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【摘 要】根据某水电站工程的工程规模和特点、结合主要的设计计算研究压力钢管和钢岔管的布置设计,使其结构布置安全、合理、经济,满足运行要求。
【關键词】某水电站;压力钢管;设计
Pressure pipe and bifurcated pipe design of a hydropower station
Zhao Hui
(Xinjiang Ruixiang Agriculture and animal husbandry Design Institute Co., Ltd. Urumqi Xinjiang 830000)
【Abstract】According to engineering of a hydropower project size and characteristics, combined with the pressure main in the design of steel and steel branch pipe layout design, structural arrangement to safe, reasonable, economic, and meet operational requirements.
【Key words】A hydropower station; Pressure pipe; Design
1. 工程概况
某水电站位于新疆某某河上,为引水式电站。该水电站工程由拦河坝、泄水建筑物、发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成。
发电引水系统布置在现代河道右岸岸边,主要由进口引水渠、进水口、引水隧洞、调压井、压力管道、岔管、支管组成。发电引水洞进口底板高程为1841.00m,高于泄洪冲沙闸进口底板1.0m。引水系统采用一洞三机联合供水的布置型式,电站共三台机组,设计引用流量71.7m3/s,额定水头242.00m。整个引水系统全长12.5Km。在引水隧洞末端布设调压井,调压井后接压力管道。
压力钢管主管全长804.473m,主管内径4.6m,由上平洞段、上下转弯段、斜井段和下平洞段组成。上下转弯段转弯半径为15m,斜井段坡度50°,上平洞段长度为10m,上弯段长度为13.09m,斜井段长度为277.304m,下弯段长度为13.015m,下平洞段长度为451.312m,明管段长度为39.752m,压力管道采用钢板内衬外包素砼的衬砌型式。压力管道后接钢岔管,钢岔管采用月牙肋卜型岔管分岔后接三条支管,分别与三台机组连接,支管内径2.2m。
图1
2. 压力钢管布置及岔管体形设计
压力钢管起衬点位置主要根据“上抬理论”准则、“水力劈裂”准则和地质条件等综合确定。考虑到调压井后压力管道上覆岩体厚度较薄,从安全角度出发,发电洞从调压井后直接压力管道。压力管道内径4.6m,主管全长804.473m,由上平洞段、上下转弯段、斜井段和下平洞段组成,上下转弯段转弯半径为15m,考虑施工方便,斜井段坡度1:0.8391。上平洞段长10.0m,断面中心点高程1812.700m;上弯段长度为13.09m,断面中心点高程1812.700m~1807.342m;斜井段长度为277.304m,断面中心点高程1807.342m~1594.915m;下弯段长度为13.015m,断面中心点高程1594.915m~1589.557m;下平洞段长度为451.312m,断面中心点高程1589.557m~1587.300m;明管段长度为39.752m,断面中心点高程1587.300m(水轮机安装高程)。压力钢管外采用C20素混凝土衬砌,抗冻标号F200,抗渗标号W6,衬砌厚度0.6m。
