压力管道总论及明钢管课件.pptx

1、电站整体示意图电站整体示意图第三章 压力管道总论及明钢管 v3.1 3.1 压力管道的功用和类型压力管道的功用和类型v3.2 3.2 压力管道的供水方式与水力计算压力管道的供水方式与水力计算v3.3 3.3 钢管的材料、容许应力和管身构造钢管的材料、容许应力和管身构造v3.4 3.4 明钢管线路选择和布置明钢管线路选择和布置v3.5 3.5 镇墩结构分析镇墩结构分析v3.6 3.6 明钢管闸门、阀门和附件明钢管闸门、阀门和附件v3.7 3.7 明钢管的管身应力分析及结构设计明钢管的管身应力分析及结构设计v3.8 3.8 明钢管的抗外压失稳计算明钢管的抗外压失稳计算3.1 3.1 压力管道的功用

2、和类型压力管道的功用和类型水轮机水轮机水库水库引水管道末端的前池引水管道末端的前池调压室调压室有压状态有压状态全部或大全部或大部分水头部分水头v压力管道的概念压力管道的概念对坝式电站，压力管道的起点一般是水库进水口；对坝式电站，压力管道的起点一般是水库进水口；对无压引水式的电站，压力管道的起点一般是压对无压引水式的电站，压力管道的起点一般是压力前池；对有压引水式电站，压力管道的起点一力前池；对有压引水式电站，压力管道的起点一般是从调压室开始。般是从调压室开始。坝式水电站坝式水电站无压引水式水电站无压引水式水电站压力管道压力管道压力管道压力管道有压引水式水电站有压引水式水电站调压室调压室 坡度陡

3、坡度陡 承受电站的最大水头，且承受水锤产生的承受电站的最大水头，且承受水锤产生的动动水压力比较大水压力比较大。 靠近厂房，因此它必须是安全可靠的，万一靠近厂房，因此它必须是安全可靠的，万一出现事故，将直接危及厂房安全。出现事故，将直接危及厂房安全。基于以上特点，压力管道的经济性和安全性在基于以上特点，压力管道的经济性和安全性在水电站设计过程中受到特别重视。水电站设计过程中受到特别重视。v压力管道的特点压力管道的特点v压力管道的基本参数压力管道的基本参数压力管道的主要荷载是内水压力，在工程上，压力管道的主要荷载是内水压力，在工程上，管道内径管道内径 D(m) D(m) 和水头和水头 H(m) H

4、(m) 及其乘积及其乘积 HD(mHD(m2 2) )值是标志压力管道规模及其技术难度的最重值是标志压力管道规模及其技术难度的最重要特征值。要特征值。 随着国内外越来越多的大型常规电站和抽水随着国内外越来越多的大型常规电站和抽水蓄能电站的兴建，管道的蓄能电站的兴建，管道的HDHD值急剧增长，压值急剧增长，压力管道日益向着巨型化和超巨型化发展。力管道日益向着巨型化和超巨型化发展。 三峡工程，坝式电站，三峡工程，坝式电站，D D12.4m12.4m，H H140m 140m ，HDHD1730m1730m2 2；山西西龙池抽水蓄能电站山西西龙池抽水蓄能电站D D3.5m3.5m，H H1015m

5、1015m ，HDHD3552m3552m2 2；国外国外HDHD值最高的出现在抽水蓄能电站，已超过值最高的出现在抽水蓄能电站，已超过5000m5000m2 2）按材料分按材料分 按布置方式分按布置方式分v压力管道的类型压力管道的类型露天式（明钢管）露天式（明钢管）地下式（地下埋管）地下式（地下埋管）混凝土坝身管混凝土坝身管钢管钢管钢筋混凝土管钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管压压力力管管道道中高水头电站中高水头电站中小型电站中小型电站HD值较大电站值较大电站木管木管应用较少应用较少木管木管钢筋混凝土管钢筋混凝土管钢管管节钢管管节 明管明管 (exposed penstock)(ex

6、posed penstock)：暴露在空气中，暴露在空气中，一般在引水式地面厂房电站中采用。一般在引水式地面厂房电站中采用。 按照材料的不同，明管可分为：按照材料的不同，明管可分为： a a钢管钢管, ,白山二期电站的压力管道白山二期电站的压力管道 b b钢筋混凝土管：普通钢筋混凝土管因易于钢筋混凝土管：普通钢筋混凝土管因易于开裂，在工程中应用很少，一般只用在开裂，在工程中应用很少，一般只用在HDHD值值50m50m2 2的电站。的电站。 c c钢衬钢筋混凝土管：钢衬与外包钢筋混凝钢衬钢筋混凝土管：钢衬与外包钢筋混凝土联合承载，可减小钢衬厚度；按限裂设计，充土联合承载，可减小钢衬厚度；按限裂设

