水电站压力管道布置设计

---水电站压力管课程设计学院：水利学院专业：水利水电工程科目：水电站课题：水电站压力管道课程设计XX：学号：313174XX农业大学水利学院2017年12月-.可修编. ---设计说明压力管道的设计步骤一般包括：（1）压力管功能布置；（2）压力管固定方法、设计；（3）压力管应力分析、计算；（4）压力管强度校核；（5）压力管抗外压稳定计算。一、基本资料及参数1、最大发电流量；2、上游正常水位1000m；3、下游设计尾水水位850m；4、管轴线与水平线夹角；5、上游正常水位至伸缩节水位差7m；6、镇墩与地基摩擦系数；7、支墩与管身摩擦系数；8、伸缩节摩擦系数；9.水轮机调节时间。二、压力管功能及布置功能：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。布置：采用明钢管敷设。-.可修编. ---布置时要尽可能选择短而直的线路，明钢管敷设在陡峭的山坡上；尽量选择良好的地质条件，明钢管敷设在坚固而稳定的山坡上，支墩和镇墩尽量设在坚固的岩基上，并清除表面覆盖层；尽量减少管道的起伏波折，避免出现反坡，利于管道排空，明钢管底部应高出地表至少0.6米，以便安装和检修；避开可能发生山崩或滑坡的区，明钢管尽量沿山脊布置，避免布置在山水集中的山谷中，若明钢管之上有坠石或可能崩塌的峭壁，要事先清除；首部设事故闸门，并考虑设置事故排水和防冲设施。三、明钢管的固定、设计1.明钢管的敷设明钢管敷设在一系列支墩上，底部应高出地表0.65米。明钢管宜做成分段式，在首尾设镇墩，两镇墩之间设伸缩节。伸缩节布置在管段的上端，靠近上镇墩处。敷设方式如图：2.明钢管的设计-.可修编. ---（1）管径的确定采用经验公式——彭德舒公式来初步确定压力钢管的经济直径：式中：为钢管的最大设计流量，；H为设计水头，m。由基本资料得：所以压力钢管直径进制采用D=50mm为模,所以取D=2.05m。（2）管长确定上游正常水位1000m，闸门进口水位为993m，上游正常水位至伸缩节水位差7m，下游设计为水位850m。取进口直管段长5m，出口直管段长5m。斜管段垂直距离为993-850=143m，管轴线与水平线夹角。所以斜管段长-.可修编. ---所以，压力管道总长为四、压力管水击计算1.直接与间接水击的判断明钢管水锤波速可近似的取为1000m/s，已知水轮机调节时间。所以水轮机开度的调节时间，故为间接水击。2.第一项水击与极限水击判断为起始开度，当电站满负荷运行时，；当电站以部分负荷运行时。为水锤常数。当时发生第一相末水锤，为第一相水击，除第一相水击以外的各种水锤现象统统归入极限水击一类。当电站满负荷运行时，所以为极限水击。3.水击公式选择阀门开度变化时管道中水流动量的相对变化率：-.可修编. ---水锤的最大值：所以4.水击常数的计算5.动水头计算水头变化令也称水锤压强，令所以即满负荷运行时，水电站压力管道的总水头为177.9m。五、压力管应力分析及结构设计-.可修编. ---1.明钢管的荷载根据应用条件，明钢管的设计荷载有：（1）内水压力；（2）钢管自重；（3）温度变化引起的力；（4）镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力；（5）风荷载和雪荷载；（6）施工荷载；（7）地震荷载；（8）管道放空时通气设备造成的负压。2.管壁厚度计算管壁的厚度一般经结构分析确定。管壁的结构厚度取为计算厚的加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下式确定的数值，也不宜小于6mm。初步确定管壁的计算厚度计算时，该式未计入一些次要应力，用以确定管壁厚度时容许应力应降低。所以满足要求。计算时取,2mm不能用于强度计算。3.荷载组合选择（A1、2、5、7、8）（1）水管自重的轴向分力A1查钢管的密度为785g/cm3:-.可修编. ---（2）作用在阀门或堵头上的内水压力A2（3）伸缩节变化处的内水压力A5取填料厚度为22mm，所以,为2.05m。