岔管及支管为明钢管,外包C25钢筋砼。1#岔管是一分为二的卜型内加强月牙肋岔管,分岔角70°,主锥、支锥各由三节锥管过渡;2#岔管是一分为二的卜型内加强月牙肋岔管,分岔角72°,主锥、支锥各由三节锥管过渡。岔管的设计内水压力3.25 N/mm2(包括水击压力)。与1#岔管相连接的主管内半径2.3 m,1#岔管公切球内半径2.7 m,与1#岔管相连接的支管内径分别为1.7m和1.1m。与2#岔管相连接的主管内半径1.7 m,2#岔管公切球内半径2.0 m;与2#岔管相连接的支管内半径1.1 m,支管间距15m。
3. 材质选择
压力管道主管段管径4.6m,支管管径1.1m,岔管最大直径5.4m,最大内水压325m。由于钢管的HD 值较大,从结构应力分布、抗外压稳定、制作卷板能力、焊接工艺和经济性等综合比较决定,钢材采用高强钢。埋管采用段采用16MnR钢,由于岔管受力极其复杂,岔管肋板为三向受力结构,还需采用耐层状撕裂钢,通过对钢材生产质量、性能、价格和使用运行情况的分析比较, 1#钢岔管和2#钢岔管最终采用满足设计要求的80Kg级压力容器钢;其特点是:(1)强度高,能适应和满足岔管的不良应力分布,减少管壁厚度和钢材用量;(2)经调质和退火处理后,化学成份合金含量适中,焊接热裂纹敏感性能较好,且碳含量及碳当量低,改善了岔管的焊接条件和性能,预热温度和残余应力的消除要求较低;(3)肋板钢材含硫量小于0.8% ,Z向抗层状撕裂性能良好,断面收缩率大于25%。
4. 结构计算
4.1 计算荷载。
(1)外水压力:考虑正常蓄水位的内水外渗和该部位地下水,并根据该段Ⅲ类围岩情况,考虑折减系数0.7。压力管道起始点的外水压力为0.28MPa,末点的外水压力为0.11MPa,整个压力管道段的外水压力为0.11MPa～1.73MPa。
(2)考虑3台机瞬间丢弃负荷沿程最大水锤压力+相应内水压,通过过渡过程分析,岔管段设计内水压力(包括水击压力)为3.25MPa。整个压力管道段的内水压力为0.55MPa~3.25MPa。
(3)施工期灌浆压力:回填灌浆压力采用0.2~0.3MPa;接触灌浆压力采用0.1MPa。
4.2 荷载组合。
(1)运行期(荷载组合):内水压力(含水击压力)+弹抗。
(2)检修期(荷载组合):外水压力。
(3)施工期(荷载组合):灌浆压力。
4.3 压力管道的工程地质条件。
洞室埋深40~120m,围岩主要处在新鲜～弱风化岩体内,属Ⅲ类围岩,建议K0 =3000N/cm3。桩号0+730~0+769m过沟段,成洞条件差,须采取强支护措施。1620m高程以下压力管段有滴水渗水现象,须采取防腐措施。
4.4 计算成果。
4.4.1 埋管段。本工程中压力管道段的进出口段不满足最小覆盖围岩要求,按明管设计,中间部分按埋管设计。通过各种工况的计算,压力管道的出口的壁厚由内压控制,按锅炉公式计算;压力钢管的中间部分的壁厚由外压控制。
压力钢管抗外压稳定分析首先是要确定外水压力的大小。外水压力至今还缺少理论计算公式,只能根据地形地质条件、工程类比等综合确定。外水来源有2种,一是地表水下渗产生外水压力;二是隧洞内水外渗形成外水压力。外水压力与地下水位线无明显联系,而与隧洞内水外渗直接相关,跟随隧洞充水和放空时内水升降稍有滞后的上升和消落。考虑正常蓄水位的内水外渗和该部位地下水,并根据该段Ⅲ类围岩情况,考虑外水折减系数0.7。