7、计，充分发挥钢筋作用，适用于分发挥钢筋作用，适用于HDHD值较大的电站。云南值较大的电站。云南的依萨河电站是我国第一个采用地面式钢衬钢筋的依萨河电站是我国第一个采用地面式钢衬钢筋混凝土管的电站。混凝土管的电站。明明管管示示意意图图为了使管壁受力为了使管壁受力均匀，支座处管均匀，支座处管壁加支承环；壁加支承环；为保持钢管抗外为保持钢管抗外压稳定，有时在压稳定，有时在支承环间加设加支承环间加设加劲环。劲环。 地下埋管地下埋管 (underground penstock)(underground penstock) ：埋藏：埋藏于地下岩层中的钢管，它可以是斜的，垂直的，于地下岩层中的钢管，它可以是斜

8、的，垂直的，因此也被称为斜井，竖井。因此也被称为斜井，竖井。 地下埋管是大中型水电站中应用最多的一种地下埋管是大中型水电站中应用最多的一种压力管道。目前，国内外装机容量为压力管道。目前，国内外装机容量为100100万万kWkW以以上的常规水电站和抽水蓄能电站中，大部分采用上的常规水电站和抽水蓄能电站中，大部分采用了地下埋管。了地下埋管。 特点特点：这种管道布置灵活，能和围岩共同承：这种管道布置灵活，能和围岩共同承担水压力，并且运行不受干扰，维护简单。但是担水压力，并且运行不受干扰，维护简单。但是在地下水压较大的地方，管道受外压失稳的威胁在地下水压较大的地方，管道受外压失稳的威胁比较大，因此对地

9、下埋管一般需要进行衬砌。比较大，因此对地下埋管一般需要进行衬砌。地下埋管地下埋管示意图示意图按照衬砌形式的不同，将地下埋管分为以下四类：按照衬砌形式的不同，将地下埋管分为以下四类： 分类分类适用条件适用条件应用情况应用情况工程实例工程实例不衬砌不衬砌地质条件很好地质条件很好 在挪威应在挪威应用的较多用的较多 广西天湖水电站广西天湖水电站压力竖井和斜井压力竖井和斜井 喷锚或钢筋喷锚或钢筋混凝土衬砌混凝土衬砌 地质条件稍差地质条件稍差 在抽水蓄在抽水蓄能电站中能电站中广蓄和天荒坪抽广蓄和天荒坪抽水蓄能电站水蓄能电站 钢衬钢衬+ +回填回填混凝土混凝土 地质条件很差，地质条件很差，对防渗要求较高对防

10、渗要求较高 应用比应用比较广泛较广泛 二滩水电站和鲁二滩水电站和鲁布革水电站布革水电站钢衬钢筋混钢衬钢筋混凝土衬砌凝土衬砌 地质条件稍差，地质条件稍差，施工非常复杂施工非常复杂 工程中很工程中很少应用少应用 在国内只有天生在国内只有天生桥电站中采用桥电站中采用 混凝土坝身管混凝土坝身管 ：这种管道形式一：这种管道形式一般依附于坝身，并且在混凝土坝后式水电般依附于坝身，并且在混凝土坝后式水电站中应用非常广泛。站中应用非常广泛。 特点：它由于进水口设于坝体，结构特点：它由于进水口设于坝体，结构紧凑简单，因此引水长度最短，水头损失紧凑简单，因此引水长度最短，水头损失小，机组调节保证条件好。但是管道的

11、安小，机组调节保证条件好。但是管道的安装会干扰坝体施工，同时，坝内埋管空腔装会干扰坝体施工，同时，坝内埋管空腔会削弱坝体，使坝体应力恶化。会削弱坝体，使坝体应力恶化。 混凝土坝身管按照管道在坝身上的不同混凝土坝身管按照管道在坝身上的不同位置，可以分为以下三类：位置，可以分为以下三类：a a坝内埋管坝内埋管 (penstock embedded in dam)(penstock embedded in dam)b b坝上游面管坝上游面管 (penstock laid on upstream surface of dam)(penstock laid on upstream surface of

12、dam)c c坝下游面管坝下游面管 (penstock laid on downstream surface of dam)(penstock laid on downstream surface of dam) 布置在坝体内部布置在坝体内部, ,多为坝后式或坝内式厂房采多为坝后式或坝内式厂房采用。布置型式有竖井式和斜井式。工程实例：直用。布置型式有竖井式和斜井式。工程实例：直径最大的是广西红水河岩滩电站钢管，径最大的是广西红水河岩滩电站钢管，d=10.8md=10.8m。坝内埋管坝内埋管坝后式厂房坝后式厂房坝内式厂房坝内式厂房 管道大部分位管道大部分位于水库内，检修于水库内，检修维护很困难，

13、在维护很困难，在国内工程中很少国内工程中很少使用，比较典型使用，比较典型的是伊朗的卡比的是伊朗的卡比尔水电站。尔水电站。 坝上游面管坝上游面管 由于进水口较由于进水口较高，减少了对坝高，减少了对坝体的削弱，同时体的削弱，同时有利于保持大坝有利于保持大坝的整体性，因此的整体性，因此在工程中应用很在工程中应用很广泛。在我国东广泛。在我国东江和紧水滩水电江和紧水滩水电站都采用了这种站都采用了这种型式。型式。坝下游面管坝下游面管按布置方式分按布置方式分分类分类明管：明管：暴露在空气中暴露在空气中( (无压引水式电站无压引水式电站) )钢管钢管钢筋混凝土管钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管地下

