第十三章 水电站的压力管道 - 图文.docx

第十三章 水电站的压力管道 - 图文 第一节 压力管道的功用和类型 压力管道是指从水库、前池或调压室向水轮机输送水量的管道其一般特点是坡度陡，内水压力大，承受水锤的动水压力，而且靠近厂房因此它必需是平安牢靠的万一发生事故，也应有防止事故扩大的措施，以保证厂房设施和运行人员的平安 压力管道按材料可分为： 一、钢管 钢管具有强度高、防渗性能好等很多优点，常用于大中型水电站 钢管布置在地面以上者称明钢管，如图11-5布置于坝体混凝土中者称坝内钢管，如图11-2埋设于岩体中者那么成地下埋管，如图18-12以上是水电站压力钢管的三种主要形式 二、钢筋混凝土管 钢筋混凝土管具有造价低、可节约钢材、能承受较大外压和经久耐用等优点，通常用于内压不高的中小型水电站除平凡钢筋混凝土管外，尚有预应力和自应力钢筋混凝土管、钢丝网水泥和预应力钢丝网水泥管等平凡钢筋混凝土管因易于开裂，一般用在水头H和内径D的乘积HD<50m的情况下；预应力和自应力钢筋混凝土管的HD值可超过200㎡，预应力钢丝网水泥管由于抗裂性能好，抗拉强度高，HD值可超过300㎡ 位于岩体中的现浇钢筋混凝土管道，在内水压力作用下，钢筋混凝土与围岩联合受力，工作状态与隧洞相像，归于隧洞一类。

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以钢板构成在内水压力作用下钢衬与外包钢筋混凝土联合受力，从而可减小钢衬的厚度，适用于大HD值管道状况由于钢衬可以防渗，外包钢筋混凝土可按允许开裂设计，以充分发挥钢筋的作用 本章主要讲钢管 其次节 压力管道的布置和供水方式 一、压力管道的布置 压力管道是引水系统的一个组成建筑物压力管道的布置应依据其形式、当地的地形、地质条件和工程的总体布置要求确定，其根本原那么可归纳如下： (1)、尽可能选择短而直的路途这样不但可以缩短管道的长度，降低造价，减小水头损失，而且可以降低水锤压力，改善机组的运行条件因此，明钢管常敷设在陡峻的山坡上，以缩短平水建筑物〔假如有的话〕和厂房之间的距离 (2)、尽量选择良好的地质条件明钢管应敷设在坚实而稳定的山坡上，以免因地基滑动引起管道破坏；支墩和镇墩应尽量设置在坚实的基岩上，外表的覆盖层应予以去除，以防支墩和镇墩发生有害的位移地下埋管应布置在良好的岩体中，其好处是：可利用围岩担当局部内水压力；开挖时可不用或少用支护以削减施工费用和加快施工进度；良好的岩层裂隙水一般不发育，钢管受外压失稳的威逼较小。

(3)、尽量削减管道的起伏曲折，幸免出现反坡，以利管道排空；管道任何部位的顶部应在最低压力线以下，并有2m的裕度假设因地形限制，为了削减挖方而将明管布置成折线时，在转弯处应设镇墩，管轴线的曲率半径应不小于3倍管径明钢管的底部至少应高出地表0.6m,以便安装检修；假设直管段超过150m,中间宜加镇墩地下埋管的坡度应便于开挖出碴和钢管的安装检修 (4〕、避开可能发生山崩或滑坡地区明管应尽可能沿山脊布置，幸免布置在山水集中的山谷之中，假设明管之上有坠石或可能倒塌的峭壁，那么应事先去除 (5〕、明钢管的首部应设事故闸门，并应考虑设置事故排水和防冲设施，以免钢管发生事故时危及电站设备和运行人员的平安 二、压力管道的供水方式 水电站的机组往往不止一台，压力管道可能有一根或数根，压力管道向机组的供水方式可归纳为三类 〔一〕单元供水 每台机组由一根专用太管供水，如图13-1〔a〕、(b)所示 图13-1 压力管道供水方式示意图 这种供水方式构造简洁，工作牢靠，管道检修或发生事故时，只影响一台机组工作，其余机组可照常运行这种布置方式除水头较高和机组容量较大者外，一般只在进口设事故闸门，不设下阀门。

