ve
5、第13页/共88页第四节 钢管的材料和管身构造 第14页/共88页一、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：Q235C、D级碳素结构钢，Q345C、D级及Q390C、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。第15页/共88页明管支座辊轮可采用下列钢种：Q235A、B
6、、C级钢；Q345A、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。第16页/共88页二、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(射线、超声波)第17页/共88页(二)钢材性能要求1、机械性能屈服强度s、抗拉强度b；塑性指标：断裂时的延伸率、断面收缩率；冲击韧性ak。要求强度高、塑
7、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，=32mm40mm，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。第18页/共88页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、焊接性能，含碳不要过高(脆)，含硫量和含硅量也不能高。第19页/共88页三、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 =s/K不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力。应力区域应力区域膜应力区膜应力
8、区局部应力区局部应力区荷载组合荷载组合基本基本特殊特殊基本基本特殊特殊产生应力的内力产生应力的内力轴力轴力轴力轴力轴力和轴力和弯矩弯矩轴力轴力轴力和轴力和弯矩弯矩允允许许应应力力明钢管明钢管0.55s0.7s0.67s0.85s0.8s1.0s地下埋管地下埋管0.67s0.9s坝内埋管坝内埋管0.67s0.8s0.9s按明管校核情况按明管校核情况第20页/共88页四、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：D60cm；国外：D120cm。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
9、)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。第21页/共88页钢管纵横缝布置第22页/共88页l钢管最小厚度：钢管最小厚度：min(D/800+4)mm，或，或6mml防腐、防锈措施：防腐、防锈措施：涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度2mm。第23页/共88页第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备 第24页/共88页 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。第2
10、5页/共88页连续式布置：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。第26页/共88页 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=612m，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。第27页/共88页(1)滑动式支墩鞍式(saddle support)：包角：90120，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(slidding ring girder
11、 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，D2m。第29页/共88页(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。第30页/共88页三、镇墩(anchor block)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。第31页/共88页 封闭式封闭式 开
12、敞式开敞式 镇墩的两种形式第32页/共88页四、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。第33页/共88页第34页/共88页第35页/共88页 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：第36页/共88页3、拟定镇墩尺寸镇墩的尺寸应能够将
13、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0.40.8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。第37页/共88页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：第38页/共88页6、