14、埋管地下埋管: : 埋入岩体。埋入岩体。( (超过超过100100万万kW 以上的常规水电站以上的常规水电站和抽水蓄能电站和抽水蓄能电站) )不衬砌不衬砌喷锚或混凝土衬砌喷锚或混凝土衬砌钢衬钢衬+ +回填混凝土回填混凝土钢衬钢筋混凝土衬砌钢衬钢筋混凝土衬砌混凝土坝身管：混凝土坝身管： 依附于坝身依附于坝身( (混凝土重力坝及重力拱坝混凝土重力坝及重力拱坝) )坝内管道坝内管道坝上游面管坝上游面管坝下游面管坝下游面管 v压力管道类型小节压力管道类型小节 管道与厂房的相对位置主要取决于整管道与厂房的相对位置主要取决于整个厂区枢纽布置中各建筑物的布置情况，个厂区枢纽布置中各建筑物的布置情况，另外水电

15、站机组往往不止一台，压力管道另外水电站机组往往不止一台，压力管道可能有一根或数根，压力管道向机组的供可能有一根或数根，压力管道向机组的供水常有这样三种类型水常有这样三种类型 ：3.3. 压力管道的供水方式与水力计算压力管道的供水方式与水力计算v压力管道的供水方式压力管道的供水方式v压力管道的供水方式压力管道的供水方式 单元供水单元供水 联合供水联合供水 分组供水分组供水 1 1单元供水：一管一机。机组前不设快速阀门。单元供水：一管一机。机组前不设快速阀门。v优点：结构简单优点：结构简单( (无岔管无岔管) )、工作可靠、灵活性好，、工作可靠、灵活性好，易于制作易于制作v缺点：相同水头损失下，造

16、价较高缺点：相同水头损失下，造价较高v布置：平面尺寸大，与前室、调压室连接困难布置：平面尺寸大，与前室、调压室连接困难v适用：适用：(1) (1) 单机流量大、长度短的地下埋管或明管；单机流量大、长度短的地下埋管或明管； (2) (2) 混凝土坝内管道混凝土坝内管道v压力管道的供水方式压力管道的供水方式2 2联合供水联合供水：一根主管，向多台机组供水。单机规模大，多分一根主管，向多台机组供水。单机规模大，多分岔管。机组前设快速阀门。岔管。机组前设快速阀门。v优点：相同水头损失下，造价较低优点：相同水头损失下，造价较低v缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差v布置：较容

17、易布置：较容易v适用：广泛应用于地下埋管和明管，机组数较适用：广泛应用于地下埋管和明管，机组数较少、单机流量较小、引水道较长。少、单机流量较小、引水道较长。v压力管道的供水方式压力管道的供水方式v压力管道的供水方式压力管道的供水方式2 2分组供水分组供水：设多根主管，每根主管向数台机组供水。单管规设多根主管，每根主管向数台机组供水。单管规模适中，少分岔管。设快速阀门。模适中，少分岔管。设快速阀门。v造价：介于前两种之间造价：介于前两种之间v布置：介于前两种之间布置：介于前两种之间v适用：广泛应用于地下埋管和明管。压力水管适用：广泛应用于地下埋管和明管。压力水管较长，机组台数多，单机流量不大的情

18、况。较长，机组台数多，单机流量不大的情况。供水方式选定以后，每条管道通过的流供水方式选定以后，每条管道通过的流量也随之确定，接着应对管道直径进行量也随之确定，接着应对管道直径进行选择。选择。由于管道费用较高，直径越小，管道用由于管道费用较高，直径越小，管道用材及造价越低，但管中流速越大，水头材及造价越低，但管中流速越大，水头损失与发电损失也越大。因此管道直径损失与发电损失也越大。因此管道直径应进行经济比较选定。应进行经济比较选定。v压力管道直径的选择压力管道直径的选择压力管道的直径通过动能经济计算确定。压力管道的直径通过动能经济计算确定。 一般做法是：初拟几个直径，进行动能经济一般做法是：初拟

19、几个直径，进行动能经济比较，选定最优直径。比较，选定最优直径。初设时可用下列经验公式初定管道直径。初设时可用下列经验公式初定管道直径。Q Qmaxmax钢管的最大设计流量，钢管的最大设计流量，单位：单位：m m3 3/s/sH Hp p设计水头，设计水头，m m。v压力管道直径的选择压力管道直径的选择7max3pHKQD K为系数，它与摩阻、材料价格、折旧费、维为系数，它与摩阻、材料价格、折旧费、维修费、电价、管道年运行小时等因素有关。修费、电价、管道年运行小时等因素有关。 1 1、恒定流计算：主要是为了确定管道的、恒定流计算：主要是为了确定管道的水头损失，它包括摩阻损失和局部损失。水头损失，

