水电站压力管道布置设计

水电站压力管水电站压力管 课课 程程 设设 计计 学学 院 水利学院院 水利学院 专专 业 水利水电工程业 水利水电工程 科科 目 水电站目 水电站 课课 题 水电站压力管道课程设计题 水电站压力管道课程设计 姓姓 名 名 学学 号 号 云南农业大学水利学院 2017 年 12 月 设计说明设计说明 压力管道的设计步骤一般包括 1 压力管功能布置 2 压力管固定 方法 设计 3 压力管应力分析 计算 4 压力管强度校核 5 压力 管抗外压稳定计算 一 基本资料及参数一 基本资料及参数 1 最大发电流量 16 3 2 上游正常水位 1000m 3 下游设计尾水水位 850m 4 管轴线与水平线夹角 35 5 上游正常水位至伸缩节水位差 7m 6 镇墩与地基摩擦系数 0 5 7 支墩与管身摩擦系数 0 3 8 伸缩节摩擦系数 0 4 9 水轮机调节时间 5 6 二 压力管功能及布置二 压力管功能及布置 功能 从水库 前池或调压室向水轮机输送水量 布置 采用明钢管敷设 布置时要尽可能选择短而直的线路 明钢管敷设在陡峭的山坡上 尽量选 择良好的地质条件 明钢管敷设在坚固而稳定的山坡上 支墩和镇墩尽量设在 坚固的岩基上 并清除表面覆盖层 尽量减少管道的起伏波折 避免出现反坡 利于管道排空 明钢管底部应高出地表至少 0 6 米 以便安装和检修 避开可 能发生山崩或滑坡的区 明钢管尽量沿山脊布置 避免布置在山水集中的山谷 中 若明钢管之上有坠石或可能崩塌的峭壁 要事先清除 首部设事故闸门 并考虑设置事故排水和防冲设施 三 明钢管的固定 设计三 明钢管的固定 设计 1 1 明钢管的敷设明钢管的敷设 明钢管敷设在一系列支墩上 底部应高出地表 0 65 米 明钢管宜做成分段式 在首尾设镇墩 两镇墩之间设伸缩节 伸缩节布置 在管段的上端 靠近上镇墩处 敷设方式如图 2 2 明钢管的设计明钢管的设计 1 管径的确定 采用经验公式 彭德舒公式来初步确定压力钢管的经济直径 7 5 2 3 式中 为钢管的最大设计流量 H 为设计水头 m 3 由基本资料得 16 1000 850 150 所以 7 5 2 3 7 5 2 2 03 2 05 压力钢管直径进制采用 D 50mm 为模 所以取 D 2 05m 2 管长确定 上游正常水位 1000m 闸门进口水位为 993m 上游正常水位至伸缩节水位 差 7m 下游设计为水位 850m 取进口直管段长 5m 出口直管段长 5m 斜管段垂直距离为 993 850 143m 管轴线与水平线夹角 所以斜管段 35 长 143 sin 35 249 313 249 3 所以 压力管道总长为 总 249 3 5 5 259 3 四 压力管水击计算四 压力管水击计算 1 1 直接与间接水击的判断直接与间接水击的判断 明钢管水锤波速可近似的取为 1000m s 已知水轮机调节时间 5 6 所以 2 2 259 3 1000 0 52 水轮机开度的调节时间 故为间接水击 5 6 2 0 52 2 2 第一项水击与极限水击判断第一项水击与极限水击判断 为起始开度 当电站满负荷运行时 当电站以部分负荷运行时 1 为水锤常数 当时发生第一相末水锤 为第一相水击 除第一 1 1 3 3 水击公式选择水击公式选择 阀门开度变化时管道中水流动量的相对变化率 0 水锤的最大值 2 2 所以 0 259 3 4 85 9 81 150 5 0 17 2 2 2 0 17 2 0 17 0 186 4 4 水击常数的计算水击常数的计算 2 0 1000 4 85 2 9 81 143 1 65 5 5 动水头计算动水头计算 水头变化令也称水锤压强 令 0 所以 0 0 186 150 27 9 0 150 27 9 177 9 即满负荷运行时 水电站压力管道的总水头为 177 9m 五 压力管应力分析及结构设计五 压力管应力分析及结构设计 1 1 明钢管的荷载明钢管的荷载 根据应用条件 明钢管的设计荷载有 1 内水压力 2 钢管自重 3 温度变化引起的力 4 镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力 5 风荷载 和雪荷载 6 施工荷载 7 地震荷载 8 管道放空时通气设备造成的 负压 2 2 管壁厚度计算管壁厚度计算 