水电站压力钢管设计规范(试行)编写说明SD144-85.doc

精品文档前言第一章 总则第二章 布置第三章 材料第四章 水力计算第五章 结构分析第六章 岔管(包括附录(四)的说明)第七章 构造要求第八章 水压试验第九章 原型观测和检查维修附录(一) 明管结构分析方法附录(二) 地下埋管结构分析方法附录(三) 坝内埋管结构分析方法附录(五) 钢管防腐蚀措施主要参考资料打印刷新水电站压力钢管设计规范(试行)SD14485编写说明前言 受水利电力部规划设计院的委托，水电站压力钢管设计规范由水电部昆明勘测设计院任主编单位，原水电部安康设计院(现并入水电部西北勘测设计院和北京勘测设计院)和水电部华东勘测设计院任副主编单位，参加协编的单位有：华东水利学院、浙江大学、同济大学、清华大学、三河闸管理处、水电部第十四工程局安装处和长江流域规划办公室等。在各兄弟单位的共同努力下，于1985年3月完成了该规范的报批稿。 规范编写工作共分四个阶段进行。1980年10月编写单位在昆明召开了协调分工会议。这次会议主要研究了规范编写的原则、指导思想、编写提纲，并明确各单位的分工计划等。具体分工如下：编 写 内 容单 位主要编写人员通用部分、明管、地下埋管水电部昆明勘测设计院诸葛睿鉴、金章瑄、及汇编全文黄伟、冯元凯、严云祥坝内埋管水电部西北勘测设计院袁培义水电部北京勘测设计院潘玉华、邱彬如三梁岔、球岔从汇编水电部华东勘测设汁院巫必灵、曾阜南、吕谷生、刘蕴琪岔管部分月牙岔、无梁岔浙江大学力学系洪嘉智、钟秉章贴边岔及明管振动同济大学数学力学系徐次达、张相庭、方平强度理论及抗外华东水利学院河川系刘启钊、刘焕兴压稳定分析清华大学水利系谷兆琪、彭天玫水力计算和地下埋管结构分析构造要求水电部第十四工程局安装处张树森防腐蚀措施江苏省三河闸管理处王宁强伸缩节结构分析长江流域规划办公室刘奕光 建国以来，我国尚无水电站压力钢管设计规范，一般都是沿用苏联规范。因此，在编制过程中，本规范编写小组收集和总结了三十多年水电站压力钢管设计、施工、安装、科研和运行等方面的建设经验，并参考了国内外有关规范和资料，在广泛征求意见的基础上，于1982年12月编写成第一稿。1983年3月在水利电力部规划设计院和水利电力部昆明勘测设计院共同主持下，邀请兄弟单位50多人在昆明举行了第一稿讨论会。根据第一稿讨论会提出的意见，经各编写单位进行修改后，于1983年8月完成了第二稿。1983年12月在杭州举行了第二稿讨论会。再次修改后，于1984年11月完成第三稿。1985年3月，由水电总局主持，邀请各有关单位对水电站钢管设计、安装、施工有经验的同志逐章、逐条地对第三稿进行了审查。审查会后，编写单位在北京进行了修改，完成了报批稿。 本规范包括正文九章112条、附录6个和参考附录1个。其编制说明按章节顺序，对部分主要条文、附录的编制依据、技术成熟程度、经济效果和存在问题，以及执行过程中应注意的事项等，扼要地作了阐述。至于另外一些根据常用资料或沿用习惯作法编写的条文，就没有逐条地加以说明。 除本编制说明外，还针对某些重点问题，编写了一些专题报告。水电站压力钢管设计规范编写组第一章 总则 第1.0.1条 关于工程等别、建筑物级别的标准文件，水利电力部目前只有SDJ1278。平原地区水电站压力钢管级别划分也暂时按此标准执行。国内已建压力钢管最大参数值见表1.0.1。表1.0.1 国内已建压力钢管最大参数值结构型式直径(m)设计内压(kg/cm2)内压直径(103kg/cm)明管4(西洱河一级管桥)54(磨坊沟)7.56(磨坊沟)地下埋管8(龚嘴)72.4(以礼河三级)15.9(以礼河三级)坝内埋管8(龚嘴)15.4(乌江渡)8.78(乌江渡) 注：此外还有龚嘴临时引水明钢管，直径8m，设计内压100m。每根钢管长约30m，共四根。支座间距4.8m，结构特殊。 本规范根据国内已建工程的经验总结而成。适用范围等于或稍大于上表值。 苏联TY9511：该规范适用于D=0.47m的明管，美、日规范未写明适用范围。第二章 布置 第2.1.2条 管道供水可采用下列方式： (1)单管单机供水； (2)单管多机供水； (3)多管多机分组供水。 较短的、水轮机引用流量很大的管道，宜采用单管单机供水方式。 较长管道，宜用单管多机供水方式。并应在水轮机前设进水阀，使各机组能单独停机检修。 当一管向四台或四台以上水轮机供水，钢管检修时，停止运行的机组过多，所以应比较多管多机分组供水是否更合理。