第三章压力管道总论及明钢管

——26第八章水电站压力管道第一节压力管道的功用、类型一、功用和特点压力管道是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管，一般为有压状态。其特点是集中了水电站大部分或全部的水头，另外坡度较陡，内水压力大，还承受动水压力的冲击(水锤压力)，且靠近厂房，一旦破坏会严重威胁厂房的安全。所以压力管道具有特殊的重要性，对其材料、设计方法和加工工艺等都有特殊要求。压力管道的主要荷载为内水压力，管道的内直径D(m)和其承受的水头H(m)及其乘积HD值是标志压力管道规模及技术难度的重要参数值。目前最大直径的钢管是巴基斯坦的塔贝拉水电站第三期扩建工程的隧洞内明钢管，直径为13.26m。HD值最高的常见于抽水蓄能电站，已超过5000m2。二、分类压力管道可按照布置型式和所用的材料分类，见表8-1。表8-1压力管道类型按结构型式分按材料分明管(露天式)：布置在地面上钢管，钢筋混凝土管，木管地下埋管：埋入地下山岩中不衬砌，锚喷或混凝土衬砌，钢衬混凝土衬砌，聚酯材料管混凝土坝身管道：依附于坝身，包括：(1)坝内管道；(2)坝上游面管；(3)坝下游面管钢筋混凝土结构，钢衬钢筋混凝土结构，预应力钢筋钢衬混凝土结构其中，明管适用于引水式地面厂房，地下埋管多为引水式地面或地下厂房采用，混凝土坝身管道则只能在混凝土坝式厂房中使用。由于钢材强度高，防渗性能好，故钢管或钢衬混凝土衬砌管道主要用于中、高水头电站；而钢筋混凝土管适用于中小型电站。——27(一)钢管钢管按其自身的结构又可分为：(1)无缝钢管。其直径较小，适用于高水头小流量的情况。(2)焊接钢管。适用于较大直径的情况。焊接钢管由弯成圆弧形的钢板焊接而成，焊缝结构如图8-1所示，一般相邻两节管道的纵缝应错开一定角度，以避免焊缝薄弱点在同一直线上。(3)箍管。当HD1000m2时，钢板厚度一般会超过40mm，其加工比较困难，因而在这种情况下常采用箍管。箍管是在焊接管或无缝钢管外套以无缝的钢环(钢箍，称为加劲环)，从而使管壁和钢箍共同承受内水压力，以减小管壁钢板的厚度。钢管所使用的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参照设计规范选定。(二)钢筋混凝土管钢筋混凝土管具有造价低、刚度较大、经久耐用等优点，通常用于内压不高的中小型水电站。除了普通的钢筋混凝土管外，还有预应力和自应力钢筋混凝土管、钢丝网水泥管和预应力钢丝网水泥管等。普通钢筋混凝土管适用于HD50m2的情况，预应力和自应力钢筋混凝土管的HD可达到200m2，而预应力钢丝网水泥管的抗裂性能好，HD可超过300m2。(三)钢衬钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管是在钢筋混凝土管内衬钢板。在内水压力作用下，刚衬与钢筋混凝土联合受力，从而可以减小钢板的厚度，适用于HD较高的情况。由于钢衬可以防渗，外包的钢筋混凝土允许开裂，有利于充分发挥钢筋的作用。除了表8-1中所列出的压力管道类型以外，还有回填管(多用于尾矿坝排水管)、土坝下埋管、木管、铸铁管等。这些类型的管道目前在大中型水电站中较少采用，但在小型水电站中有时还能见到。图8-1焊缝布置图——28第二节压力管道的线路选择及尺寸拟定一、供水方式压力管道向多台机组供水的方式有三种，即单元供水、联合供水、分组供水。1.单元供水(单管单机)。即每台机组都有一条压力管道供水，如图8-2(a)，不设下阀门。其特点是：结构简单(无岔管)，工作可靠，灵活性好，当某根管道检修或发生事故时，只影响一台机组工作，其它机组照常工作。另外，单元供水的管道易于制作，无岔管，但管道在平面上所占尺寸大，造价高。适用于单机流量大或长度短的地下埋管或明管，混凝土坝身管道也常用这种供水方式。2.联合供水(一管多机)。即一根主管向多台机组供水，在厂房前分岔，在进入机组前的每根支管上设快速阀门，如图8-2(b)。其特点是单管规模大，分岔管多，容易布置，但造价较低，此外一旦主管道检修或发生事故，需全厂停机。适用于单机流量小、机组少、引水管道较长的引水式水电站。地下埋管中开挖距离相近的几根管井多有一定困难，所以常采用这种方式。3.分组供水(多管多机)。即设多根主管，每根主管向数台机组供水，在进入机组前的每根支管上设快速阀门，如图8-2(c)。其特点介于上面两种供水方式之间。适用于压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的地下埋管和明管。钢管首部的快速闸门(阀)和事故闸门(阀)必须在中央控制室和现场设置操作装置，并要求有可靠的电源为其供电。图8-2压力水管的供水方式(a)单元供水(b)联合供水(c)分组供水o—有时可以不设的阀门；×—必须设置的阀门或闸门——29二、明管布置管道与主厂房的关系主要取决于整个厂区枢纽布置中各建筑物的布置情况，常采用的明钢管引近厂房的方式有三种：1.正向引近。如图8-3(a)和(b)，管道的轴线与电站厂房的纵轴线垂直。其工作特点是水流平顺，水头损失小，开挖量小，交通方便，但钢管发生事故时直接危及厂房安全。适用于中、低水头电站。2.纵向引近：如图8-3(c)和(d)，管道的轴线与电站厂房的纵轴线平行。其工作特点是一旦钢管破裂时可以避免水流直冲厂房，但水流条件不太好，增加了水头损失，且开挖工程量较大。适用于高、中水头电站。3.斜向引近。如图8-3(e)，其管道的轴线与电站厂房的纵轴线斜交。其工作特点介于上述两种布置方式之间，常用于分组供水和联合供水的水电站。三、线路选择压力管道的线路选择应结合引水系统中其它建筑物(前池、调压室)和水电站厂房的布置统一考虑，选择在地形和地质条件优越的地段。