管壁的厚度一般经结构分析确定 管壁的结构厚度取为计算厚的加 2mm 的 锈蚀裕度 考虑制造工艺 安装 运输等要求 管壁的最小结构厚度不宜小于 下式确定的数值 也不宜小于 6mm 800 4 初步确定管壁的计算厚度 0 2 2 2 计算时 该式未计入一些次要应力 用以确定管壁厚度时容许应力应降低 所以 15 2 2 0 001 177 9 205 2 120 1 15 0 2 0 18 0 2 20 满足要求 计算时取 2mm 不能用于强度计算 0 18 3 3 荷载组合选择 荷载组合选择 A1A1 2 2 5 5 7 7 8 8 1 水管自重的轴向分力 A1 1 1sin 查钢管的密度为 785g cm3 0 785 9 81 3 14 2 05 0 18 10 3 8 92 1 1sin 8 92 249 3 sin 35 1275 49 2 作用在阀门或堵头上的内水压力 A2 2 4 2 0 2 4 2 0 3 14 4 2 052 9 8 177 9 5751 48 3 伸缩节变化处的内水压力 A5 5 4 2 1 2 2 取填料厚度为 22mm 所以 为 1 2 05 2 0 018 0 022 2 13 2 2 05m 所以 H 1000 990 10m 5 4 2 1 2 2 4 2 13 2 2 052 9 8 10 25 74 4 温度变化时伸缩节填料的摩擦力 A7 7 1 取伸缩节可调节长度 b 15cm 已知伸缩节摩擦系数 f 0 4 所以 7 1 3 14 2 13 0 15 0 4 9 8 10 39 33 5 温度变化时水管与支墩的摩擦力 A8 8 cos 支墩与管身摩擦系数 每米水重 0 3 8 92 4 2 1 9 8 3 14 4 2 052 32 33 8 cos 0 3 41 25 249 3 cos 35 2527 16 6 总应力 1 2 5 7 8 1275 49 5751 48 25 74 39 33 2527 16 9619 2 4 4 计算断面 跨中断面计算断面 跨中断面 1 11 1 断面 断面 1 1 切向 环向 应力的 切向 环向 应力的 管壁的切向应力主要由内水压力引起 对于倾斜的管道 2 2 4 cos cos 对于水电站压力管道 等号右端的第二项是次要的 只有当 时才有计入的必要 低水头大流量才有用 高水头的不 2cos cos 0 05H 考虑 所以计算时不考虑第二项 2 0 001 17790 205 2 18 101 3 2 2 径向应力 径向应力 管壁内表面的径向应力等于该处的内水压强 即 表示压应力 表示拉应力 管壁外表面径向应力为 0 径向应 力较小 0 001 17790 17 79 3 3 轴向应力 轴向应力 跨中断面的轴向应力由两部分组成 即有水重和管重引起的轴向弯曲应 力及各轴向力引起的应力 1 3 对于支承在一系列支墩上的管道 其跨中弯矩 M 可按多跨连续梁求出 8 92 32 33 41 25 1 10 2cos 1 10 41 25 102 cos 35 337 9 轴向弯曲应力 1 4 2 cos 式中 在管顶和管底 和 3 8 cos 2 0 180 2 最大 1 1 4 2 4 337 9 103 3 14 2 052 0 018 5 69 106 5 69 管道各轴向力其合力为 由此引起的轴向力为 3 3 9619 2 103 3 14 2 05 18 10 3 83 02 106 83 02 跨中断面剪应力为 0 所以 轴向应力 1 3 5 69 83 02 88 71 六 压力管强度校核六 压力管强度校核 钢管的工作处于三维应力状态 强度校核的方法是求出计算应力并与容许 应力作比较 而不是直接采用某一方向的应力与容许应力作比较 钢管的强度 校核目前多采用第四强度理论 其强度条件为 1 2 2 2 2 3 2 2 2 式中 为焊缝系数 取 0 90 0 95 由于 一般较小 故可以 简化为 第三强度理论 2 2 3 2 取 所以 0 90 88 712 101 32 88 71 101 3 95 63 0 90 120 108 该压力钢管在正常运行时充满水的情况 强度校核满足第三强度理论条件 七 压力管抗外压稳定计算七 压力管抗外压稳定计算 钢管是一种薄壳结构 能承受较大的内水压力 但抵抗外压能力较低 在 外压的作用下 