所以（4）温度变化时伸缩节填料的摩擦力A7-.可修编. ---取伸缩节可调节长度b=15cm，已知伸缩节摩擦系数f=0.4。所以（5）温度变化时水管与支墩的摩擦力A8支墩与管身摩擦系数；；每米水重：（6）总应力-.可修编. ---4.计算断面（跨中断面1-1断面）（1）切向（环向）应力的管壁的切向应力主要由内水压力引起。对于倾斜的管道：对于水电站压力管道，等号右端的第二项是次要的，只有当时才有计入的必要（低水头大流量才有用，高水头的不考虑）。所以计算时不考虑第二项。（2）径向应力管壁内表面的径向应力等于该处的内水压强，即：“-”表示压应力，“+”表示拉应力。管壁外表面径向应力为0，径向应力较小。（3）轴向应力-.可修编. ---跨中断面的轴向应力由两部分组成，即有水重和管重引起的轴向弯曲应力及各轴向力引起的应力。对于支承在一系列支墩上的管道，其跨中弯矩M可按多跨连续梁求出。轴向弯曲应力式中：，，在管顶和管底，和，,最大管道各轴向力其合力为，由此引起的轴向力为跨中断面剪应力为0。所以，轴向应力-.可修编. ---六、压力管强度校核钢管的工作处于三维应力状态，强度校核的方法是求出计算应力并与容许应力作比较，而不是直接采用某一方向的应力与容许应力作比较。钢管的强度校核目前多采用第四强度理论，其强度条件为式中：为焊缝系数，取0.900.95。由于、、一般较小，故可以简化为第三强度理论取，所以该压力钢管在正常运行时充满水的情况，强度校核满足第三强度理论条件。七、压力管抗外压稳定计算钢管是一种薄壳结构。能承受较大的内水压力，但抵抗外压能力较低。在外压的作用下，管壁易于失去稳定，屈曲成波形，过早的失去承载力。因此，在按强度和构造初步确定管壁厚度之后，尚需进行外压稳定校核。在不同的外压作用下，有多种管壁稳定问题。明钢管在均匀径向外压作用下的稳定：对于沿轴线可以自由伸缩的无加劲环的明钢管，管壁的临界外压钢的弹性模量-.可修编. ---满足抗外压稳定要求。所以不需要设置加劲环增加抗外压稳定。注意：对设有加劲环的管壁，临界外压式中：l为加劲环的间距；n为屈曲波数。需假定不同的n，用试算法求出最小的。n值可用下式估算：其中D为管径。八、镇墩支墩设计1、镇墩的设计镇墩一般布置在管道的转弯处，以承受因管道改变方向而产生的不平衡力，将管道固定在山坡上，不允许管道在镇墩处发生任何位移。在管道的直线段，若长度超过150m，在直线段的中间也应设至镇墩。在压力钢管进水口及下游出水口折管段分别布置首末镇墩，由于压力钢管长度超过150m，所以宜在斜管段中部设中镇墩。-.可修编. ---（1）下镇墩计算求各轴向力分量取x轴水平顺水流方向为正，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轴和y轴的分力：式中：为压力钢管的倾角，35°；则：抗滑抗倾计算取抗滑稳定安全系数Kc=2.0镇墩与地基的摩擦系数f=0.5，则镇墩的理论重量：查规X可得混凝土的容重；取外包厚d=0.7m，则可得：取H=B=3.5m。镇墩体积-.可修编. ---则由图的三角形关系得：所以，满足抗倾要求。（2）中镇墩计算①求各轴向力分量取x轴水平顺水流方向为正，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轴和y轴的分力：抗滑抗倾计算-.可修编. ---取抗滑稳定安全系数Kc=2.0镇墩与地基的摩擦系数f=0.5，则镇墩的理论重量：查规X可得混凝土的容重；取外包厚d=0.7m，则可得：取H=B=3.5m镇墩体积则由图的三角形关系得：-.可修编. ---所以，满足抗倾要求。故中镇墩的尺寸如上述计算，由于上镇墩所受的力比中镇墩小，且中镇墩尺寸较适中，故上镇墩采用与中镇墩相同的尺寸。2、支墩的设计支墩的作用是承受水重和管道自重在法向的分力，相当于梁的滚动支承，允许管道在轴向自由移动。支墩的间距应通过结构分析和经济比较确定，一般在m之间。大直径的钢管可采用较小的支墩间距，可减小到3m。钢管直径2.05m,取支墩间距为10m，布置21个支墩，在压力钢管进水口下游水位990m处布置伸缩节。