钢管抗外压设计有3种:光面管、锚筋式钢管和加劲环式钢管。采用光面管抗外压对高水头电站不太经济;锚筋式钢管便于洞内混凝土回填,但锚筋与钢管焊点多,影响钢管质量;考虑到本工程水头较高,故采用加劲环式钢管抗外压。管壁抗外压稳定分析采用米塞斯公式计算。计算结果表明,管壁厚度对抗外压的影响远不如加劲环间距、高度和厚度的影响大,且加劲环自身的抗外压值一般要低于管壁抗外压值。管壁厚度主要由内水压力控制,加勁环参数由外水压力决定,为了充分发挥两者的作用,宜在管壁满足抗内压的条件下加密、加高、加厚加劲环。加劲环间距一般为管壁厚度的60～240倍,加劲环太密的缺点一是制作、焊接工作量大,二是混凝土不易浇筑密实,影响浇筑质量;加劲环高度受开挖洞径制约,增加高度势必增大开挖洞径;加劲环厚度与管壁厚度相差不宜过大,以利于施焊。
经综合比较,斜井段及下平洞段从上至下采用16MnR钢,厚度为22 mm~28mm。加劲环间距分别为2000mm、1000mm、700mm、1000mmm、2000mm,高度200mm,采用与管壁相同的钢材。
4.4.2 岔管段及支管段。岔管是由锥管、柱管、肋板(梁)焊接而成,是一种板壳组合结构,其在内水压力作用下应力分布和变形很不均匀。在运行工况下,管内壁承受3.25 MPa内水压力;各管节厚度及梁厚度均扣除2mm的锈蚀磨损裕度。对本工程岔管的计算优化过程和结果表明,管壳上发生应力集中的部位在管壳母线的转折处,在一定的平面布置条件下,岔管管壳应力集中的程度取决于管壳母线间的转折角大小,在符合规范及设计要求的前提下调整角度,可极大地改善管壳应力集中的程度,从而使管壳应力分布趋于均匀。
岔管的体型庞大,结构复杂,1#岔管主锥体最大直径2.7 m,2#岔管主锥体最大直径2.0 m。钢岔管和支管按明管计算,设计情况下膜应力区允许应力取0.5σs,局部应力区允许应力取0.8σ。 计算结果见表1:
综上所述,本工程压力钢管根据不同管段所受内、外压力不同,确定压力钢管壁厚设计是合理的。根据工程的特点,结合主要的设计计算布置钢岔管,结构布置安全、合理、经济,满足运行要求。压力钢管的环间管壳及加劲环有足够的安全储备.能够满足工程需要,安全可靠。另外,要求施工时尽量保证钢管的焊接质量以及加劲环与混凝土的浇筑质量. 以提高压力钢管的承压能力。
[文章编号]1006-7619(2010)09-06-810
【關键词】某水电站;压力钢管;设计
Pressure pipe and bifurcated pipe design of a hydropower station
Zhao Hui
(Xinjiang Ruixiang Agriculture and animal husbandry Design Institute Co., Ltd. Urumqi Xinjiang 830000)
【Abstract】According to engineering of a hydropower project size and characteristics, combined with the pressure main in the design of steel and steel branch pipe layout design, structural arrangement to safe, reasonable, economic, and meet operational requirements.
【Key words】A hydropower station; Pressure pipe; Design
1. 工程概况
某水电站位于新疆某某河上,为引水式电站。该水电站工程由拦河坝、泄水建筑物、发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成。
发电引水系统布置在现代河道右岸岸边,主要由进口引水渠、进水口、引水隧洞、调压井、压力管道、岔管、支管组成。发电引水洞进口底板高程为1841.00m,高于泄洪冲沙闸进口底板1.0m。引水系统采用一洞三机联合供水的布置型式,电站共三台机组,设计引用流量71.7m3/s,额定水头242.00m。整个引水系统全长12.5Km。在引水隧洞末端布设调压井,调压井后接压力管道。