比较的因素有：经济性、机组分期安装的时期间隔、施工难易程度、电站运行灵活性及其停机对电力系统的影响等。 第2.1.3条 我国目前还没有经济管径的通用公式，外国公式不宜套用，因为各国情况不尽相同。有关经济管径选择问题，动能经济部门正在草拟设计规程。一般经验：明管和地下埋管，当内压100300m，流速约46m/s。坝内埋管内压3070m，流速约36m/s；内压70150m，约57m/s；内压150m以上，大于7m/s。坝内管较短，流速略大于引水式电站。坝内埋管的进水口、拦污栅、闸门在总造价中所占比重很大，局部损失在总水头损失中所占比重很大，都应参加比较。 第2.1.4条 管顶不得产生负压，以免危害水轮机的运行。 第2.1.7条 通气孔风速较大，宜将孔口通到启闭机室之外，并防止管口溢水，影响人员和设备的安全。通气孔上应设网格盖板，防止杂物落入。 第2.1.8条 合并成立体转弯和渐缩弯管水头损失较小，且减少制造麻烦。但地下埋管洞内安装条件较差，立体弯管不易就位，也可仍分作立面弯管和平面弯管。 第2.1.9条 钢管放空检修时，排水管可排出管内积水。施工时，排水管应经常过水。运行时，应定期过水，以防积碴淤塞。 第2.2.2条 事故排水道的设计流量目前尚难作明确的规定，它与引用流量、假设的钢管破裂程度、电站重要性有关。只能因地制宜布置排水、防冲设施。 第2.2.3条 明管底部应留出供施工和运行人员作焊接及交通用的空间。大直径明管，可适当加大此距离。 第2.2.5条 确定支座间距，可大致控制跨中连续梁弯矩应力0.15倍箍拉应力。 若地基可能产生不均匀沉陷，可将支墩基础作成条形钢筋混凝土梁或板；支座结构能调整高程等。 第2.2.7条 钢管下的地面设横向(垂直管轴)排水沟是为了防止伸缩节、人孔漏水沿管轴向漫流。 交通道一般只供运行人员检修时行走用。倾角a20者，可作成粗糙路面的斜坡道。a20者，应作成台阶(包括钢管下的地面)。 第2.3.3条 目前国内开挖时向上出渣为3035；向下出碴的斜井坡度各工程采用不同，有的为了溜碴方便，取45以上，有的为方便工人上下，取40以下，溜碴时用人力助扒。可根据布置情况和施工单位的经验采用。 第2.3.4条 排水措施的作用和可靠性随当地条件变化很大。所以在设计时对它的作用只能估计。设立监视和观测设施，也是为了累积第一性资料。排水措施一旦堵塞，将严重影响钢管的稳定性，故宜能检修。 第2.4.1条 坝内钢管平面位置通常位于坝段中央，一般坝段宽B与压力钢管直径D之比为3左右(见表2.4.1)。此比值过小时将增加孔口应力集中，也不宜考虑混凝土分担内水压。当坝与厂房连成整体等情况时，钢管也可位于坝段一侧。 第2.4.2条 坝内埋管的厂坝之间常布置有电气设备，而由于通气孔面积选择不合理、充水阀断面过大和布置不合适、操作上的失误等，往往造成通气孔在充水过程中向外溢水和喷水的现象，使电气设备短路跳闸影响电站正常运行。 第2.4.3条 充水阀相对面积过大易引起通气孔喷水，且坝内管通常较短，即使充水阀截面小一些，充水时间也不会太长。根据已建工程实际数据(见表2.4.3)，建议充水阀或旁通管面积不大于通气孔面积的1/5。表2.4.1工程名称坝型单机容量N（万kW)最大流量Qmax(m3/s)设计水头Hp(m)最大流速V(m/s)钢管直径D(m)坝段宽度B(m)B/D管顶混凝土最小厚度T1/D斜段T1(m)下平段T2(m)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)刘家峡重力坝22.52581006.707.021394.051.3丹江口重力坝15.027563.56.297.5233.0775.250.9三门峡重力坝5.020030.04.537.5233.07102.751.3龚嘴重力坝11.0266485.298.0222.7524.00.25新丰江单支墩大头坝7.25118735.565.210121.922.32.61.40.5新安江宽缝重力坝坝顶溢流7.25118735.565.2桓仁大头坝7.514353.16.735.217.333.3341.40.77柘溪单支墩大头坝7.514660.04.406.5盐锅峡重力坝4.4135395.425.6316.52.9343.20.71双牌大头坝4.5137395.565.613.212.62.362.2532.40.54石泉重力坝4.5139395.855.516.53.042.10.73凤滩重力洪坝坝内厂房10162