伊朗鲁德巴洛雷斯坦水电站复合弯管安装方法研究

第 3 9 卷第 1 1 期 2 0 1 3 年1 1 月 水 力 发 电 伊 朗 鲁 德 巴 洛 雷 新 坦 水 电 玷 复 合 弯 管 安 装 方 法 研 究 张战午 1 2 王增武 1 水 能资源利用关键技术 湖南省 重点实验 室 湖南 长 沙 4 1 0 0 1 4 2 中国水 电顾 问集 团 中南勘测设 计研究院有 限公 司 湖南 长 沙 4 1 0 0 1 4 摘 要 通 过分析压力钢管上 下游 直管 段与复合弯管 的几何关系 发现直管段所在铅直面与弯管所在空间斜面的 二面角是弯管首节 安装 时的旋转 角 利用几何 向量法推导 出该旋转角 并提出了一种简单实用的复合弯管安装方法 复合弯管 的首节通 过旋转弧长法 安装在设计斜 面上 待精确挂 装首节后 其他后续管 节按中心对 中心 的方法挂装 该方法在伊朗 R u d b a r L o r e s t a n水 电站压力钢 管安装 中得 到 良好应用 解决 了陡坡 段大直径复合弯管安装难 的问题 提高了工作效率 关键 词 复合 弯管 安装方法 旋转角 法 向量 二面角 鲁德巴洛雷斯坦水 电站 St u d y O i l I n s t a l l a t i o n M e t h o d o f Co mp o u nd P e n s t o c k Be n d i n I r a n s Ru d b a r Lo r e s t a n Hy d r o p o we r S ta t i o n Z HANG Z h a n w u 一 W ANG Z e n g wu 1 Hu n a nP r o v i n c eKe yL a b o r a t o r y o f K e yT e c h n o l o g i e s f o r Wa t e r P o w e r Re s o u r c e sDe v e l o p me n t C h a n g s h a4 1 0 01 4 Hu n a n Ch i n a 2 Hy d r o C h i n a Z h o n g n a n E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n C h a n g s h a 4 1 0 0 1 4 Hu n a n C h i n a Ab s t r a c t B y a n a l y z i n g t h e s p a t i a l r e l a t i o n s h i p o f s t r a i g h t s e c t i o n a n d c o mp o u n d b e n d o f p e n s t o c k i t i s f o u n d t h a t t h e d i h e d r a l a n g l e b e t we e n t h e v e r t i c a l p l a n e o f s t r a i g h t s e c t i o n a n d t h e s p a c e i n c l i n e d p l a n e o f c o mp o u n d b e n d i s t h e r o t a t i o n a n g l e w h e n t h e fi r s t s e c t i o n o f c o mp o u n d b e n t i s i n s t a l l e d T h i s r o t a t i o n a n g l e i s d e r i v e d b y u s i n g g e o me t r i c v e c t o r me t h o d a n d S O a s i mp l e a n d p r a c t i c a l i n s t a l l a t i o n me t h o d o f c o mp o u n d p e n s t o c k b e n t i s p r o p o s e d T h e f i r s t s e c t i o n o f c o mp o u n d b e n t i s i n s t a l l e d o n d e s i g n e d i n c l i n e d s l o p e b y a r c l e n g t h r o t a t i o n me t h o d a n d t h e f o l l o wi n g s e c t i o n s c a n b e i n s t a l l e d b y c e n t e r t o c e n t e r a p p r o a c h Th i s me t h o d i s u s e d i n I r a n s Ru d b a r L o r e s t a n Hy d r o p o w e r S t a t i o n a n d a c h i e v e s a b e t t e r q u a l i t y a n d h i g h e r e ffic i e n c y Ke y W o r d s c o mp o u n d p e n s t