单机供水所需管道根数较多，须要钢材较多，适用于以下两种状况：单机流量较大，假设几台机共用一根水管，那么管径较大，管壁较厚，制造和安装困难；压力管道较短，几台机组共用一根水管，在管身上节约材料不多，但须要增加岔管、弯管和阀门，并使运行的敏捷性和平安性降低坝内钢管一般较短，通常都采纳单元供水 〔二〕集中供水 全部机组集中由一根管道供水，如图13-1〔c〕、〔d〕所示用一根管道代替几根管道，管身材料较省，但需设置构造困难的分岔管，并需在每台机组之前设置事故阀门，以保证随意一台机组检修或发生事故事时不致影响其它机组运行这种供水方式的敏捷性和牢靠性不如单元供水，一旦压力管道发生事故或进展检修，需全厂停机，对于跨流域开发的梯级电站，这同时会给下游梯级的供水带来困难 集中供水适用于单机流量不大，管道较长的状况下对于地下埋管，由于运行牢靠，同时又因不宜平行开挖几根距离不远的管井，较多地采纳这种供水方式 〔三〕分组供水 采纳数根管道，每根管道向几台机组供水，如图13-1〔e〕、(f)所示这种供水的特点介于单元供水和集中供水之间，适用于压力管道较长、机组台数较多和容量较大的状况。

压力管道可以从正面进人厂房，如图13-1 (a)、(c)、〔e〕所示，也可以从侧面进人厂房，如图13-1 (b)、 (d)、(f)所示前者适用于水头不高、管道不长或地下埋管状况对于明钢管，假设水头较高，宜从侧面进人厂房：在这种情 况下，万一管道爆破，可使高速水流从厂外排走，以防危及厂房和运行人员的平安在集中供水和分组供水状况下，管道从侧面进人厂房也易于分岔地下埋管爆破的可能性较小，即使爆破，由于围岩的限制亦不易突然扩大，管道进人厂房的方式常确定于管道及厂房布置的须要第三节 压力管道的水力计算和经济直径确实定 一、水力计算 压力管道的水力计算包括恒定流计算和非恒定流计算两种 〔一〕恒定流计算 恒定流计算主要是为了确定管道的水头损失管道的水头损失对于水电站装机容量的选择、电能的计算、经济管径确实定以及调压室稳定断面计算等都是不行缺少的水头损失包括摩阻损失和局部损失两种 1、摩阻损失 管道中的水头损失与水流形态有为水电站压力管道中的水流的雷诺数Re一般都超过3400，因而水流处于紊流状态，摩阻水头损失可用曼宁公式或斯柯别公式计算。

曼宁公式应用便利，在我国应用较广该公式中，水头损失与流速平方成正比，这对于钢筋混凝土管和隧洞这类糙率较大的水道是适用的对于钢管，由于糙率较小，水流未、能完全进人阻力平方区，但随着时间的推移，管壁因锈蚀糙率渐渐增大，按流速平方关系计算摩阻损失仍旧是可行的曼宁公式因一般水力学书中均可找到，此处从略 斯柯别依据1101段水管的1178个实测资料，引荐用以下公式计算每米长钢管的摩阻损失 (13-1)式中a-水头损失系数，焊接收用0.00083为考虑水头损失随运用年数t的增加而增大的系数，清水取K＝0.01，腐蚀性水可取K＝0.015 2.局部损失 在流道断面急剧改变处，水流受边界的扰动，在水流与边界之间和水流的内部形成旋涡，在水流质量剧烈的混掺和大量的动量交换过程中，在不长的距离内造成较大的能量损失，这种损失通常称为局部损失压力管道的局部损失发生在进口、门槽、渐变段、弯段、分岔等处压力管道的局部损失往往不行无视，一尤其是分岔的损失有时可能到达相当大的数值局部损失的计算公式通常表示为 系数可查有关手册 〔二〕非恒定流计算 管道中的非恒定流现象通常称为水锤。