20、它包括摩阻损失和局部损失。（1 1）摩阻损失）摩阻损失： （曼宁公式）；每米管长（曼宁公式）；每米管长内摩阻损失。内摩阻损失。 （2 2）局部损失（包括进口、拦污栅、门槽、）局部损失（包括进口、拦污栅、门槽、渐变段、弯段、分岔管等处局部损失）：渐变段、弯段、分岔管等处局部损失）： v压力管道水力计算压力管道水力计算：局部损失系数；：局部损失系数；gvh22Rcvi22/611Rnc 2 2、 非恒定流计算：即水锤计算（七、八、九章）非恒定流计算：即水锤计算（七、八、九章）（）确定最高压力线及其分布：（）确定最高压力线及其分布：正常工况（上游正常高水位，机组丢弃全负荷）正常工况（上游正常高水位，

21、机组丢弃全负荷）特殊工况（上游最高发电水位，机组丢弃全负荷）特殊工况（上游最高发电水位，机组丢弃全负荷）（）确定最低压力线及其分布：（）确定最低压力线及其分布：最低压力线上游最低发电水位，即死水位时，最低压力线上游最低发电水位，即死水位时，电站最后一台机组投入运行，或是机组丢弃负荷电站最后一台机组投入运行，或是机组丢弃负荷由正水锤反射而成的负水锤。由正水锤反射而成的负水锤。校核管线布置时要求管顶至少应在最低压力线以校核管线布置时要求管顶至少应在最低压力线以下下2m2m。压力钢管长期承受高的内水压及力以及压力钢管长期承受高的内水压及力以及水锤冲击等动力作用，属于压力容器类水锤冲击等动力作用，属于

22、压力容器类结构，对材料要求严格，早期压力钢管结构，对材料要求严格，早期压力钢管事故多为选材不当所致。事故多为选材不当所致。 3.3 3.3 钢管的材料、容许应力和管身构造钢管的材料、容许应力和管身构造v钢管的受力钢管的受力管道的受力构件有管壁、加劲环、支承环、支座管道的受力构件有管壁、加劲环、支承环、支座滚轮、支承板等。滚轮、支承板等。v工作特点：内水压力大，并经常承受冲击荷工作特点：内水压力大，并经常承受冲击荷载的作用；低温状态下工作载的作用；低温状态下工作( (水温在水温在44左右左右) )对钢材的工作条件不利。对钢材的工作条件不利。v制作过程：制作过程：板裁：冷卷、辊压成形；板裁：冷卷、

23、辊压成形；现场焊接现场焊接 ( ( 焊前对钢材和焊接材料进行材焊前对钢材和焊接材料进行材质检验、可焊性试验，保证材料质量质检验、可焊性试验，保证材料质量) )；检查焊缝检查焊缝( ( 射线、超声波射线、超声波) ) v压力管道的工作特点和制作程序压力管道的工作特点和制作程序钢材的屈服强度钢材的屈服强度抗拉强度抗拉强度 （屈强比（屈强比 / / ）断裂时的延伸率断裂时的延伸率冲击韧性冲击韧性 （反映材料抵抗冲击能力）（反映材料抵抗冲击能力） 塑性指标（伸长率塑性指标（伸长率 和断面收缩率和断面收缩率 ）机械性能机械性能辊轧辊轧冷弯（塑性变形、冷作强化、冷脆）冷弯（塑性变形、冷作强化、冷脆）焊接（

24、工艺简单焊接（工艺简单 ，无裂纹和残余应力），无裂纹和残余应力） 加工性能加工性能化学成分：主要是钢材的化学和合金的含量方面的要化学成分：主要是钢材的化学和合金的含量方面的要求。它们影响钢材的强度、求。它们影响钢材的强度、 、焊接性能。例如含碳、焊接性能。例如含碳不要过高不要过高( (脆脆) )，硫、磷等有害元素需严格控制。，硫、磷等有害元素需严格控制。sbkav钢材的基本性能钢材的基本性能sb机械性能机械性能：一般来说，强度越高，塑韧性越差。：一般来说，强度越高，塑韧性越差。对于压力钢管这样的容器，良好的塑韧性十分重对于压力钢管这样的容器，良好的塑韧性十分重要，它能使结构应力趋于均匀，减少应

25、力集中，要，它能使结构应力趋于均匀，减少应力集中，提高承载力，防止脆断，增加安全性，有利于冷提高承载力，防止脆断，增加安全性，有利于冷加工成型和焊接。宁可强度低而保证塑韧性高。加工成型和焊接。宁可强度低而保证塑韧性高。举例来说：举例来说：A A3 3 钢塑韧性好，但容许应力钢塑韧性好，但容许应力（240）低；低；16Mn16Mn钢强度较高钢强度较高（330），但塑韧性差。，但塑韧性差。当当HDHD值不够大时，选择值不够大时，选择 A A3 3钢；钢；只有当只有当 HD600mHD600m2 2，=32mm=32mm40mm40mm， A A3 3 钢不易钢不易加工时采用加工时采用16Mn16M