14、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maxR，最小值min0，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 第39页/共88页五、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。第40页/共88页(1)蝴蝶阀(Butterfly Valve)优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小，
15、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 第41页/共88页(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。第42页/共88页世世界界上上最最大大的的球球阀阀第43页/共88页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(为什么？)伸缩节的型式较多，常见的几种见下页图。第44页/共88页伸缩节的几种形式(a)套筒式伸缩节套筒式伸缩节 (b)波纹密封套筒式
16、伸缩节波纹密封套筒式伸缩节(c)压盖式限拉伸缩节压盖式限拉伸缩节 (d)波纹管伸缩节波纹管伸缩节第45页/共88页伸缩节动画第46页/共88页 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47页/共88页第六节 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
17、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。第48页/共88页明钢管的荷载计算公式第49页/共88页 明钢管荷载组合 序序号号荷载荷载基本荷载组合基本荷载组合特殊荷载组合特殊荷载组合正常运行正常运行放空放空特殊特殊运行运行水压水压试验试验施工施工充水充水地震地震(一一)(二二)1 1内内水水压压力力正常蓄水位的静水正常蓄水位的静水压力压力正常工况最高压力正常工况最高压力特殊工况最高压力特殊工况最高压力水压试验内水压力水压试验内水压力2 2钢管结构自重钢管结构自重3 3钢管内的满水重钢管内的满水重4 4钢管
18、充水、放水过程中，钢管充水、放水过程中，管内部分水重管内部分水重5 5温度变化引起的力温度变化引起的力第50页/共88页明钢管荷载组合序序号号荷载荷载基本荷载组合基本荷载组合特殊荷载组合特殊荷载组合正常运行正常运行放空放空特殊特殊运行运行水压水压试验试验施工施工充水充水地震地震(一一)(二二)6 6管道直径变化处、转弯管道直径变化处、转弯处及作用在堵头、闸阀、处及作用在堵头、闸阀、伸缩节上的水压力伸缩节上的水压力7 7镇墩、支墩不均匀沉陷镇墩、支墩不均匀沉陷引起的力引起的力8 8风荷载风荷载或或9 9或或9 99 9雪荷载雪荷载1010施工荷载施工荷载1111地震荷载地震荷载1212管道放空时
19、，管内外气管道放空时，管内外气压差压差第51页/共88页二、管身应力分析和结构设计钢管管壁厚度估算用锅炉公式初拟管壁厚度根据规范要求，焊缝系数一般取为0.90.95，允许应力取钢管材料允许应力的85%。考虑钢管运行期间的锈蚀、磨损及钢板厚度误差，实际=+2mm（锈蚀厚度）由于制造、运输、安装等要求有一定的刚度，因而需要限制管壁的最小厚度min。min=D/800+4(mm)，且不宜小于6 mm。第52页/共88页管壁应力计管壁应力计算坐标系算坐标系 应力分析的四个基本断面第53页/共88页 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11：只有整体弯距作用，且
20、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22：整体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33：由于加劲环的约束，存在局部应力；支承环及其旁管壁，断面44：应力最复杂，存在整体弯距和剪力(支承反力)的作用，有局部应力。第54页/共88页(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，剪力为零。1径向应力 管壁内表面:，“-”表示压应力。管壁外表面：第55页/共88页2切向(环向)应力 设压力水管中心处的水头为H，而水管轴线与水平面的夹角为，则在管壁中任意一点(该点半径与管顶半径的夹角为)的水头为 压
21、力管道水压力分布及管壁微圆弧的受力平衡图压力管道水压力分布及管壁微圆弧的受力平衡图第56页/共88页因此推导出环向拉力和环向拉应力1简化为：第57页/共88页3轴向应力 =法向力引起的轴向弯曲应力 +轴向作用力引起的轴向应力 法向力引起的弯矩和剪力法向力引起的弯矩和剪力 第58页/共88页均布荷载作用下连续梁内力分布第59页/共88页(1)法向力作用引起的管壁轴向应力 M水重和管重的法向分力作用下连续梁的弯矩；W连续梁(空心圆环)的断面模数，(2)轴向力引起的轴向应力 在轴向力的合力A作用下，管壁中产生的轴向应力为，管壁的断面积为F，则 第60页/共88页 1-1 断面应力状态图形第61页/共
22、88页(二)(2)-(2)断面的管壁应力(2)-(2)断面虽然靠近支承环，但在支承环的影响范围之外，即不考虑支承环对管壁的约束作用。为了安全起见，认为该断面的弯矩和剪力与支承环断面相等。跨中断面和支承环断面的管道弯矩大小相等，方向相反，支承环处存在剪力V。所以在垂直于管道轴线的横断面上剪应力的计算公式为第62页/共88页式中 V管重和水重法向分力作用下连续梁的剪力;SR计算点以上管壁环形截面积对重心轴静矩,；b受剪截面宽度，；J截面惯性矩，。当=0(管道顶部)和=180(底部)时，=0；当=90(侧面中点)时，达到最大值 断面(2)-(2)的其他正应力r、和x均与断面(1)-(1)相等，但符号