736.585.6很厚参窝重力坝1.771.128.54.684.413.53.07较厚3.4乌江渡拱型重力坝21.02031206.186.520.03.0311.75很厚1.81涔天河双支墩大头坝0.7537.426.03.23.82.02.20.53安康重力拱坝20.030476.26.837.5233.07105.51.3上犹江重力坝1.538.248.24.23.4潘家口宽缝重力坝15.027763.56.277.5233.077.52.751.0陈村拱型重力坝5.011352.05.765.013142.62.811.61.42.32佛子岭连拱坝1.02737.06.52.36.52.801.020枫树坝空腹及宽缝重力坝7.515560.06.525.5213.86很大1.1格兰峡重力拱坝11.251374.5719.834田子仓重力坝9.51055.018.03.69.51.81.9海华西重力坝5.4915.22.780.5方塔纳重力坝4.27续表工称名称坝型T2/D转弯半径斜直段倾角钢管槽宽度(m)渐变段上弯段R1(m)下弯段R2(m)R1/DR2/D形状口(m2)长度(m)L/D(1)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)(20)(21)刘家峡重力坝0.614.514.52.12.25510.078 7不衬砌6.550.94丹江口重力坝0.756.2522.57.53.04011.56.510 7.5不衬砌8.51.13三门峡重力坝0.3718.7522.52.53.04011.5衬砌龚嘴重力坝0.512.016.01.52.05311.078 8衬砌6.50.81新丰江单支墩大头坝0.2715.015.02.92.9636.446 5.27.01.35新安江宽缝重力坝坝顶溢流10.010.01.91.96010.03.78.2 5.2不衬8.01.54桓仁大头坝0.2715.015.02.92.961不留槽46 5.210.01.92柘溪单支墩大头坝21.021.03.23.2275.57 6.510.08.61.54盐锅峡重力坝0.5720.116.93.63.0559.568 5.63不衬9.61.70双牌大头坝0.437.07.01.21.2654.56 5.6不衬3.30.59石泉重力坝0.388.2511.01.52.0608.05.57 5.5不衬4.2870.78凤滩重力洪坝坝内厂房/18.0/3.21447.3 5.6衬砌6.01.07参窝重力坝0.771844.4 4.4不衬6.61.5乌江渡拱型重力坝14.014.02.22.259不留槽5.57.5 6.5不衬9.111.4涔天河双支墩大头坝0.585.75.71.51.563安康重力洪坝0.73/21.0/2.836.59.57.59.38 7.58.01.07上犹江重力坝5.26.51.531.9190潘家口宽缝重力坝0.3722.522.53355117.59 7.511.01.47陈村拱型重力坝0.2810101.922563.78.1 5.2不衬6.31.21佛子岭连拱坝0.44/9.2/421.93.64 2.32.531.10枫树坝空腹及宽缝重力坝很大5.55.511907.546 5.5钢衬0.95格兰峡重力拱坝44竖井5.25田子仓重力坝0.425.015.0533656 57.51.5海华西重力坝0.115.215.22.782.73364.477.62 5.497.181.3方塔纳重力坝21.45293.354.27 4.274.871.14表2.4.3工程钢管直径D(m)充水装置旁通阀直径(m)通气孔直径(m)(%)陈村佛子岭新丰江桓仁凤滩盐锅峡参窝新安江龚嘴丹江口石泉安康刘家峡丰满龙羊峡西枝江5.25.02.31.9755.25.25.65.634.45.28.07.55.57.57.05.67.53.4旁通管旁通管旁通管旁通管旁通管旁通管充水阀旁通管充水阀充水阀充水阀充水阀充水阀旁通管充水阀充水阀0.40.1020.50.50.30.60.250.50.80.6520.60.80.90.30.70.31.20.2541.521.21.00.811.351.22-1221.11.221.41.20.7521.20.80.5920.1970.9250.9250.5741.140.3230.9251.000.7512.4111.141.650.2870.8710.7790.1110.1610.1110.0870.1800.3530.0340.1740.1960.1750.5000.1630.2810.1600.1700.140第三章 材料 第3.1.2条 沸腾钢偏析较大，冲击韧性较低，脆性转变温度较高，时效影响严重。