26、n。常用钢材常用钢材22223/390:15/390:15/330:16/240:mmNMnTimmNMnVmmNMnmmNAssss高强钢高强钢2/690;490mmNs钢管一般采用镇静溶炼的热轧平炉低碳钢或低合金钢管一般采用镇静溶炼的热轧平炉低碳钢或低合金钢。钢。v常用钢材常用钢材2/600mmNs我国：我国：日本：日本：2/800600mmNs美国：美国：原苏联：原苏联：高强钢高强钢 A517A5172/700mmNs 1 1、优点：、优点：工艺简单，价格不贵。加工和焊接性工艺简单，价格不贵。加工和焊接性能良好。就是钢材屈服强度不高。一般能良好。就是钢材屈服强度不高。一般 A A3 3、

27、16Mn16Mn不需论证，可直接采用。不需论证，可直接采用。 2 2、缺点：、缺点：随着水电站钢管参数的提高，常用钢随着水电站钢管参数的提高，常用钢材已不能满足要求，如继续采取强度等级低的钢材已不能满足要求，如继续采取强度等级低的钢材，钢板厚度必然增加。当厚度增加到一定程度材，钢板厚度必然增加。当厚度增加到一定程度时，加工焊接和运输都会出现困难，造价也将增时，加工焊接和运输都会出现困难，造价也将增加。加。要改善这一状况，必须采用强度等级高的钢材。要改善这一状况，必须采用强度等级高的钢材。常用的钢材优缺点常用的钢材优缺点高强钢优缺点高强钢优缺点1 1、优点：、优点：经济上有利。钢管厚度可以减薄，

28、经济上有利。钢管厚度可以减薄，用材量少，运输、加工、焊接、安装等费用用材量少，运输、加工、焊接、安装等费用可降低，总成本相对较低。另外，由于重量可降低，总成本相对较低。另外，由于重量轻，有利于将管节焊成较长管段进行安装，轻，有利于将管节焊成较长管段进行安装，可缩短工期。可缩短工期。2 2、缺点、缺点：含有镍、铝等合金元素，价格高，：含有镍、铝等合金元素，价格高，焊接较困难。焊接较困难。注：若采用高强钢，要有充分的论证。注：若采用高强钢，要有充分的论证。 v钢材的容许应力钢材的容许应力ks 水电站钢管多按允许应力设计，允许应力常以钢水电站钢管多按允许应力设计，允许应力常以钢材屈服强度百分比表示。

29、材屈服强度百分比表示。 ，安全系数，安全系数 K K可参考可参考有关规范。有关规范。应力区域应力区域膜应力区膜应力区局部应力区局部应力区荷载组合荷载组合基本基本特殊特殊基本基本特殊特殊内力性质内力性质轴力轴力轴力轴力轴力轴力弯矩弯矩轴力轴力轴力轴力弯矩弯矩允允许许应应力力明管明管0.55s0.55s0.7s0.7s0.67s0.67s0.85s0.85s0.8s0.8s1.0s1.0s地下地下埋管埋管0.67s0.67s0.9s0.9s坝内坝内埋管埋管0.67s0.67s0.8s0.8s0.9s0.9s 对基本荷载组合，对明管和钢管膜应力区，对基本荷载组合，对明管和钢管膜应力区， K K取大值

30、，即取大值，即 取小值；取小值； 对特殊荷载组合，对埋藏式钢管和钢管的局部对特殊荷载组合，对埋藏式钢管和钢管的局部应力区，应力区，K K取小值，即取小值，即 取大值；取大值； 对于屈强比大的钢材，试用新钢材和弯管、岔对于屈强比大的钢材，试用新钢材和弯管、岔管或特别重要的部位，管或特别重要的部位， 需适当降低；需适当降低；另外，焊缝强度的折减系数另外，焊缝强度的折减系数 ，应根据焊缝类别，应根据焊缝类别和探伤要求，取为和探伤要求，取为0.900.950.900.95。 第四强度理论第四强度理论: : 其中：其中： 焊缝系数一般可取焊缝系数一般可取0.9 - 0.95, 0.9 - 0.95, 与

31、焊缝方法、与焊缝方法、探伤标准、建筑物等级有关。探伤标准、建筑物等级有关。可忽略时，强度校核可近似表示作：可忽略时，强度校核可近似表示作：)(3222222xrxrxrrxrxrxrr,3222xxxv钢材的强度校核钢材的强度校核xr,钢管环向，径向和轴向应力钢管环向，径向和轴向应力; ;rxrx,钢管各方面剪应力钢管各方面剪应力; ; 压力钢管按其构造又分为无缝钢管、焊接压力钢管按其构造又分为无缝钢管、焊接管和箍管，其中焊接管应用最普遍。管和箍管，其中焊接管应用最普遍。 1 1、无缝钢管、无缝钢管 无纵缝，横缝用焊接、法兰连接成整体，无纵缝，横缝用焊接、法兰连接成整体，强度高，造价高，施工困

32、难。强度高，造价高，施工困难。 国内：国内：D60cmD60cm；国外：；国外：D120cmD120cm。 适用高水头小流量电站。适用高水头小流量电站。 v管身构造管身构造钢管管节钢管管节 2 2、焊接管：、焊接管：钢板按要求的曲率辊成弧形，焊接成管段。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，造价低。适用于各种直径、水头，造价低。 (1) (1) 纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴。纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴。 (2) (2) 相邻管壁厚度差相邻管壁厚度差2mm2mm，内部光滑，外，内部光滑，外部成台阶状。部成台阶状。焊接管焊接管3 3、箍管：钢管外加钢箍。应用少。

