压力管道总论及明钢管——水电站.ppt
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1、电站整体示意图,第三章 压力管道总论及明钢管,3.1 压力管道的功用和类型3.2 压力管道的供水方式与水力计算3.3 钢管的材料、容许应力和管身构造3.4 明钢管线路选择和布置3.5 镇墩结构分析3.6 明钢管闸门、阀门和附件3.7 明钢管的管身应力分析及结构设计3.8 明钢管的抗外压失稳计算,3.1 压力管道的功用和类型,水轮机,水库,引水管道末端的前池,调压室,有压状态,全部或大部分水头,压力管道的概念,对坝式电站,压力管道的起点一般是水库进水口;对无压引水式的电站,压力管道的起点一般是压力前池;对有压引水式电站,压力管道的起点一般是从调压室开始。,坝式水电站,无压引水式水电站,压力管道,
2、压力管道,有压引水式水电站,调压室,坡度陡 承受电站的最大水头,且承受水锤产生的动水压力比较大。靠近厂房,因此它必须是安全可靠的,万一出现事故,将直接危及厂房安全。基于以上特点,压力管道的经济性和安全性在水电站设计过程中受到特别重视。,压力管道的特点,压力管道的基本参数,压力管道的主要荷载是内水压力,在工程上,管道内径 D(m)和水头 H(m)及其乘积 HD(m2)值是标志压力管道规模及其技术难度的最重要特征值。随着国内外越来越多的大型常规电站和抽水蓄能电站的兴建,管道的HD值急剧增长,压力管道日益向着巨型化和超巨型化发展。,三峡工程,坝式电站,D12.4m,H140m,HD1730m2;山西
3、西龙池抽水蓄能电站D3.5m,H1015m,HD3552m2;国外HD值最高的出现在抽水蓄能电站,已超过5000m2),按材料分,按布置方式分,压力管道的类型,露天式(明钢管),地下式(地下埋管),混凝土坝身管,钢管,钢筋混凝土管,钢衬钢筋混凝土管,压力管道,中高水头电站,中小型电站,HD值较大电站,木管,应用较少,木管,钢筋混凝土管,钢管管节,明管(exposed penstock):暴露在空气中,一般在引水式地面厂房电站中采用。按照材料的不同,明管可分为:a钢管,白山二期电站的压力管道 b钢筋混凝土管:普通钢筋混凝土管因易于开裂,在工程中应用很少,一般只用在HD值50m2的电站。c钢衬钢筋
4、混凝土管:钢衬与外包钢筋混凝土联合承载,可减小钢衬厚度;按限裂设计,充分发挥钢筋作用,适用于HD值较大的电站。云南的依萨河电站是我国第一个采用地面式钢衬钢筋混凝土管的电站。,明管示意图,为了使管壁受力均匀,支座处管壁加支承环;为保持钢管抗外压稳定,有时在支承环间加设加劲环。,地下埋管(underground penstock):埋藏于地下岩层中的钢管,它可以是斜的,垂直的,因此也被称为斜井,竖井。地下埋管是大中型水电站中应用最多的一种压力管道。目前,国内外装机容量为100万kW以上的常规水电站和抽水蓄能电站中,大部分采用了地下埋管。特点:这种管道布置灵活,能和围岩共同承担水压力,并且运行不受干
5、扰,维护简单。但是在地下水压较大的地方,管道受外压失稳的威胁比较大,因此对地下埋管一般需要进行衬砌。,地下埋管示意图,按照衬砌形式的不同,将地下埋管分为以下四类:,混凝土坝身管:这种管道形式一般依附于坝身,并且在混凝土坝后式水电站中应用非常广泛。特点:它由于进水口设于坝体,结构紧凑简单,因此引水长度最短,水头损失小,机组调节保证条件好。但是管道的安装会干扰坝体施工,同时,坝内埋管空腔会削弱坝体,使坝体应力恶化。,混凝土坝身管按照管道在坝身上的不同位置,可以分为以下三类:,a坝内埋管(penstock embedded in dam),b坝上游面管(penstock laid on upstre
6、am surface of dam),c坝下游面管(penstock laid on downstream surface of dam),布置在坝体内部,多为坝后式或坝内式厂房采用。布置型式有竖井式和斜井式。工程实例:直径最大的是广西红水河岩滩电站钢管,d=10.8m。,坝内埋管,坝后式厂房,坝内式厂房,管道大部分位于水库内,检修维护很困难,在国内工程中很少使用,比较典型的是伊朗的卡比尔水电站。,坝上游面管,由于进水口较高,减少了对坝体的削弱,同时有利于保持大坝的整体性,因此在工程中应用很广泛。在我国东江和紧水滩水电站都采用了这种型式。,坝下游面管,压力管道类型小节,管道与厂房的相对位置主要