管壁易于失去稳定 屈曲成波形 过早的失去承载力 因此 在按强度和构造初步确定管壁厚度之后 尚需进行外压稳定校核 在不同的外压作用下 有多种管壁稳定问题 明钢管在均匀径向外压作用 下的稳定 对于沿轴线可以自由伸缩的无加劲环的明钢管 管壁的临界外压 2 3 0 2 钢的弹性模量 2 0 105 2 3 2 2 105 0 271 0 2 满足抗外压稳定要求 所以不需要设置加劲环增加抗外压稳定 注意 对设有加劲环的管壁 临界外压 2 1 1 2 2 2 2 12 1 2 2 1 2 2 1 1 2 2 2 2 3 式中 l 为加劲环的间距 n 为屈曲波数 需假定不同的 n 用试算法求出最小 的 n 值可用下式估算 1 63 0 5 0 25 其中 D 为管径 八 镇墩支墩设计八 镇墩支墩设计 1 1 镇墩的设计 镇墩的设计 镇墩一般布置在管道的转弯处 以承受因管道改变方向而产生的不平衡力 将管道固定在山坡上 不允许管道在镇墩处发生任何位移 在管道的直线段 若长度超过 150m 在直线段的中间也应设至镇墩 在压力钢管进水口及下游出 水口折管段分别布置首末镇墩 由于压力钢管长度超过 150m 所以宜在斜管段 中部设中镇墩 1 下镇墩计算 求各轴向力分量取 x 轴水平顺水流方向为正 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 轴和 y 轴的分力 cos 2 式中 为压力钢管的倾角 35 则 cos 2 9619 2cos 35 5751 48 2128 11 Asin 9619 2sin 35 5517 35 抗滑抗倾计算 取抗滑稳定安全系数 Kc 2 0 镇墩与地基的摩擦系数 f 0 5 则镇墩的理论重量 G 2 0 2128 11 0 5 5517 35 2995 09 查规范可得混凝土的容重 25 3 取外包厚 d 0 7m 则可得 2d D 2 0 7 2 05 3 45m 取 H B 3 5m 镇墩体积 V 则 L 2995 09 3 5 3 5 25 9 78 由图的三角形关系得 2 2 3 5 2128 35 2995 09 0 438 0 438 6 9 78 6 1 63 所以 满足抗倾要求 2 中镇墩计算 求各轴向力分量取 x 轴水平顺水流方向为正 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 轴和 y 轴的分力 中cos 2中 4875 235cos 35 2938 39 1055 169 Asin 4875 235sin 35 2796 32 抗滑抗倾计算 取抗滑稳定安全系数 Kc 2 0 镇墩与地基的摩擦系数 f 0 5 则镇墩的理论重量 G 2 0 1055 169 0 5 2796 32 1424 356 查规范可得混凝土的容重 25 3 取外包厚 d 0 7m 则可得 2d D 2 0 7 2 05 3 45m 取 H B 3 5m 镇墩体积 V 则 L 1424 356 3 5 3 5 25 4 651 由图的三角形关系得 2 2 3 5 1055 32 1424 356 0 438 0 438 2 0 52 2 第一项水击与极限水击判断 16 2 05 2 2 4 85 2 0 1000 4 85 2 9 81 150 1 65 当电站满负荷运行时 所以为极限水击 1 阀门开度变化时管道中水流动量的相对变化率 0 2 2 0 259 3 4 85 9 81 150 5 0 17 2 2 2 0 17 2 0 17 0 186 3 水击常数的计算 2 0 1000 4 85 2 9 81 143 1 65 4 动水头计算 令 0 0 0 186 150 27 9 0 150 27 9 177 9 即满负荷运行时 水电站压力管道的总水头为 177 9m 二 压力管强度设计二 压力管强度设计 1 1 管壁厚度计算管壁厚度计算 800 4 初步确定管壁的计算厚度 0 2 2 2 2 2 0 001 177 9 205 2 120 1 15 0 2 0 18 0 2 20 满足要求 计算时取 2mm 不能用于强度计算 0 18 2 2 荷载计算荷载计算 1 水管自重的轴向分力 A1 1 1sin 0 785 9 81 3 14 2 05 0 18 10 3 8 92 