33、直径一般不大、箍管：钢管外加钢箍。应用少。直径一般不大于于3.0m 3.0m 。当当HDHD1000m1000m2 2时，钢板厚度一般会超过时，钢板厚度一般会超过40mm40mm，对如此厚的钢板进行焊接和压卷很困难，常采用对如此厚的钢板进行焊接和压卷很困难，常采用箍管，由管壁与管箍共同承担内水压强。在光滑箍管，由管壁与管箍共同承担内水压强。在光滑的无缝钢管或焊接管上套管箍，可减小壁厚。的无缝钢管或焊接管上套管箍，可减小壁厚。钢管最小厚度：钢管最小厚度：min(D/800+4)mmmin(D/800+4)mm，或，或6mm6mm防腐、防锈措施：防腐、防锈措施：涂料、喷镀、化学保护。加防锈厚度涂料

34、、喷镀、化学保护。加防锈厚度2mm2mm。箍管箍管教材中对焊接管一些最主要的构造要教材中对焊接管一些最主要的构造要求作了说明，如（最小壁厚、管径变求作了说明，如（最小壁厚、管径变化、焊缝要求、椭圆度、管壁防锈厚化、焊缝要求、椭圆度、管壁防锈厚度等），进行具体设计时需查阅有关度等），进行具体设计时需查阅有关规范。规范。 比如：对于明钢管，比如：对于明钢管，1. 1. 纵缝不应布置在横断面的水平轴线和垂直轴线上，纵缝不应布置在横断面的水平轴线和垂直轴线上，与轴线的夹角应大于与轴线的夹角应大于1010o o 。2. 2. 管壁最小结构厚度为：管壁最小结构厚度为： , , 也不宜小也不宜小于于6mm6

35、mm。并且要考虑。并且要考虑 2mm 2mm 锈蚀厚度。锈蚀厚度。3. 3. 钢管安装完毕后，其椭圆度（即相互垂直的两管径钢管安装完毕后，其椭圆度（即相互垂直的两管径的最大差值与标准管径之比）不得超过的最大差值与标准管径之比）不得超过0.5%0.5%等。等。4800/)( Dmm主要的构造要求主要的构造要求3.4 3.4 明钢管线路选择和布置明钢管线路选择和布置v明管线路选择明管线路选择 (1)(1)管道线路应尽可能短而直管道线路应尽可能短而直，以降低造价，减少水头，以降低造价，减少水头损失，降低水锤压力和改善机组运行条件。损失，降低水锤压力和改善机组运行条件。 (2)(2)选择良好的地质条件

36、选择良好的地质条件，使钢管支承在坚固的地基上。，使钢管支承在坚固的地基上。避开可能滑坡和崩塌的地段，以及对个别地段采取切避开可能滑坡和崩塌的地段，以及对个别地段采取切实可靠的防护措施。实可靠的防护措施。 (3)(3)尽量减少管道线路的起伏波折。尽量减少管道线路的起伏波折。管线应避免与交通管线应避免与交通线路或其他管道交叉，不可避免时设专门桥涵互相隔线路或其他管道交叉，不可避免时设专门桥涵互相隔离并采取其他安全措施。离并采取其他安全措施。明管的线路选择应与水电站引水系统中其他建筑物明管的线路选择应与水电站引水系统中其他建筑物, ,特特别是前池或调压室还有和水电站厂房的布置统一考虑别是前池或调压室

37、还有和水电站厂房的布置统一考虑. .正向引进：正向引进：钢管轴线与厂房纵轴线垂直。钢管轴线与厂房纵轴线垂直。优点：水流平顺，水头损失小。缺点：管道优点：水流平顺，水头损失小。缺点：管道破裂，高压水流对厂房和人员的威胁大。破裂，高压水流对厂房和人员的威胁大。适用：中低水头电站；高水头增加防护措施适用：中低水头电站；高水头增加防护措施斜向引进：斜向引进：介于正向引进和纵向引进之间。介于正向引进和纵向引进之间。当地形、地质、引水系统及厂房布置当地形、地质、引水系统及厂房布置要求适宜时采用这种布置方式。要求适宜时采用这种布置方式。适用：分组供水和联合供水的水电站适用：分组供水和联合供水的水电站纵向纵向

38、引进：引进：钢管轴线与厂房纵轴线平行。钢管轴线与厂房纵轴线平行。优点：减轻了对厂房人员威胁。优点：减轻了对厂房人员威胁。缺点：水头损失增加，开挖量增加缺点：水头损失增加，开挖量增加适用：高中水头电站适用：高中水头电站明明管管布布置置一、一、明钢管敷设方式明钢管敷设方式明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小明钢管一般敷设在一系列支墩上，离地面不小于于60cm60cm，支墩仅起支承管身的作用，管身可在，支墩仅起支承管身的作用，管身可在支墩的支座上移动；转弯处设镇墩，将水管完支墩的支座上移动；转弯处设镇墩，将水管完全固定，相当于梁的固定端。全固定，相当于梁的固定端。按两镇墩间是否设伸缩节，明钢管敷