7、取决于整个厂区枢纽布置中各建筑物的布置情况,另外水电站机组往往不止一台,压力管道可能有一根或数根,压力管道向机组的供水常有这样三种类型:,3.压力管道的供水方式与水力计算,压力管道的供水方式,压力管道的供水方式,单元供水 联合供水 分组供水,1单元供水:一管一机。机组前不设快速阀门。优点:结构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好,易于制作缺点:相同水头损失下,造价较高布置:平面尺寸大,与前室、调压室连接困难适用:(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,压力管道的供水方式,2联合供水:一根主管,向多台机组供水。单机规模大,多分岔管。机组前设快速阀门。优点:相同水头损失下,造
8、价较低缺点:结构复杂(岔管)、灵活性差布置:较容易适用:广泛应用于地下埋管和明管,机组数较少、单机流量较小、引水道较长。,压力管道的供水方式,压力管道的供水方式,2分组供水:设多根主管,每根主管向数台机组供水。单管规模适中,少分岔管。设快速阀门。造价:介于前两种之间布置:介于前两种之间适用:广泛应用于地下埋管和明管。压力水管较长,机组台数多,单机流量不大的情况。,供水方式选定以后,每条管道通过的流量也随之确定,接着应对管道直径进行选择。由于管道费用较高,直径越小,管道用材及造价越低,但管中流速越大,水头损失与发电损失也越大。因此管道直径应进行经济比较选定。,压力管道直径的选择,压力管道的直径通
9、过动能经济计算确定。一般做法是:初拟几个直径,进行动能经济比较,选定最优直径。初设时可用下列经验公式初定管道直径。,Qmax钢管的最大设计流量,单位:m3/sHp设计水头,m。,压力管道直径的选择,K为系数,它与摩阻、材料价格、折旧费、维修费、电价、管道年运行小时等因素有关。,1、恒定流计算:主要是为了确定管道的水头损失,它包括摩阻损失和局部损失。(1)摩阻损失:(曼宁公式);每米管长内摩阻损失。,(2)局部损失(包括进口、拦污栅、门槽、渐变段、弯段、分岔管等处局部损失):,压力管道水力计算,:局部损失系数;,2、非恒定流计算:即水锤计算(七、八、九章)()确定最高压力线及其分布:正常工况(上
10、游正常高水位,机组丢弃全负荷)特殊工况(上游最高发电水位,机组丢弃全负荷)()确定最低压力线及其分布:,最低压力线上游最低发电水位,即死水位时,电站最后一台机组投入运行,或是机组丢弃负荷由正水锤反射而成的负水锤。校核管线布置时要求管顶至少应在最低压力线以下2m。,压力钢管长期承受高的内水压及力以及水锤冲击等动力作用,属于压力容器类结构,对材料要求严格,早期压力钢管事故多为选材不当所致。,3.3 钢管的材料、容许应力和管身构造,钢管的受力,管道的受力构件有管壁、加劲环、支承环、支座滚轮、支承板等。,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
11、。制作过程:板裁:冷卷、辊压成形;现场焊接(焊前对钢材和焊接材料进行材质检验、可焊性试验,保证材料质量);检查焊缝(射线、超声波),压力管道的工作特点和制作程序,钢材的屈服强度抗拉强度(屈强比/)断裂时的延伸率冲击韧性(反映材料抵抗冲击能力)塑性指标(伸长率和断面收缩率),机械性能,辊轧冷弯(塑性变形、冷作强化、冷脆)焊接(工艺简单,无裂纹和残余应力),加工性能,化学成分:主要是钢材的化学和合金的含量方面的要求。它们影响钢材的强度、焊接性能。例如含碳不要过高(脆),硫、磷等有害元素需严格控制。,钢材的基本性能,机械性能:一般来说,强度越高,塑韧性越差。对于压力钢管这样的容器,良好的塑韧性十分重
12、要,它能使结构应力趋于均匀,减少应力集中,提高承载力,防止脆断,增加安全性,有利于冷加工成型和焊接。宁可强度低而保证塑韧性高。举例来说:A3 钢塑韧性好,但容许应力(240)低;16Mn钢强度较高(330),但塑韧性差。当HD值不够大时,选择 A3钢;只有当 HD600m2,=32mm40mm,A3 钢不易加工时采用16Mn。,常用钢材,高强钢,钢管一般采用镇静溶炼的热轧平炉低碳钢或低合金钢。,常用钢材,我国:,日本:,美国:,原苏联:,高强钢 A517,1、优点:工艺简单,价格不贵。加工和焊接性能良好。就是钢材屈服强度不高。一般 A3、16Mn不需论证,可直接采用。2、缺点:随着水电站钢管参