压力钢管主管全长804.473m,主管内径4.6m,由上平洞段、上下转弯段、斜井段和下平洞段组成。上下转弯段转弯半径为15m,斜井段坡度50°,上平洞段长度为10m,上弯段长度为13.09m,斜井段长度为277.304m,下弯段长度为13.015m,下平洞段长度为451.312m,明管段长度为39.752m,压力管道采用钢板内衬外包素砼的衬砌型式。压力管道后接钢岔管,钢岔管采用月牙肋卜型岔管分岔后接三条支管,分别与三台机组连接,支管内径2.2m。
图1
2. 压力钢管布置及岔管体形设计
压力钢管起衬点位置主要根据“上抬理论”准则、“水力劈裂”准则和地质条件等综合确定。考虑到调压井后压力管道上覆岩体厚度较薄,从安全角度出发,发电洞从调压井后直接压力管道。压力管道内径4.6m,主管全长804.473m,由上平洞段、上下转弯段、斜井段和下平洞段组成,上下转弯段转弯半径为15m,考虑施工方便,斜井段坡度1:0.8391。上平洞段长10.0m,断面中心点高程1812.700m;上弯段长度为13.09m,断面中心点高程1812.700m~1807.342m;斜井段长度为277.304m,断面中心点高程1807.342m~1594.915m;下弯段长度为13.015m,断面中心点高程1594.915m~1589.557m;下平洞段长度为451.312m,断面中心点高程1589.557m~1587.300m;明管段长度为39.752m,断面中心点高程1587.300m(水轮机安装高程)。压力钢管外采用C20素混凝土衬砌,抗冻标号F200,抗渗标号W6,衬砌厚度0.6m。
岔管及支管为明钢管,外包C25钢筋砼。1#岔管是一分为二的卜型内加强月牙肋岔管,分岔角70°,主锥、支锥各由三节锥管过渡;2#岔管是一分为二的卜型内加强月牙肋岔管,分岔角72°,主锥、支锥各由三节锥管过渡。岔管的设计内水压力3.25 N/mm2(包括水击压力)。与1#岔管相连接的主管内半径2.3 m,1#岔管公切球内半径2.7 m,与1#岔管相连接的支管内径分别为1.7m和1.1m。与2#岔管相连接的主管内半径1.7 m,2#岔管公切球内半径2.0 m;与2#岔管相连接的支管内半径1.1 m,支管间距15m。
3. 材质选择
压力管道主管段管径4.6m,支管管径1.1m,岔管最大直径5.4m,最大内水压325m。由于钢管的HD 值较大,从结构应力分布、抗外压稳定、制作卷板能力、焊接工艺和经济性等综合比较决定,钢材采用高强钢。埋管采用段采用16MnR钢,由于岔管受力极其复杂,岔管肋板为三向受力结构,还需采用耐层状撕裂钢,通过对钢材生产质量、性能、价格和使用运行情况的分析比较, 1#钢岔管和2#钢岔管最终采用满足设计要求的80Kg级压力容器钢;其特点是:(1)强度高,能适应和满足岔管的不良应力分布,减少管壁厚度和钢材用量;(2)经调质和退火处理后,化学成份合金含量适中,焊接热裂纹敏感性能较好,且碳含量及碳当量低,改善了岔管的焊接条件和性能,预热温度和残余应力的消除要求较低;(3)肋板钢材含硫量小于0.8% ,Z向抗层状撕裂性能良好,断面收缩率大于25%。
4. 结构计算
4.1 计算荷载。
(1)外水压力:考虑正常蓄水位的内水外渗和该部位地下水,并根据该段Ⅲ类围岩情况,考虑折减系数0.7。压力管道起始点的外水压力为0.28MPa,末点的外水压力为0.11MPa,整个压力管道段的外水压力为0.11MPa～1.73MPa。
(2)考虑3台机瞬间丢弃负荷沿程最大水锤压力+相应内水压,通过过渡过程分析,岔管段设计内水压力(包括水击压力)为3.25MPa。整个压力管道段的内水压力为0.55MPa~3.25MPa。