钢管是冷卷的焊接结构，还要承受连续冲击载荷，在我国，最低运行水温多半接近0，因此，应使用镇静钢。 目前，有一些钢管用了沸腾钢，并不都很快失事。而冲击值要求又不反映在应力计算中，不容易直观地看出它对安全度的影响。因此，有人认为可以使用沸腾钢。 考虑到钢管事故后果严重，为慎重起见，本规范规定主要受力构件应使用镇静钢。若用沸腾钢，须按第1.0.3条，经过审批。 其实，关于镇静钢和沸腾钢的讨论，只对低碳钢有意义，低合金钢全是镇静钢。 用沸腾钢制造的钢管和爆破的钢管实例见表3.1.2.1。国内水电站高强钢(ss40kg/mm2)使用实例见表3.1.2.2。表3.1.2.1电站名大井川小见长殿大桥丰满镜泊湖六郎洞以礼河三级国名、省名日本日本日本日本中国、吉林省中国、黑龙江省中国、云南省中国、云南省建成年份19361932193719411942194219601966布置型式明管明管 明管(爆破处为回填管)地下埋管 坝内管(厂内小段明管)明管明管地下埋管直径(m)2.751.971.902.22.01.455.65.33.52.91.92.92.2钢板厚(mm)82510284.51218361419814840钢材估计相当于A3F*相当于A3F 相当于A3F，晶粒粗大，含氧量很高大致相当于A3，估计为沸腾钢 相当于A3F相当于A3F 材料很乱，估计多为A3F A3F和镇静钢最大设计内压(m)186有效水头154.5245最大水头67.59781160720母材冲击值(kgm/cm2)1.242.01E0=0.5基岩风化，钢材锈蚀严重，深2.5mm0，V形，0.61.00，V形，4.66.7约0爆破处为苏联A3镇静钢无塑性转变温度NDT焊缝质量差，未焊透人孔加强板不起作用。接缝内早有裂纹、锈蚀 质量差，未焊透有气孔、麻面，水渗入裂缝锈蚀 质量极差，有气泡裂缝，有的在切试样时散裂 质量差，未焊透有夹渣、成群气孔，抗拉强度为母材的3/4 质量差，未焊透，有气孔、裂纹、夹渣 质量差，有气孔、夹渣 一节沿焊缝旁旧的微裂纹爆破，有锈迹。另一节低应力脆性破坏，其NDT5混凝土顶部有0.15m高的大空洞应力(kg/mm2)允许12.6一般9.211.8人孔边23.325.9实测最大环向10，轴向13.9设计9(锅炉公式)运行情况 1950年因蝶阀冲关，过压爆破并屈曲 1959年沿人孔边焊缝旧裂纹爆破 1959年沿厂房前法兰旁焊缝爆破1959年斜井，环缝4处全周断裂，其他裂缝多处 迄今良好 经加固处理，运行基本良好良好 1970年1月水锤超压两节爆破(以前曾多次超压)破坏处直径(m)2.751.92.21.92.8厚度(mm)爆破21.2屈曲914加环14、1628932、36设计内压(m)430 * 屈服点40.7kg/mm2，试验知破坏前至少可承受30kg/mm2，再从允许应力看，疑为抗拉40.7。从年代看估计相当于沸腾钢A3F。表3.1.2.2电站刘家峡龚嘴碧口凤滩西洱河一级乌江渡白山省名甘肃四川甘肃湖南云南贵州吉林投产年份1969197119761978197919821983钢号14MnMoVN15MnVN15MnMoVCu14MnMoVN14MnMoNbB调质15MnVN14MnMoVN日本SPV屈服点(kg/mm2)50455050704550抗拉强度(kg/mm2)6560657065776065焊条结507新结507(结557钼钒)H14结507结557钼钒使用部位蜗壳厂内钢管和蜗壳蜗壳二节蜗壳七节岔管(埋入岩体)蜗壳蜗壳直径(m)6.586.55.64.0/2.8/2.06.5板厚(mm)36363028283640焊接工艺预热无无无150用烤枪去潮100后热无无无250，三小时无纵缝：无；环缝：有的后热退火无无无无元无备注 焊后脆裂，改用15MnTi 1.曾有焊接裂纹。 2.厂内钢管，由东方电机厂供货。 3.现在实际压力不足设计值的1/2 钢材为试制品，性能不稳定，焊接时多次撕裂现已不用 并与15MnTi、20MnSi焊接 并与16Mn焊接 曾有焊接裂纹 相当于16Mn调质，强度与14MnMoVN相近 曾有焊接裂缝 第3.1.3条 从GB70079、GB159179中可以看出普通碳素钢和低合金钢的机械性能基本保证条件仅为抗拉强度、伸长率等，这是不够的。