进展非恒定流计算的目的是为了推求管道各点i的动水压强及其改变过程，为管道的布置、构造设计和机组的运行供应依据非恒定流计算的内容见第九章 二、管径确实定 压力管道的直径应通过动能经济计算确定在第七章中我们已经探究了确定渠道和隧洞经济断面的方法，其根本原理对压力管道也完全适用，可以拟定几个不同管径的方案，进展誉比拟，选定较为有利的管道直径，也可以将某些条件加以简化，推导出计算公式，干脆求解在可行性探究和初步设计阶段，可用以下彭德舒公式来初步确定大中型压力钢管的经济直径 式中Qmax-钢管的最大设计流量， H-设计水头，m第四节 钢管的材料、容许应力和管身构造 一、钢管的材料 钢管的受力构件有管壁、加劲环、支承环及支座的滚轮和支承板等管壁、加劲环、支承环和岔管的加强构件等应采纳经过冷静熔炼的热扎平炉低碳钢或低 合金钢制造，如A3、16Mn，和经过正火的15MnV和15MnTi滚轮可用A3、A4、A5、16Mn或35、45等优质钢材近年来，我国一些大型水电站已起先采纳屈服点为60～80的高强度钢材制造钢管 对于焊接收，钢材的根本性能包括机械性能、加工性能和化学成分等方面。

〔一〕机械性能 机械性能一般指钢材的屈服点韧性 内，钢材的应力与应变存性关系，即处于弹性工作状态时，材料发生蠕变，即使外荷载不再增加，变形仍接着开展，形,极限强度、断裂时的延长率ε和冲击 在屈服点当应力超过 成所谓流幅对于平凡低碳钢，当相对变形到达2.5％-3％后，材料进入第三工作阶段，即自动强化阶段，钢材重新获得承受较高荷载的实力极限强度与试件破坏前的最大荷载相对应的应力 流幅的存在是平凡碳素钢的一个重要特性，它能使构造应力趋于匀称，解除构造因局部应力太大而过早破坏因此，流幅是提高构造物平安度的一种因素 当应力到达无法正常工作，过 时，虽然不会引起构造破坏，但因变形过大，构造物可能已应认为是容许运用应力的上限平凡低碳钢的极限强度超是值55％～95％假设较低，由于变形等因素的限制，容许应力不能采纳得较高，那么材料的塑性降低，因此与ζ过高，材料的充分利用受到限制；假设不的最优比值〔最优屈强比〕在0.5～0.7范围内 延长率ε是试件实际破坏时的相对变形值，代表材料的塑性性能平凡碳素钢的ε约为20％～24％ 钢材的脆性破坏和时效硬化趋向及材料抗重复荷载和动荷载的性能用冲击韧性 表示。

冲击韧性通过试验确定，其值应不小于表13-1的数值 冲击韧性随温度的下降而下降冲击韧性起先猛烈下降时的临界温度称冷脆点选择钢材时应留意使构造物的正常运行温度不低于其冷脆点 〔二〕加工性能 钢材的加工性能主要指辊扎、冷弯、焊接等方面的性能，应通过样品试验确定 冷弯性能对于制造钢管的钢材特殊重要，因为制造钢管的根本作业是辊轧和弯曲经过冷作的钢板因有塑性变形，故发生冷强，继而时效硬化，钢材变脆 焊接性能指钢材在焊接后的性能，应保证焊缝不开裂，也不降低焊缝及相邻母材的机械性能〔如强度、延长率、冲击韧性等〕 钢管在制造过程中，辊轧、弯曲、焊接等工艺使材料的塑性降低，并产生必须的内应力为了消退上述不良影响，当管壁超过必须厚度时需进展消退内应力处理 〔三〕化学成分 钢材的化学成分影响钢材的强度、延长率和焊接性能当碳素钢的含碳量超过0.22％时，硬度急剧上升， 上升，塑性和冲击韧性降低，可焊性恶化硅的存在有同样影响，含量应限制在0.2％以内镍和锰能够提高钢材的机械性能 硫的存在降低钢材的强度，使钢材热脆，含硫量高的钢材不宜进展热处理。

磷的存在使钢材冷脆，含磷量高的钢材不宜用于制作在低温下工作的钢构造溶解于钢材中的氮和氧也使钢材变脆对以上各种杂质都应。