39、设方式可按两镇墩间是否设伸缩节，明钢管敷设方式可划分为：划分为：v明钢管敷设和支承方式明钢管敷设和支承方式连续式连续式分段式分段式明明钢钢管管敷敷设设方方式式示示意意图图 连续式连续式: : 两个镇墩之间的管段是连续的即不设伸缩节。两个镇墩之间的管段是连续的即不设伸缩节。由于水管两端受镇墩的约束，所以当温度变化时，由于水管两端受镇墩的约束，所以当温度变化时，管壁中会产生很大的温度力，对镇墩的稳定不利。管壁中会产生很大的温度力，对镇墩的稳定不利。除了在特殊部位，一般很少采用这种方式。除了在特殊部位，一般很少采用这种方式。 分段式分段式: : 在两个镇墩之间的钢管上设置一个伸缩节。为在两个镇墩之间

40、的钢管上设置一个伸缩节。为减少伸缩节内内水压力和便于安装钢管，减少伸缩节内内水压力和便于安装钢管，伸缩节宜伸缩节宜设在靠近镇墩的下游侧设在靠近镇墩的下游侧。当温度变化时，水管可以。当温度变化时，水管可以沿轴线方向自由伸缩，从而沿轴线方向自由伸缩，从而消除了管壁内的大部消除了管壁内的大部分温度应力分温度应力，也，也减小了作用在镇墩上的作用力减小了作用在镇墩上的作用力，同时还能同时还能适应少量的不均匀沉陷和变形适应少量的不均匀沉陷和变形。 （一）（一）支墩支墩1 1、作用：支承钢管，承受管重和水重的法、作用：支承钢管，承受管重和水重的法向分力，相当于梁的向分力，相当于梁的滚动支承滚动支承。温度变化

41、。温度变化时允许水管在轴向自由移动。时允许水管在轴向自由移动。2 2、类型：、类型：支墩按其支座与管身相对位移的特征分：支墩按其支座与管身相对位移的特征分： 滑动式支座（鞍式、支承环式）；滑动式支座（鞍式、支承环式）； 滚动式支座；滚动式支座； 摇摆式支座。摇摆式支座。v明钢管的支墩和镇墩明钢管的支墩和镇墩支墩支墩鞍形滑动式支座：鞍形滑动式支座：将管道将管道直接支承直接支承在一个鞍形的混在一个鞍形的混凝土支座上，包角为凝土支座上，包角为9090o o-120-120o o。其。其结构简单，但管身受力不均匀，结构简单，但管身受力不均匀，摩擦力大（支座上铺钢板，同时摩擦力大（支座上铺钢板，同时接触

42、面加润滑剂），适用于直径接触面加润滑剂），适用于直径小于小于1m1m的钢管。的钢管。支承环式滑动支墩：支承环式滑动支墩：钢管钢管通过支承环放置通过支承环放置在鞍形支墩在鞍形支墩上，改善了支承部分管壁的受力上，改善了支承部分管壁的受力不均匀现象，适用于直径小于不均匀现象，适用于直径小于2m2m的钢管。的钢管。滚动式支座滚动式支座特点是特点是在支承环与支承面之间设在支承环与支承面之间设置圆柱形辊轴置圆柱形辊轴，摩擦系数小，常，摩擦系数小，常用于垂直荷载较小而管径大于用于垂直荷载较小而管径大于米的钢管。米的钢管。摆动式支座摆动式支座在支承环和支承面之间设一个可在支承环和支承面之间设一个可以摆动的短柱

43、，以摆动的短柱，其下端与支承板其下端与支承板铰接，上端以圆弧面与支承环的铰接，上端以圆弧面与支承环的上托板接触，钢管变形时，短柱上托板接触，钢管变形时，短柱前后摆动，摩擦力很小，用于管前后摆动，摩擦力很小，用于管径大于米的钢管。径大于米的钢管。（二）镇墩（二）镇墩 1 1、作用：、作用：将钢管固定在山坡上，主要承受因管道转弯而产将钢管固定在山坡上，主要承受因管道转弯而产生的生的轴向不平衡力轴向不平衡力，不允许管道在镇墩处发生任，不允许管道在镇墩处发生任何位移。镇墩是依靠自重来维持稳定。何位移。镇墩是依靠自重来维持稳定。 2 2、布置：在水管转弯处，直线段不超过、布置：在水管转弯处，直线段不超过

44、150m150m。若超过可在其间加设镇墩；若管道纵坡较缓，也若超过可在其间加设镇墩；若管道纵坡较缓，也可不加镇墩，而将伸缩节置于该管道中部，以减可不加镇墩，而将伸缩节置于该管道中部，以减少管身与支墩间摩擦力引起的钢管轴力。少管身与支墩间摩擦力引起的钢管轴力。支承环支承环镇墩镇墩支墩支墩伸缩节伸缩节加劲环加劲环3 3、类型：、类型：镇墩依靠本身重量固定钢管，一般用混凝镇墩依靠本身重量固定钢管，一般用混凝土浇制，按钢管在镇墩上的固定方式，分土浇制，按钢管在镇墩上的固定方式，分为为封闭式封闭式和和开敞式开敞式两种形式。两种形式。将弯管段用锚拴锚在管道将弯管段用锚拴锚在管道下部的混凝土墩上，镇墩下部的