还必须增加条件。 若用容器钢板(YB53665)可满足本规范规定要求。但YB53665规定须经全面探伤，探伤标准很严，有的杂质成分合格，但排列不同，探伤结果也不合格，故很少生产。本条以普通钢板为基础，增加一些条件。 这些附加条件，如：常用钢材的可焊性，只要保证合格，不一定要每项作试验。 对附加条件的考虑叙述如下： 一、冲击值：所规定的要求基本上是我国经常使用的钢材能达到的数值。我国标准中规定的数值见表3.1.3.1。 一般低合金钢达到本规范规定的冲击值指标是容易的，A3d30mm的厚板可能达不到上述指标，应特别注意。 这些指标是否足够，还很难作出明确的结论。水电工程中，还没发现使用我国镇静钢材发生脆性破裂事故的。我国目前大都还使用U形冲击试件，本规范也只能这样用。V形试件更能说明钢材性能，国内已局部开始使用(参见造船用结构钢技术条件GB71280)。 ASME8的规定：碳钢及低合金钢却贝V形缺口冲击值最小要求见表3.1.3.2。 美国的一些船舶低温脆性断裂事故的调查结果：断裂钢材V形却贝试样100%冲击值小于15英尺磅(2.59kgm/cm2)，90%小于10英尺磅(1.73kgm/cm2)，大多在56英尺磅(0.861.04kgm/cm2)。 二、屈强比(即屈服点 与抗拉强度 之比值)：国内外常用钢材屈强比多在0.50.7，但也用过强度高、屈服比高(约0.9)的14MnMoNbB(中国)、T(美国)、HT80(日本)等(参见表3.1.3.3)。钢管实际应力往往与计算应力差别很大，即使是直管箍应力，试验实测应力最大、最小值之比也可达2以上(华东院、十二局水压试验实测资料)屈强比高不利于削平应力峰值，不利于抗应力腐蚀。强度太高，厚度太薄，不利于外压稳定。但目前对屈强比上限无法规定，只能说：没有特别需要，不宜用高屈强比钢材。表3.13.1规范标准钢号厚度(mm)冲击值(kgm/cm2)常温-20-40时效碳素钢GB700-65 79A31225附加条件7C3122525协议测定1220附加条件3协议条件20协议测定协议测定低合金钢GB1591-7918NbB除外协议条件6协议条件3YB13-63无18NbB协议条件附加条件3YB13-69(试行)18NbB除外协议条件6协议条件3造船碳素钢GB712653C122034C3锅炉火箱钢GB713-7220g63.522g316Mng15MnVg桥梁碳素钢GB71465A3q73.5协议3.516q3.53.5容器钢YB536-65A3bRA3R620720406.54060615R620873.53.620407.56.53.0406076容器钢YB536-6520R620763.620406.55.53.040606522R6606316MnR6257433.6表3.13.2规定最小抗拉强度冲击值完全脱氧钢不完全脱氧钢千磅/英寸2kg/mm2英尺磅kgm/cm2英尺磅kgm/cm26545.7三个试样平均值一个试样最小值13102.251.731071.731.21657545.752.7三个试样平均值一个试样量小值15122.592.0713102.251.73759552.766.8三个试样平均值一个试样最小值20153.462.599566.8三个试样最小值侧向膨胀0.015英寸(0.381mm) 三、伸长率：A3为21%以上，16Mn为19%以上，14MnMoNbB仅14%，伸长率小也不利于削平应力峰值，但目前对其下限还无法明确规定。文献1450页：压力容器用钢要求碳素钢及锰钢伸长率不低于16%，合金钢不低于14%，以保证冷加工成形性能，英国容器钢板26 要求不小于16%。 综上所述，宜选用强度不太高，而韧性、延性较好的材料。目前我国生产的高强度钢(16Mn以上)，性能也不很稳定。 四、各种标准中每张钢板检验的要求。 容器钢YB53665：、组(要求较高)12mm以上； 钢制焊接压力容器技术条件JB74180：碳素钢、16MnR厚度38mm以上、其他低合金钢厚度25mm以上： 锅炉火箱钢GB71372，中高压锅炉20mm以上： 造船钢GB71265，桥梁钢GB71465：复验有一项不合格时。 五、冶金部钢铁研究院介绍情况，我国正在制订厚度方向受力的钢板的标准，不久当可颁布。岔管肋板大致可订为：含硫量0.008