明钢管线路选择的一般原则为：(1)管道路线应尽可能短而直，以降低造价，减少水头损失，降低水锤压力，改善机组运行条件。因此，地面压力管道一般敷设在陡峻的山脊上。(2)选择良好的地质条件。通常要求山体稳定、地下水位低，避开山崩、雪崩、沉陷量很大的地区、洪水集中的地区、村镇居民区和交通道路等。如果无法满足要求，图8-3压力水管引近厂房的方式(a)、(b)正向引进(c)、(d)纵向引进(e)斜向引进——30要有切实可行的防护措施，若不能避开村镇居民区，要考虑工程对环境的影响。(3)尽量减小管道线路的上下起伏和波折，避免出现负压；如果需要在平面上转弯时，转弯半径可采用2~3倍管道直径D；尽量避免与其它管道或交通道路交叉。(4)水头高线路长的管线，要满足钢管运输安装和运行管理、维修等交通要求。此外，为了避免钢管一旦发生意外事故时，危机电站设备和人身安全，需要设置事故排水和和防冲工程设施。与水渠、道路、输电线、通信线路等交叉时，要设置必要的交叉建筑物和防护设施。沿管线一般要设置交通道路，并有照明设施。根据工程具体情况，可在交通道路沿线设置休息平台、扶手栏杆、越过钢管的爬梯或管底通道等。对于地下埋管，其线路也应选择在地质和地形条件优越的地区，岩石要尽量坚固、完整，要有足够的上覆岩石厚度，以利用围岩承担内水压力。埋管轴线要尽量与岩层构造面垂直，并避开活动断层、滑坡、地下水压力和勇水量很大的地带，以避免钢衬在外水压力作用下失稳，同时应注意施工的便利。进水口应选择在相对优良的地段。如果选用多根管道，相邻管道间的岩体要满足施工期和运行期的稳定和强度要求。四、压力管道直径的选择压力管道直径的确定是压力管道的主要设计内容之一。管道的直径越小，管道的用材和造价越低，但管道中的流速也就越高，水头损失和发电量损失也越大。因此，管道直径的确定不仅是一个技术问题，还是一个经济问题，应通过技术经济比较确定。目前国内外计算压力钢管经济直径的理论公式和经验公式很多，但其基本原理和基本方法都相似。实际设计中，由于有些因素(如施工工艺和技术水平等)无法在计算公式中考虑，所以按照公式计算的结果一般作为参考。通常可以根据已有工程经验和计算公式确定几种直径，再分别进行造价和电量计算，再考虑技术方面的因素后，选择最优直径。在可行性研究和初步设计阶段，也可以用下面的经验公式法或经济流速方法确定压力钢管的直径。(1)经验公式法73max2.5HQD(8-1)式中Qmax——压力管道设计流量，m3/s；——31H——设计水头(包括水锤压力)，m。(2)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。选定经济流速Ve后，根据水管引用流量Q用下面的公式确定管道直径：eVQD13.1(8-2)第三节明钢管的钢管的材料和管身构造一、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：Q235—C、D级碳素结构钢，Q345—C、D级及Q390—C、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。明管支座辊轮可采用下列钢种：Q235—A、B、C级钢；Q345—A、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。二、钢材的性能要求1、机械性能屈服强度σs、抗拉强度σb；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HD600m2，δ=32mm～40mm，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。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——32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。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。表8-2钢材的允许应力应力区域膜应力区局部应力区荷载组合基本特殊基本特殊产生应力的内力轴力轴力轴力和弯矩轴力轴力和弯矩允许应力明钢管0.55σs0.7σs0.67σs0.85σs0.8σs1.0σs地下埋管0.67σs0.9σs坝内埋管0.67σs0.8σs0.9σs按明管校核情况四、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。3、箍管：钢管外加钢箍。4、钢管的结构要求：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。——33第四节敷设方式及附件一、明钢管的敷设方式和支承方式由于明钢管一般长度都很大，所以常分段敷设，即在直线段每隔120~150m或在钢管轴线转弯处(包括平面转弯和立面转弯)设置镇墩，以固定钢管，防止钢管发生位移。在两镇墩间设置伸缩节，其作用是当温度发生变化时，管身可以自由伸缩，从而减小温度应力。伸缩节一般放在镇墩的下游侧。镇墩之间的管段用一系列等间距的支墩支承，支墩的间距由钢管应力分析，并考虑钢管的安装条件、地基条件和支墩型式，经技术经济比较确定。靠近伸缩节的一跨，支墩间距可缩短一些。管身离地面不小于60cm，以便于维护和检修。这种敷设方式的水管受力明确，在自重和水重作用下，水管相当于一个多跨连续梁，镇墩将水管完全固定，相当于梁的固定端，见图8-4。(一)镇墩镇墩的作用是靠本身的重量固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力，防止水管产生位移。镇墩一般由混凝土浇制而成，混凝土强度等级一般不低于C15。在寒冷地区，墩底基面应深埋在冻土线以下。分封闭式和开敞式两