45、混凝土墩上，镇墩处管道受力不均匀，但易处管道受力不均匀，但易于管道检修。应用较少。于管道检修。应用较少。将弯管段整个埋在混凝土中，将弯管段整个埋在混凝土中，在镇墩表面布置温度筋，钢管在镇墩表面布置温度筋，钢管周围设环向钢筋和一定数量的周围设环向钢筋和一定数量的锚筋。固定管道效果较好，结锚筋。固定管道效果较好，结构简单，镇墩处管道受力均匀。构简单，镇墩处管道受力均匀。应用广泛。应用广泛。封闭式封闭式开敞式开敞式环向钢筋和锚筋环向钢筋和锚筋锚拴锚拴3.5 3.5 镇墩结构分析镇墩结构分析(1)(1) 内水压力内水压力正常蓄水位的静水压力；正常蓄水位的静水压力；正常工作情况最高水位（正常蓄水位、丢弃

46、全负荷）正常工作情况最高水位（正常蓄水位、丢弃全负荷）特殊工作情况最高水位（最高发电水位、丢弃全负荷）特殊工作情况最高水位（最高发电水位、丢弃全负荷）水压试验内水压力水压试验内水压力(2) (2) 钢管结构自重。钢管结构自重。(3) (3) 钢管内满水位。钢管内满水位。(4) (4) 钢管充水、放水过程中，管内部分水重。钢管充水、放水过程中，管内部分水重。(5) (5) 温度变化引起的力，即伸缩节和支墩的摩擦力。温度变化引起的力，即伸缩节和支墩的摩擦力。v作用在钢管及墩座上的力和荷载的种类作用在钢管及墩座上的力和荷载的种类(6) (6) 管道直径变化处、转弯处及作用在闷头、闸阀、管道直径变化处

47、、转弯处及作用在闷头、闸阀、伸缩节上的水压力。伸缩节上的水压力。(7) (7) 镇墩、支墩不均匀沉陷引起的力。镇墩、支墩不均匀沉陷引起的力。(8) (8) 风荷载。风荷载。(9) (9) 雪荷载。雪荷载。(10) (10) 施工荷载。施工荷载。(11) (11) 地震荷载。地震荷载。(12) (12) 管道放空时通气设备造成的气压差。管道放空时通气设备造成的气压差。 v计算工况与荷载组合计算工况与荷载组合荷载组合包括荷载组合包括基本荷载组合基本荷载组合和和特殊荷载组合特殊荷载组合。1 1、 基本荷载组合基本荷载组合(1)(1) 正常运行情况一：正常运行情况一： + +（2 2）+ + （3 3

48、） + + （5 5） + + （6 6） + + （7 7）(2) (2) 正常运行情况二：正常运行情况二： + +（2 2）+ + （3 3） + + （5 5） + + （6 6） + + （7 7）+ + （8 8）或（）或（9 9）(3) (3) 放空工况：放空工况：（1212）2 2、 特殊荷载组合特殊荷载组合 (1) (1) 特殊运行情况：特殊运行情况： + +（2 2）+ + （3 3） + + （5 5） + + （6 6） + + （7 7）(2) (2) 水压试验情况水压试验情况： + +（2 2）+ + （3 3） + + （5 5） (3) (3) 施工情况：施工情况

49、：（2 2）+ + （5 5） + + （8 8）或（）或（9 9） + + （1010）(4) (4) 充水情况：充水情况： （2 2） + + （4 4）(5) (5) 地震情况：地震情况： + +（2 2）+ + （3 3） + + （5 5） + + （6 6） + + （7 7）+ + （1111）在进行钢管应力分析时，由于实际情况很在进行钢管应力分析时，由于实际情况很复杂，可能有不同情况出现，各作用力并复杂，可能有不同情况出现，各作用力并不是在任何情况下同时出现。应根据管道不是在任何情况下同时出现。应根据管道的满水、放空、温升、温降等情况，找出的满水、放空、温升、温降等情况，找出最

50、不利的荷载组合，进行设计。最不利的荷载组合，进行设计。v作用在钢管及墩座上力和荷载作用在钢管及墩座上力和荷载v管轴线方向上的力管轴线方向上的力垂直于管轴线方向上的力垂直于管轴线方向上的力径向水压力径向水压力水管自重的水管自重的轴向分力轴向分力作用在阀门上作用在阀门上的内水压力的内水压力水管转弯处水管转弯处的内水压力的内水压力水管直径水管直径变化处的变化处的内水压力内水压力伸缩节端部伸缩节端部的水压力的水压力温度变化时伸缩温度变化时伸缩节填料的摩擦力节填料的摩擦力温度变化时温度变化时水管与支墩水管与支墩的摩擦力的摩擦力水在水管转弯水在水管转弯处的离心力处的离心力PDA2024PDDA）（2221