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《水 电 站》

《水 电 站》. 2007 年7月. 第八章 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。. 第一节 压力管道的类型. 钢 管. 钢筋混凝土管. 聚酯材料管 木管. 第二节 压力管道的布置和供水方式. 一、压力管道的布置. 压力管道线路选择应结合其它建筑物 ( 前池、调压室 ) 和水电站厂房布置统一考虑 。 路线尽可能短、直。 ( 经济， h f 和 Δ H 小 ) 。

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  1. 《水 电 站》 2007年7月

  2. 第八章 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  3. 第一节 压力管道的类型 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  4. 钢 管 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  5. 钢筋混凝土管 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  6. 聚酯材料管 木管 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  7. 第二节 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  8. 一、压力管道的布置 • 压力管道线路选择应结合其它建筑物(前池、调压室)和水电站厂房布置统一考虑。 • 路线尽可能短、直。(经济，hf和ΔH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，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R≯3D。 • 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  9. 二、压力管道引进厂房的方式 • 正向引近：低水头电站。水流平顺、水头损失小，开挖量小、交通方便。钢管发生事故时直接危机厂房安全。 • 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  10. 三、供水方式 1．单元供水：一管一机。不设下阀门。 • 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  11. 2．联合供水： 一根主管，向多台机组供水。设下阀门。 • 优点：造价低 • 缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差 • 适用：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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  12. 3. 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  13. 第三节 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  14. 非恒定流计算：水锤计算(N变→Q变→H变) ，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(最高压力线和最低压力线) 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  15. 二、压力管道直径的选择 • 动能经济比较法：基本原理与渠道相同(要考虑流速、水锤压力的影响)，拟定几个直径，进行动能经济计算，比较确定最优经济直径。 • 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4~6m/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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  16. 第四节 钢管的材料和管身构造 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  17. 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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  18. 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。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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  19. 二、钢材性能的要求 (一) 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(γ射线、超声波) 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  20. (二) 钢材性能要求 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HD>600m2，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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  21. 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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  22. 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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  23. 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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  24. 钢管纵横缝布置 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  25. 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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  26. 第五节 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  27. 一、敷设方式 • 明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于60cm。 • 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》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  28. 连续式布置： 管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大，一般较少采用。 • 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  29. 二、支墩(support) • 功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动(温度变化时)。 • 布置：间距L=6~12m，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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  30. (1) 滑动式支墩 • 鞍式(saddle support)：包角：90~120°，结构简单，造价低，摩擦力大，支承部位受力不均匀，适用于D<1m。 • 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，D<2m 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  31. (2) 滚动式(rolling ring 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D>2m。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  32. (3) 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  33. 三、镇墩(anchor 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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  34. 镇墩的两种形式 封闭式 开敞式 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  35. 四、镇墩和支墩结构设计 (一)镇墩结构分析 • 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

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  38. 2、求轴向力分量 设 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  39. 3、拟定镇墩尺寸 • 镇墩的尺寸应能够将钢管的转弯段完全包住。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0.4~0.8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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  40. 4、求合力作用点及偏心距 利用图解法或数解法求G及∑A的合力作用点位置及偏心距e。应保证e在镇墩底宽的二分点以内。 5、抗滑稳定校核 抗滑稳定应符合下式要求： 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  41. 6、地基承载能力校核 要求地基上均为压应力，且最大值不超过地基的容许值[R]。可按偏心受压公式计算地基应力。 要求最大值σmax＜[R]，最小值σmin＞0，不应出现负值。 (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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  42. 五、钢管上的闸门、阀门和附件 1、闸门及阀门 • 压力管道进口设快速闸门(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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  43. (1) 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  44. (2) 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：高水头电站。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  45. 世界上最大的球阀 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  46. 2、伸缩节(expansion 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  47. 伸缩节的几种形式 (a)套筒式伸缩节 (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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  48. 伸缩节动画 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  49. 3、 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

  50. 第六节 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://jpkc.zjwchc.com/sdz

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