23、不尽相同。第63页/共88页 2-2 断面应力状态图形第64页/共88页(三)加劲环及其旁管壁，断面(3)-(3)管壁应力 第65页/共88页管壁变形图第66页/共88页1、轴向应力支承环处的管壁由于支承环的约束，在内水压力作用下发生局部弯曲，因此，与断面2-2相比，增加了局部弯曲应力x2，切向应力也因支承环的影响而改变。支承环在管壁中引起的局部弯曲应力随离开支承环的距离而很快衰减，因此影响范围不大。影响范围的等效宽度为：式中 r和管道的半径和管壁的厚度;第67页/共88页由壳体理论和变形协调方程，可以求出管壁处的局部剪力Q和局部弯矩M：Q=lHP M=0.5(l)2HP =(Fk-a)/(F
24、k+2l)其中：Fk为加劲环的净面积。所以：x2=6M/2=1.82HPD/2 =1.821(内壁受拉)第68页/共88页2、剪应力xr管壁的内缘和外缘，xr=0管壁的中心：xr=3Q/23、环向应力2由内水压力和局部剪力所引起，所以：因为 所以第69页/共88页断面(3)-(3)各应力的方向和分布第70页/共88页(四)支承环及其旁管壁，断面(4)(4)的管壁应力 支承环由于承担管重和水重法向力Q而在支墩处引起的支承反力R，从而在支承环内产生附加应力。1支承环的支承方式 侧支承和下支承两种形式。图中点划线为支承环有效截面重心轴，它与圆心距离为半径R，支墩支承点至支承环截面有效重心轴距离为b，
25、支承反力为Q/2cos。第71页/共88页 当采用侧支承时，根据理论分析，在设计时取b=0.04R，可使环上最大正弯矩与最大负弯矩接近相等，则钢材性能得到最充分的发挥。第72页/共88页2 支承环所承受的荷载 (1)管重和水重法向分力产生的剪力；管重和水重在支承环两侧管壁上产生的剪应力均为 ，因此沿管壁圆周单位长度上作用在支承环上的剪力为 (2)支墩两侧的反力0.5Q，钢管一般都是倾斜布置，支承反力为 ；(3)支承环自重，但相对较小，可以不计。第73页/共88页3支承环内力计算支承环的内力计算常采用结构力学中的弹性中心方法进行。因为钢管断面是一个对称圆环，是一个三次超静定结构，可用弹性中心法计
26、算支承环上各点的内力。要进行支承环截面的内力计算，实际上是要计算一个封闭圆环各断面上的弯矩MR、剪力TR和轴力NR。第74页/共88页支承环计算简图支承环计算简图 第75页/共88页b=0.04R时支承环内力图图中弯矩画在受拉一边，正的图中弯矩画在受拉一边，正的MR表示支承环外侧受表示支承环外侧受拉，正的拉，正的NR表示拉力，正的表示拉力，正的TR方向如方向如。第76页/共88页计算出支承反力产生的弯矩MR、轴力NR和剪力TR后，它们所产生的应力分别为ZR计算点与重心轴的距离；计算点与重心轴的距离；JR支承环有效截面对重心轴的惯性矩；支承环有效截面对重心轴的惯性矩；WR支承环有效截面对重心轴的
27、面积矩；支承环有效截面对重心轴的面积矩；SR支承环有效截面上，计算点以外部分对重支承环有效截面上，计算点以外部分对重心轴的静矩；心轴的静矩；a支承环腹板厚度；支承环腹板厚度；F支承环有效截面积，包括管壁等效翼缘支承环有效截面积，包括管壁等效翼缘 第77页/共88页断面(4)-(4)各应力的方向和分布第78页/共88页明钢管管身应力计算公式汇总第79页/共88页(五)、管身强度校核钢管为三维受力状态，计算出各个应力分量后，应按强度理论进行校核。如果不满足强度要求，则重新调整管壁厚度和支墩间距，再重新计算，直到满足强度条件。目前多采用第四强度理论。v目前电力行业规范采用极限强度理论验算钢管的目前电
28、力行业规范采用极限强度理论验算钢管的强度，各项荷载给出分项系数，验算承载能力极强度，各项荷载给出分项系数，验算承载能力极限状态。限状态。第80页/共88页1.明钢管外压失稳的原因及失稳现象机组运行过程中由于负荷变化产生负水击，而使管道内产生负压；管道放空时通气孔失灵，而在管道内产生真空。管道内部产生真空或负压时，管壁在外部的大气压力下可能丧失稳定，管壁被压瘪。(六)外压稳定校核第81页/共88页2.光滑管段的稳定性 当外压力P增加到临界压力Pcr时，钢管管壁就丧失稳定。临界压力Pcr为 为了安全起见，引入安全系数K，要求：PcrKP。取K=2.0，P=0.1MPa，钢材的弹模E=2105MPa
29、,略去2，则得到光滑钢管段不失稳的条件为：第82页/共88页3、加劲钢管的外压稳定如按上述要求，管径太大时管壁太厚而无法加工，因此可采用在管壁上增加加劲环以提高管壁刚度的措施。(1)加劲环之间的管壁外压稳定性也可以用查图表的方法求临界压力。第83页/共88页(2)加劲环断面的外压稳定两个要求加劲环断面本身不失稳加劲环断面的压应力小于材料的允许值。按光滑管的公式计算，但是等式右边应该除以加劲环的间距L，其他参数用加劲环有效断面计算。第84页/共88页四、地面压力钢管的设计步骤1、线路选择：选择几个方案，进行技术经济比较。2、管径确定：通过动能经济比较，确定经济直径。3、管道布置及附件设计：镇墩、
30、支墩、伸缩节、进人孔、阀门。4、水力计算：(1)恒定流：确定钢管在不同流量下的水头损失。(2)非恒定流：水电站在工况发生变化时，钢管的水击压力。第85页/共88页5、压力钢管结构设计(1)初步拟定管壁厚度(考虑锈蚀厚度)；(2)根据管壁厚度用光滑管外压稳定计算公式进行外压稳定校核，如果不稳定设置加劲环(也可用支承环代替)，并选定其间距；(3)根据加劲环抗外压稳定和横断面压应力小于允许值的要求，确定加劲环的尺寸；(4)进行强度校核，如果不满足要求则增加管壁厚度或缩小加劲环间距。在重复上面的步骤，直到满足要求。6、校核镇墩的稳定及地基应力。第86页/共88页第87页/共88页浙江水专国家精品课程水电站http:/