13、数的提高,常用钢材已不能满足要求,如继续采取强度等级低的钢材,钢板厚度必然增加。当厚度增加到一定程度时,加工焊接和运输都会出现困难,造价也将增加。要改善这一状况,必须采用强度等级高的钢材。,常用的钢材优缺点,高强钢优缺点,1、优点:经济上有利。钢管厚度可以减薄,用材量少,运输、加工、焊接、安装等费用可降低,总成本相对较低。另外,由于重量轻,有利于将管节焊成较长管段进行安装,可缩短工期。2、缺点:含有镍、铝等合金元素,价格高,焊接较困难。注:若采用高强钢,要有充分的论证。,钢材的容许应力,水电站钢管多按允许应力设计,允许应力常以钢材屈服强度百分比表示。,安全系数 K可参考有关规范。,对基本荷载组
14、合,对明管和钢管膜应力区,K取大值,即取小值;对特殊荷载组合,对埋藏式钢管和钢管的局部应力区,K取小值,即取大值;对于屈强比大的钢材,试用新钢材和弯管、岔管或特别重要的部位,需适当降低;另外,焊缝强度的折减系数,应根据焊缝类别和探伤要求,取为0.900.95。,第四强度理论:,其中:焊缝系数一般可取0.9-0.95,与焊缝方法、探伤标准、建筑物等级有关。,可忽略时,强度校核可近似表示作:,钢材的强度校核,钢管环向,径向和轴向应力;,钢管各方面剪应力;,压力钢管按其构造又分为无缝钢管、焊接管和箍管,其中焊接管应用最普遍。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。
15、国内:D60cm;国外:D120cm。适用高水头小流量电站。,管身构造,钢管管节,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。,焊接管,3、箍管:钢管外加钢箍。应用少。直径一般不大于3.0m。当HD1000m2时,钢板厚度一般会超过40mm,对如此厚的钢板进行焊接和压卷很困难,常采用箍管,由管壁与管箍共同承担内水压强。在光滑的无缝钢管或焊接管上套管箍,可减小壁厚。钢管最小厚度:min(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2m
16、m。,箍管,教材中对焊接管一些最主要的构造要求作了说明,如(最小壁厚、管径变化、焊缝要求、椭圆度、管壁防锈厚度等),进行具体设计时需查阅有关规范。,比如:对于明钢管,1.纵缝不应布置在横断面的水平轴线和垂直轴线上,与轴线的夹角应大于10o。2.管壁最小结构厚度为:,也不宜小于6mm。并且要考虑 2mm 锈蚀厚度。3.钢管安装完毕后,其椭圆度(即相互垂直的两管径的最大差值与标准管径之比)不得超过0.5%等。,主要的构造要求,3.4 明钢管线路选择和布置,明管线路选择,(1)管道线路应尽可能短而直,以降低造价,减少水头损失,降低水锤压力和改善机组运行条件。(2)选择良好的地质条件,使钢管支承在坚固
17、的地基上。避开可能滑坡和崩塌的地段,以及对个别地段采取切实可靠的防护措施。(3)尽量减少管道线路的起伏波折。管线应避免与交通线路或其他管道交叉,不可避免时设专门桥涵互相隔离并采取其他安全措施。,明管的线路选择应与水电站引水系统中其他建筑物,特别是前池或调压室还有和水电站厂房的布置统一考虑.,正向引进:钢管轴线与厂房纵轴线垂直。优点:水流平顺,水头损失小。缺点:管道破裂,高压水流对厂房和人员的威胁大。适用:中低水头电站;高水头增加防护措施,斜向引进:介于正向引进和纵向引进之间。当地形、地质、引水系统及厂房布置要求适宜时采用这种布置方式。适用:分组供水和联合供水的水电站,纵向引进:钢管轴线与厂房纵
18、轴线平行。优点:减轻了对厂房人员威胁。缺点:水头损失增加,开挖量增加适用:高中水头电站,明管布置,一、明钢管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,支墩仅起支承管身的作用,管身可在支墩的支座上移动;转弯处设镇墩,将水管完全固定,相当于梁的固定端。按两镇墩间是否设伸缩节,明钢管敷设方式可划分为:,明钢管敷设和支承方式,连续式,分段式,明钢管敷设方式示意图,连续式:两个镇墩之间的管段是连续的即不设伸缩节。由于水管两端受镇墩的约束,所以当温度变化时,管壁中会产生很大的温度力,对镇墩的稳定不利。除了在特殊部位,一般很少采用这种方式。,分段式:在两个镇墩之间的钢管上设置一个伸缩节。为