1 1sin 8 92 249 3 sin 35 1275 49 2 作用在阀门或堵头上的内水压力 A2 2 4 2 0 2 4 2 0 3 14 4 2 052 9 8 177 9 5751 48 3 伸缩节变化处的内水压力 A5 5 4 2 1 2 2 取填料厚度为 22mm 所以 为 1 2 05 2 0 018 0 022 2 13 2 2 05m 所以 H 1000 990 10m 5 4 2 1 2 2 4 2 13 2 2 052 9 8 10 25 74 4 温度变化时伸缩节填料的摩擦力 A7 7 1 7 1 3 14 2 13 0 15 0 4 9 8 10 39 33 5 温度变化时水管与支墩的摩擦力 A8 8 cos 4 2 1 9 8 3 14 4 2 052 32 33 8 cos 0 3 41 25 249 3 cos 35 2527 16 6 总荷载 1 2 5 7 8 1275 49 5751 48 25 74 39 33 2527 16 9619 2 3 3 应力计算应力计算 1 切向 环向 应力的 对于倾斜的管道 2 2 4 cos cos 计算时不考虑第二项 2 0 001 17790 205 2 18 101 3 2 径向应力 0 001 17790 17 79 3 轴向应力 8 92 32 33 41 25 1 10 2cos 1 10 41 25 102 cos 35 337 9 1 4 2 cos 式中 在管顶和管底 和 3 8 cos 2 0 180 2 最大 1 1 4 2 4 337 9 103 3 14 2 052 0 018 5 69 106 5 69 管道各轴向力其合力为 由此引起的轴向力为 3 3 9619 2 103 3 14 2 05 18 10 3 83 02 106 83 02 跨中断面剪应力为 0 所以 轴向应力 1 3 5 69 83 02 88 71 4 4 压力管强度校核压力管强度校核 第三强度理论 2 2 3 2 取 所以 0 90 88 712 101 32 88 71 101 3 95 63 0 90 120 108 5 5 压力管抗外压稳定计算压力管抗外压稳定计算 对于沿轴线可以自由伸缩的无加劲环的明钢管 管壁的临界外压 2 3 0 2 2 3 2 2 105 0 271 0 2 三 镇墩支墩设计三 镇墩支墩设计 1 1 镇墩的设计 镇墩的设计 1 下镇墩计算 cos 2 cos 2 9619 2cos 35 5751 48 2128 11 Asin 9619 2sin 35 5517 35 抗滑抗倾计算 镇墩的理论重量 G 2 0 2128 11 0 5 5517 35 2995 09 取外包厚 d 0 7m 则可得 2d D 2 0 7 2 05 3 45m 取 H B 3 5m 镇墩体积 V L 2995 09 3 5 3 5 25 9 78 由图的三角形关系得 2 2 3 5 2128 35 2995 09 0 438 0 438 6 9 78 6 1 63 所以 满足抗倾要求 2 中镇墩计算 中cos 2中 4875 235cos 35 2938 39 1055 169 Asin 4875 235sin 35 2796 32 抗滑抗倾计算 镇墩的理论重量 G 2 0 1055 169 0 5 2796 32 1424 356 取外包厚 d 0 7m 则可得 2d D 2 0 7 2 05 3 45m 取 H B 3 5m 镇墩体积 V 则 L 1424 356 3 5 3 5 25 4 651 由图的三角形关系得 2 2 3 5 1055 32 1424 356 0 438 0 438 6 4 651 6 0 775 所以 满足抗倾要求 中镇墩的尺寸如上述计算 2 2 支墩的设计 支墩的设计 1 荷载计算 水管自重 管重 Q cos 35 8 92 10 cos 35 73 07 水重 cos 35 32 33 10 cos 35 264 83 则钢管与支墩间的摩擦力为 1 Q 0 1 Q 0 73 07 264 83 0 3 101 37 钢管与支墩间的摩擦力由升温和降温引起 故考虑温度变化时的荷载分别 为 温升时 沿平行管轴向上的方向 3 钢管与支墩间的摩擦力 1 3 cos 式中 q 为单位长度的管和水的重量