o c k b e n d i n s t a l l a t i o n me t h o d r o t a t i o n a n g l e n o r ma l v e c t o r d i h e d r a l a n g l e Ru d b a r L o r e s t a n Hy d r o p o we r S t a t i o n 中图分类 号 T V 5 4 7 2 文献标识码 A 文章编号 0 5 5 9 9 3 4 2 2 0 1 3 l l o O 8 5 o 3 0 引言 压 力 钢管 是水 电站常 见 的重要 水 工建 筑 物之 一 根 据 长 距 离 引水 式 电站 的布 置需 要 压 力 引水 钢管 往 往 通 过 平 面弯 管 立 面 弯 管 以及 复 合 弯 管将 各 直 管 段 连 接 起来 本 文 所 述 复 合弯 管 实 际上 就是 空 间 某 一 斜平 面 上 的弯 管 当钢 管 既存 在 水 平 面上 的转 角 又 有 铅 直 面 上 的 转 角 且 两 个 转 角 距 离 较 近 时 通 常 均设 置 复合 弯 管 进 行 连接 直 线 钢 管 平 面弯 管 与 立 面 弯 管 的安 装 方 法相 对 简 单 而 复 合弯 管 的 安 装 与控 制则 往往 是 现场 钢管 安装 施 工 的一大 难 点 因此 寻找 一种 简单 实用 的安 装 方法 显得 尤 为重 要 本 文 结 合 伊 朗 鲁 德 巴 洛 雷 斯 坦 Ru d b a r I x r e s t a n 水 电站 的 压 力 明 钢 管 的设 计 及 现 场 安 装 施 工 提 出 了一 种 简单 实用 的复 合 弯管 安 装方 法 解 决 了 现 场 大 管 径 大 坡 度 复 合 弯 管 的 安 装 施 工 难 题 1 工程简介 鲁 德 巴洛雷 斯 坦水 电站 位 于伊 朗 西部 洛 雷 斯 坦 L o r e s t a n 省 扎 格 罗 斯 Z a g r o s 山 区 的 鲁 德 巴 收稿 日期 2 0 1 3 0 9 1 2 作者简 介 张战午 1 9 7 6 一 男 湖南 宁 乡人 高级工 程师 硕 士 主要从事水 电站流道设计研究 工作 W a t e r P o w e r V o 1 3 9 N o 1 1 困 R u d b a r 河 上 距 首 都 德 黑 兰 约 4 5 4 k m 电 站 为 高 地震 区复杂地 质条 件 下 引水 式 电站 工程 由大 坝 溢 洪 道 坝 身 泄 流孔 输 水 系 统 地 面 厂 房 和开 关 站 等 主 要 建 筑 物 组 成 电 站 装 机 2台 单 机 容 量 2 2 5 MW 额 定 水 头 4 3 0 7 4 m 额 定 流 量 1 1 5 6 m3 s 引 水 隧 洞 洞 径 6 0 m 长 约 1 3 0 k m 经 对 称 月 牙 肋 钢 岔 管 分 岔 后 与 2条 明 钢管 相 接 2条 明管 钢 管 分 别 长 约 2 3 4 2 3 2 k m 管 径 从 4 4 m 渐 变 到 4 0 3 8 3 4 2 4 m 根 据 布 置 需 要 2条 压 力 钢 管 沿 线 均 设 置 多个 平 面 立 面 与复 合 弯管 复 合 弯 管 能 否快 速 准 确 的安 装 成 为确 保 本 项 目钢 管安 装 施 工 工 期 的 关 键 问 题 之 一 2 复合弯管的旋转安装方法 2 1 旋转安装角度 的数值解析算法 复 合 弯管 的几 何关 系如 图 1所示 图 1中 压 力 钢 管 上 下 游 直 管 段 钢 管 轴 线 AG与 OG 相 交 于 空 间 G点 钢 管 轴 线 纵坡 分 别 为 和 点 A G 0在 水 平 面 上 的投 影 分 别 为 I K 0 点 T T 2 为 复 合 弯管 所 在 斜平 面 AG O 上 弯管 与直 管 的切 点 为 AGO在 水 平 面 上 的 投 影 角 根 据 管 线 布 置 设 计 和 角 均 已知 D H L A B P O 图 1 复合 弯 管 的几 何 关 系 示惹 假设 弯 管 是 标 准 的立 面 弯 管 则 该 立 面 弯管 和 直线 段 A T 1 均 在 铅 垂 面 AC KI内 把 该 标 准 立 面弯 管 以弯 管 上游 起 始端 管 口圆 心 T 点 旋 转 一个 角 度 使得 旋 转后 的弯管 恰 好处 在斜 面 AGO上 根 据几 何 关 系可 知 该 旋 转 角 t O实 际上 就是 通 过 压力 钢 管上 游轴 线 的铅 垂 面 ACKI与 复合 弯 管所 在斜 平 面 AG0 的 夹 角 因此 只要 求 得 上 述 两 平 面 的 夹 角 就 可 以 按 立 面 弯 或者 平 面 弯 采 用 旋 转 角 度 的安 装方 法 解决 复合 弯管 的安 装 问题 本 文采 用 向量法 求解 c 分 以下几 个 步骤计 算 1 求 特征 点坐标 已知上 游直 管 段 的坡 度 下 游 直 管 段 的 坡 度 上 下 游 直 管 两 轴 线 在 水 平 面 上 的 投 影 夹 角 设 AG I OG 1 0 点 为 坐 标 原 点 根 据分 析 要 求 得各 特 征 点 坐标 还 需 要求 出 I KJ 假 设 I I J 则 OKM 0 在 Rt AEG 中 已知 AG 1 AGE 可 求 出 EG 而 I K E G 在 Rt 3 I J