19、减少伸缩节内内水压力和便于安装钢管,伸缩节宜设在靠近镇墩的下游侧。当温度变化时,水管可以沿轴线方向自由伸缩,从而消除了管壁内的大部分温度应力,也减小了作用在镇墩上的作用力,同时还能适应少量的不均匀沉陷和变形。,(一)支墩1、作用:支承钢管,承受管重和水重的法向分力,相当于梁的滚动支承。温度变化时允许水管在轴向自由移动。2、类型:支墩按其支座与管身相对位移的特征分:滑动式支座(鞍式、支承环式);滚动式支座;摇摆式支座。,明钢管的支墩和镇墩,支墩,鞍形滑动式支座:将管道直接支承在一个鞍形的混凝土支座上,包角为90o-120o。其结构简单,但管身受力不均匀,摩擦力大(支座上铺钢板,同时接触面加润滑剂
20、),适用于直径小于1m的钢管。,支承环式滑动支墩:钢管通过支承环放置在鞍形支墩上,改善了支承部分管壁的受力不均匀现象,适用于直径小于2m的钢管。,滚动式支座特点是在支承环与支承面之间设置圆柱形辊轴,摩擦系数小,常用于垂直荷载较小而管径大于米的钢管。,摆动式支座在支承环和支承面之间设一个可以摆动的短柱,其下端与支承板铰接,上端以圆弧面与支承环的上托板接触,钢管变形时,短柱前后摆动,摩擦力很小,用于管径大于米的钢管。,(二)镇墩 1、作用:将钢管固定在山坡上,主要承受因管道转弯而产生的轴向不平衡力,不允许管道在镇墩处发生任何位移。镇墩是依靠自重来维持稳定。2、布置:在水管转弯处,直线段不超过150
21、m。若超过可在其间加设镇墩;若管道纵坡较缓,也可不加镇墩,而将伸缩节置于该管道中部,以减少管身与支墩间摩擦力引起的钢管轴力。,支承环,镇墩,支墩,伸缩节,加劲环,3、类型:镇墩依靠本身重量固定钢管,一般用混凝土浇制,按钢管在镇墩上的固定方式,分为封闭式和开敞式两种形式。,将弯管段用锚拴锚在管道下部的混凝土墩上,镇墩处管道受力不均匀,但易于管道检修。应用较少。,将弯管段整个埋在混凝土中,在镇墩表面布置温度筋,钢管周围设环向钢筋和一定数量的锚筋。固定管道效果较好,结构简单,镇墩处管道受力均匀。应用广泛。,封闭式,开敞式,环向钢筋和锚筋,锚拴,3.5 镇墩结构分析,内水压力正常蓄水位的静水压力;正常
22、工作情况最高水位(正常蓄水位、丢弃全负荷)特殊工作情况最高水位(最高发电水位、丢弃全负荷)水压试验内水压力(2)钢管结构自重。(3)钢管内满水位。(4)钢管充水、放水过程中,管内部分水重。(5)温度变化引起的力,即伸缩节和支墩的摩擦力。,作用在钢管及墩座上的力和荷载的种类,(6)管道直径变化处、转弯处及作用在闷头、闸阀、伸缩节上的水压力。(7)镇墩、支墩不均匀沉陷引起的力。(8)风荷载。(9)雪荷载。(10)施工荷载。(11)地震荷载。(12)管道放空时通气设备造成的气压差。,计算工况与荷载组合,荷载组合包括基本荷载组合和特殊荷载组合。1、基本荷载组合 正常运行情况一:+(2)+(3)+(5)
23、+(6)+(7)(2)正常运行情况二:+(2)+(3)+(5)+(6)+(7)+(8)或(9)(3)放空工况:(12),2、特殊荷载组合(1)特殊运行情况:+(2)+(3)+(5)+(6)+(7)(2)水压试验情况:+(2)+(3)+(5)(3)施工情况:(2)+(5)+(8)或(9)+(10)(4)充水情况:(2)+(4)(5)地震情况:+(2)+(3)+(5)+(6)+(7)+(11),在进行钢管应力分析时,由于实际情况很复杂,可能有不同情况出现,各作用力并不是在任何情况下同时出现。应根据管道的满水、放空、温升、温降等情况,找出最不利的荷载组合,进行设计。,作用在钢管及墩座上力和荷载,管轴
24、线方向上的力,垂直于管轴线方向上的力,径向水压力,水管自重的轴向分力,作用在阀门上的内水压力,水管转弯处的内水压力,水管直径变化处的内水压力,伸缩节端部的水压力,温度变化时伸缩节填料的摩擦力,温度变化时水管与支墩的摩擦力,水在水管转弯处的离心力,管轴线方向上的力,每米长水管重量;管段计算长度;管轴线与水平线之间的夹角;,(一)水管自重的轴向分力,(二)作用在阀门上的内水压力,P:内水压强;阀门全开时,该力不存在,(三)弯管处的内水压力,(四)水管直径变化处的内水压力,D01,D02:渐缩管最大和最小内径。,(五)伸缩节端部的内水压力,D1,D2:套筒式伸缩节内套管外径和内径。,1:伸缩节止水填
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