(3)施工期灌浆压力:回填灌浆压力采用0.2~0.3MPa;接触灌浆压力采用0.1MPa。
4.2 荷载组合。
(1)运行期(荷载组合):内水压力(含水击压力)+弹抗。
(2)检修期(荷载组合):外水压力。
(3)施工期(荷载组合):灌浆压力。
4.3 压力管道的工程地质条件。
洞室埋深40~120m,围岩主要处在新鲜～弱风化岩体内,属Ⅲ类围岩,建议K0 =3000N/cm3。桩号0+730~0+769m过沟段,成洞条件差,须采取强支护措施。1620m高程以下压力管段有滴水渗水现象,须采取防腐措施。
4.4 计算成果。
4.4.1 埋管段。本工程中压力管道段的进出口段不满足最小覆盖围岩要求,按明管设计,中间部分按埋管设计。通过各种工况的计算,压力管道的出口的壁厚由内压控制,按锅炉公式计算;压力钢管的中间部分的壁厚由外压控制。
压力钢管抗外压稳定分析首先是要确定外水压力的大小。外水压力至今还缺少理论计算公式,只能根据地形地质条件、工程类比等综合确定。外水来源有2种,一是地表水下渗产生外水压力;二是隧洞内水外渗形成外水压力。外水压力与地下水位线无明显联系,而与隧洞内水外渗直接相关,跟随隧洞充水和放空时内水升降稍有滞后的上升和消落。考虑正常蓄水位的内水外渗和该部位地下水,并根据该段Ⅲ类围岩情况,考虑外水折减系数0.7。
钢管抗外压设计有3种:光面管、锚筋式钢管和加劲环式钢管。采用光面管抗外压对高水头电站不太经济;锚筋式钢管便于洞内混凝土回填,但锚筋与钢管焊点多,影响钢管质量;考虑到本工程水头较高,故采用加劲环式钢管抗外压。管壁抗外压稳定分析采用米塞斯公式计算。计算结果表明,管壁厚度对抗外压的影响远不如加劲环间距、高度和厚度的影响大,且加劲环自身的抗外压值一般要低于管壁抗外压值。管壁厚度主要由内水压力控制,加勁环参数由外水压力决定,为了充分发挥两者的作用,宜在管壁满足抗内压的条件下加密、加高、加厚加劲环。加劲环间距一般为管壁厚度的60～240倍,加劲环太密的缺点一是制作、焊接工作量大,二是混凝土不易浇筑密实,影响浇筑质量;加劲环高度受开挖洞径制约,增加高度势必增大开挖洞径;加劲环厚度与管壁厚度相差不宜过大,以利于施焊。
经综合比较,斜井段及下平洞段从上至下采用16MnR钢,厚度为22 mm~28mm。加劲环间距分别为2000mm、1000mm、700mm、1000mmm、2000mm,高度200mm,采用与管壁相同的钢材。
4.4.2 岔管段及支管段。岔管是由锥管、柱管、肋板(梁)焊接而成,是一种板壳组合结构,其在内水压力作用下应力分布和变形很不均匀。在运行工况下,管内壁承受3.25 MPa内水压力;各管节厚度及梁厚度均扣除2mm的锈蚀磨损裕度。对本工程岔管的计算优化过程和结果表明,管壳上发生应力集中的部位在管壳母线的转折处,在一定的平面布置条件下,岔管管壳应力集中的程度取决于管壳母线间的转折角大小,在符合规范及设计要求的前提下调整角度,可极大地改善管壳应力集中的程度,从而使管壳应力分布趋于均匀。
岔管的体型庞大,结构复杂,1#岔管主锥体最大直径2.7 m,2#岔管主锥体最大直径2.0 m。钢岔管和支管按明管计算,设计情况下膜应力区允许应力取0.5σs,局部应力区允许应力取0.8σ。 计算结果见表1:
综上所述,本工程压力钢管根据不同管段所受内、外压力不同,确定压力钢管壁厚设计是合理的。根据工程的特点,结合主要的设计计算布置钢岔管,结构布置安全、合理、经济,满足运行要求。压力钢管的环间管壳及加劲环有足够的安全储备.能够满足工程需要,安全可靠。另外,要求施工时尽量保证钢管的焊接质量以及加劲环与混凝土的浇筑质量. 以提高压力钢管的承压能力。
[文章编号]1006-7619(2010)09-06-810