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第十三章水电站的压力管道第四节钢管的材料、容许应力和管身构造一、钢管的材料钢管的受力构件有管壁、加劲环、支承环及支座的滚轮和支承板等。管壁、加劲环、支承环和岔管的加强构件等应采用经过镇静熔炼的热扎平炉低碳钢或低合金钢制造，如A3、16Mn，和经过正火的15MnV和15MnTi。滚轮可用A3、A4、A5、16Mn或35、45等优质钢材。近年来，我国一些大型水电站已开始采用屈服点为60～80的高强度钢材制造钢管。对于焊接管，钢材的基本性能包括机械性能、加工性能和化学成分等方面。（一）机械性能机械性能一般指钢材的屈服点,极限强度、断裂时的延伸率ε和冲击韧性。在屈服点内，钢材的应力与应变存在线性关系，即处于弹性工作状态。当应力超过时，材料发生蠕变，即使外荷载不再增加，变形仍继续发展，形成所谓流幅。对于普通低碳钢，当相对变形。达到2.5％-3％后，材料进入第三工作阶段，即自动强化阶段，钢材重新获得承受较高荷载的能力。极限强度是与试件破坏前的最大荷载相对应的应力。流幅的存在是普通碳素钢的一个重要特性，它能使结构应力趋于均匀，排除结构因局部应力太大而过早破坏。因此，流幅是提高结构物安全度的一种因素。当应力达到时，虽然不会引起结构破坏，但因变形过大，结构物可能已无法正常工作，应认为是容许使用应力的上限。普通低碳钢的极限强度超过值55％～95％。若较低，由于变形等因素的限制，容许应力不能采用得过高，材料的充分利用受到限制；若较高，则材料的塑性降低，因此与σ不的最优比值（最优屈强比）在0.5～0.7范围内。延伸率ε是试件实际破坏时的相对变形值，代表材料的塑性性能。普通碳素钢的ε约为20％～24％。钢材的脆性破坏和时效硬化趋向及材料抗重复荷载和动荷载的性能用冲击韧性表示。冲击韧性通过试验确定，其值应不小于表13-1的数值。冲击韧性随温度的下降而下降。冲击韧性开始剧烈下降时的临界温度称冷脆点。选择钢材时应注意使结构物的正常运行温度不低于其冷脆点。（二）加工性能钢材的加工性能主要指辊扎、冷弯、焊接等方面的性能，应通过样品试验确定。冷弯性能对于制造钢管的钢材特别重要，因为制造钢管的基本作业是辊轧和弯曲。经过冷作的钢板因有塑性变形，故发生冷强，继而时效硬化，钢材变脆。焊接性能指钢材在焊接后的性能，应保证焊缝不开裂，也不降低焊缝及相邻母材的机械性能（如强度、延伸率、冲击韧性等）。钢管在制造过程中，辊轧、弯曲、焊接等工艺使材料的塑性降低，并产生一定的内应力。为了消除上述不良影响，当管壁超过一定厚度时需进行消除内应力处理。（三）化学成分钢材的化学成分影响钢材的强度、延伸率和焊接性能。当碳素钢的含碳量超过0.22％时，硬度急剧上升，上升，塑性和冲击韧性降低，可焊性恶化。硅的存在有同样影响，含量应限制在0.2％以内。镍和锰能够提高钢材的机械性能。硫的存在降低钢材的强度，使钢材热脆，含硫量高的钢材不宜进行热处理。磷的存在使钢材冷脆，含磷量高的钢材不宜用于制作在低温下工作的钢结构。溶解于钢材中的氮和氧也使钢材变脆。对以上各种杂质都应加以限制。我国制造压力钢管最常采用的是3号镇静碳素钢和16Mn低合金钢。前者的机械性能和化学成分见国家标准，GB700-79，后者见冶金部标准YB13-69。二、容许应力钢材的强度指标一般用屈服点表示。钢材的容许应力[σ]一般用除以安全系数K获得，或用的某一百分比表之。不同的荷载组合及不同的内力、应力特性应采用不同的容许应力。压力钢管的容许应力按表13-2采用。对于高强度钢材，若屈服点与抗拉强度之比值（屈强比）大于0.67,应以=0.67计算容许应力。又，坝内埋管膜应力区在特殊荷载组合下的容许应力取为0.9者，仅适用于按明管校核情况，其余情况均用0.8。参阅水电站压力钢管设计规范(SD144-85）。三、管身构造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。焊接管是用钢板按要求的曲率辊卷成弧形，在工厂用纵向焊缝连接成管节，运到现场行再用横向焊缝将管节连成整体。内水压力是钢管的主要荷载，纵缝受力较大，在工厂焊接后应以超声波法或射线法作探伤检查，以保证纵缝的焊接质量。在焊接横缝时，应使各管节的纵缝错开，见图13-2。对于明管，纵缝不应布置在横断面的水平轴线和垂直轴线上，与釉线的夹角应大于10°,相应的弧线距离应大于300mm。图13-2纵缝和横缝示意图管壁厚度一般经结构分析确定。管壁的结构厚度取为计算厚度加2mm的锈蚀裕度。考虑制造工艺、安装、运输等要求，管壁的最小结构厚度不宜小于（13-4）式确定的数值δ（mm）≥D/800十4（13-4)，式中D--钢管直径，mm。但是，也不宜小于6mm。为了消除辊卷和焊接引起的残余应力，符合下列条件之一者应在卷板和焊接后作消除残余应力处理：（1）结构厚度超过下列数值：A3-42mm；16Mn-38mm；15MnV和15MnTi-36mm。（2)冷加工成型的管壁厚δ符合下列情况：A3和16Mn：D≤33δ；15MnV和15MnTi：D≤408。（3)岔管等形状特殊的构件钢管安装完毕后的椭圆度（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％。