支墩的设计同镇墩设计。（1）荷载计算支墩的结构受力分析，由于支墩间距为10m，所以作用在支墩上的钢管自重应力及水重的分力为：水管自重：管重水重则钢管与支墩间的摩擦力为：-.可修编. ---式中：为支墩与管身摩擦系数f=0.3；则：钢管与支墩间的摩擦力由升温和降温引起，故考虑温度变化时的荷载分别为：①温升时，沿平行管轴向上的方向。钢管与支墩间的摩擦力式中：q为单位长度的管和水的重量为支墩与管身摩擦系数f=0.3；则：②降温时，A3沿平行管轴向下的方向：（2）抗滑计算取抗滑稳定安全系数kc=1.5，支墩与管道间的摩擦系数fk=0.3。温升情况下-.可修编. ---降温情况下故支墩的理论重量按温升时来进行计算G=1165.82kN混凝土的容重,支墩的理论体积取支墩的宽B=H=3.5m，长计算书一、压力钢管管径、管厚及水击计算1.管径的确定压力钢管直径进制采用D=50mm为模,所以取D=2.05m。2.管长确定-.可修编. ---斜管段垂直距离为993-850=143m，管轴线与水平线夹角。所以斜管段长所以，压力管道总长为3.压力管水击计算（1）直接与间接水击的判断水轮机开度的调节时间，故为间接水击。（2）第一项水击与极限水击判断当电站满负荷运行时，所以为极限水击。阀门开度变化时管道中水流动量的相对变化率：-.可修编. ---（3）水击常数的计算（4）动水头计算令即满负荷运行时，水电站压力管道的总水头为177.9m。二、压力管强度设计1.管壁厚度计算初步确定管壁的计算厚度-.可修编. ---满足要求。计算时取,2mm不能用于强度计算。2.荷载计算（1）水管自重的轴向分力A1（2）作用在阀门或堵头上的内水压力A2（3）伸缩节变化处的内水压力A5-.可修编. ---取填料厚度为22mm，所以,为2.05m。所以（4）温度变化时伸缩节填料的摩擦力A7（5）温度变化时水管与支墩的摩擦力A8-.可修编. ---（6）总荷载3.应力计算（1）切向（环向）应力的对于倾斜的管道：计算时不考虑第二项。（2）径向应力（3）轴向应力-.可修编. ---式中：，，在管顶和管底，和，,最大管道各轴向力其合力为，由此引起的轴向力为跨中断面剪应力为0。所以，轴向应力4.压力管强度校核第三强度理论取，所以5.压力管抗外压稳定计算-.可修编. ---对于沿轴线可以自由伸缩的无加劲环的明钢管，管壁的临界外压三、镇墩支墩设计1、镇墩的设计（1）下镇墩计算抗滑抗倾计算：镇墩的理论重量：取外包厚d=0.7m，则可得：取H=B=3.5m。镇墩体积-.可修编. ---由图的三角形关系得：所以，满足抗倾要求。（2）中镇墩计算抗滑抗倾计算：镇墩的理论重量：取外包厚d=0.7m，则可得：-.可修编. ---取H=B=3.5m镇墩体积则由图的三角形关系得：所以，满足抗倾要求。中镇墩的尺寸如上述计算2、支墩的设计1.荷载计算水管自重：管重水重-.可修编. ---则钢管与支墩间的摩擦力为：钢管与支墩间的摩擦力由升温和降温引起，故考虑温度变化时的荷载分别为：①温升时，沿平行管轴向上的方向。钢管与支墩间的摩擦力式中：q为单位长度的管和水的重量为支墩与管身摩擦系数f=0.3；则：②降温时，A3沿平行管轴向下的方向：（2）抗滑计算取抗滑稳定安全系数kc=1.5，支墩与管道间的摩擦系数fk=0.3。-.可修编. ---温升情况下降温情况下故支墩的理论重量按温升时来进行计算G=1165.82kN混凝土的容重,支墩的理论体积取支墩的宽B=L=3.5m，高取3.8m。四、压力管图件制作综上所述得压力钢管结构设计管件为压力管结构设计管件统计表（图示）序号名称规格备注直径（mm）长度(mm)壁厚(mm)数量1进口直管205050002012上弯管205040002013伸缩节207020002024直管段2050600020405下弯管205040002016出口直管20505000201-.可修编. ---7附：管道平面布置图管道纵剖面图管道横剖面图镇墩、支墩体形设计【参考文献】《水电站》（第四版）中国水利《压力钢管设计规X》《压力钢管设计图集》《水工设计手册》2017.12-.可修编.