1、水 电 站,2007年7月,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 水电站压力管道,作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。 特点：坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且靠近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 压力管道的类型,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 管,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 木管,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 压力管道的布置和供水方式,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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，
2、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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 纵向引近：高、中水头电站。避免水流直冲厂房。 斜向引近：分组供水和联合供水。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 优点：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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 优点：造价低 缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差 适用：
3、机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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,浙江水专国家精品课程水电站http:/ ，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
4、压力线和最低压力线),浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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 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,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 钢管的材料和管身构造,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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
5、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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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),浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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
6、率、断面收缩率；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，=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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ K 不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力。,浙
7、江水专国家精品课程水电站http:/ 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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 防腐、防锈措施：涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度2mm。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 明钢管的敷设方式、镇墩、 支墩和附属设备,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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。,浙江水专国家精品课程水电站h
8、ttp:/ 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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 布置：间距L=612m，D特别大时，L取3m。L小M、Q小支墩造价高。 类型：滑动式、滚动式、摆动式。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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 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,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 滚动式(rolling r
9、ing girder support),在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，摩擦系数f小，适用于D2m。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ block),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。 布置：在水管转弯处，直线段不超过150m。 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。,浙江
10、水专国家精品课程水电站http:/ 开敞式,镇墩的两种形式,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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：,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 镇墩的尺寸应能够将钢管的转弯段
11、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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ (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,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 压力管道
12、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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 蝴蝶阀(Butterfly Valve) 优点：启闭力小，操作方便迅速，体积小，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,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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
13、电站。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ (b)波纹密封套筒式伸缩节,(c)压盖式限拉伸缩节 (d)波纹管伸缩节,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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
14、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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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
15、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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 跨中断面11：只有整体弯距作用，且弯距最大,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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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
16、径向应力管壁内表面: ， “-”表示压应力。管壁外表面：,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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,压力管道水压力分布及管壁微圆弧的受力平衡图,浙江水专国家精品课程水电站http:/ =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,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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
17、，管壁的断面积为F，则,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 断面应力状态图形,浙江水专国家精品课程水电站http:/ (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,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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
18、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，但符号不尽相同。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 断面应力状态图形,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 加劲环及其旁管壁，断面(3)-(3)管壁应力,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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;,浙江水专国家精品课程水电站http:/ (l)2HP=(Fk-a)/(Fk+2l) 其中：Fk为加劲环的净面积。 所以：x2
19、=6M/2=1.82HPD/2 =1.821(内壁受拉),浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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，支承反力为Q/2cos。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 支承环所承受的荷载(1)管重和
20、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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ JR支承环有效截面对重心轴的惯性矩； WR支承环有效
21、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心轴的静矩； a支承环腹板厚度； F支承环有效截面积，包括管壁等效翼缘,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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, 略去2，则得到光滑钢管段不失稳的条件为：,浙江水专国家精品课程水电站h
22、ttp:/ 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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ 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、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。,浙江水专国家精品课程水电站http:/ (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。,再见!,