K 中 已 知 I K 和 I KJ 0 可 求 出 I J K J 在 Rt A0KG中 已知 OG 1和 GO K fl 可求 出 0K 在 Rt 3 0MK中 已知 OK和 OKM T 一 0 可 求 出 KM 在 aI KM 中 已 知I K KM 和 I K J 0 利 用 三 角 形 余 弦 定 理 可 求 出 I M 最 后 在 Rt I J M 中 三 条边 都 用 含 0的代 数 式表 达 根据 勾 股 定理 列 方 程 即 可求 出 0 这样 利 用 已知 的 0 可 分别 写 出铅 垂 面 AC KI和斜 平 面 AGO上 的特 征 点 0 A G C K I 点 的坐标 2 求平 面法 向量 根据 1 所 求 的特 征点 的 坐标 可求 出铅垂 面 AC K I 两个相交 的向量A g和面 与斜 平 面 AGO上 两 个相 交 的 向量 和 根据 向 量 积 运 算 法 则 可分 别 计算 出铅 垂 面 AC KI和斜 平 面 AGO 的 法 向 量 与 a 1 2 3 求二 面 角 由式 1 2 求得 的铅 垂 面 AC KI和斜 面 AGO 的法 向量 利 用 向量 余 弦公式 求 出 与 的夹 角 则 二 面角 为 1 8 0 一 9 o s 1 8 0 8 8 9 00 9 0 j 8 8 2 2旋转 安装 角 度的 几何 作 图求解 法 如 图 1所示 根据 管线 布 置 和 角 均 已 知 弯管 段 圆 tD角 西则 可根 据 空 间几 何 关 系 按 下式 求 得 C O S 1 8 0 一 G O S O L C O C O S 1 8 0 y s i n c t s i q 4 式 中 当 O t 在 过 其上 下游 管轴 线 交点 的水 平 线 同侧 时取 一 异侧 时取 假 设 空 间 弯 管 AGO 为 位 于 铅 直 面 P 2内 的 标 准 立 面 弯 管 且 上 下 游 管 轴 线 中有 一 条 与 水 平 面 P1夹 角 为 0 即 s t 0 或 3 o 如 图 2 所 示 轴 线 AG 把 位 于 铅 直 面 P 2内 的 标 准 立 面 弯 管 AGO绕 其 水 平 面 P 1内 的 管 轴 线 AG旋 转 一 周 则 其 另 外 一 条 管 轴 线 GO 的 轨 迹 为 以 G 点 为 顶 点 的 圆 锥 面 而 端 点 O 点 的 轨 迹 则 为 以 C点 为 圆心 半 径 等 于 l G O l s i n 1 8 0 一 西 的 圆 则该 圆周 上 必 然 存 在 一 点 0 当 复 合 弯 管 段 AGO绕 管 轴 线 AG旋 转 某 一 角 度 0点旋 转 到 0 点 时 恰 好 使得 复 合 弯 管 AGO 在 水 平 面 P1内 的投 影 角 等 于 根 据 几 何 关 系可 知 该 旋 转 角 实 际 上 就 是 铅 垂 面 P 2与 复 合 身弓j 毛 身 l 1期 张 O 疋十 号手 1 尹 阴 詈 1 匕 芒 r 隹j 斯 坦 小 电 如 复 芒 骞 艾 裴 7 计 C A 图 2复合弯管旋转安装示意 弯 管 所 在 斜 平 面 AGO 的 夹 角 亦 即本 文 所 述 的旋 转 安 装 角 根 据 以上分 析 结 合 投 影 定 理 上 述 复 合 弯 管 旋 转 安 装 角 可 采 用 C AD几 何 作 图法 求 得 步 骤 为 平 面 上任 作 LA GO b 过 O 点作 直 线 AG的 垂线 交 A G延 长 线 于 c点 以 c点 为 圆心 线 段 CO长 度 为 半径 作 半 圆 C 作 AGO 交 C O 于 O 点 过 0 点 作 直 线 A C 的平 行 线 0 0 交 半 圆 c 的 圆弧 于 O 点 连 接 C点 和 0 点 则 0CO 即为 所求 如 图 3所 示 O 4 图 3 CAD 几 何 作 图法 示 意 为 了验 证 上述 CAD几何 作 图 法 的精度 将鲁 德 巴洛 雷斯 坦 水 电站 压力 钢 管 N5号 与 NS 1 0号 镇墩 内 两 复 合 弯 管 的 作 图 结 果 与 采 用 空 间 向量 解 析 法 的 求 解 结 果 进行 了对 比 见 表 1 由表 1可 知 C AD几 何 作 图法 与 解 析 法 的计 算 结 果 几 乎 完全 一致 具 有 较 高 的精 度 2 3弯管安装方法 钢 管 制 造 时 通 常 会 将 钢 管水 平 放 置 在 每 个 管 节 的 管 壁 上标 记 出 上 下 左 右 准线 如 图 4 所 示 该 准 线 不 是钢 管 空 间 位 置 的 准线 对 于 定位 管 节 和复 合 弯 管第 1个 管 节 管 口的 圆度 垂 直 度应 该 精 确 控 制 上 下 准线 应 该 在 同 一 垂 线 上 左 右 准 线 应该 在 同一 高 程 上 钢管 管 节 加 工 制 造及 测 左 上 图 4复合 弯 管管 节 安 装 示 意 量 误差 等都 应满 足相关 规 范和技 术标 准 的要 求 钢 管 安 装 时 首 先将 与 定 位节 上游 直 线 段 末 端 管 节 相 邻 的复 合 弯 管 的第 1个 管 节 按普 通 管 节 对 中 然 后将 复 合 弯管 首 节按 0 3 旋 转 首节 精 确 挂 装 后 后 续 管节 就可 按 中心 对 中心 的方法 依次 挂装 首 节挂 装 时 的旋转 角 度 可 以通 过旋 转弧 长 进行 控 制 旋 转 弧长 可按下