压力钢管毕业设计

隔界河水电站压力钢管初步设计 目 录第一章 工程概况1一、流域概况1二、水文及气象1（一）气象概况1（二）水文特性1三、压力前池基本地质条件及评价4（一）基本地质条件4（二）前池工程地质评价4四、地震4五、工程总体布置4第二章 压力钢管设计5一、工程的级别确定5二、压力管道的经济直径5三、压力钢管的布置5四、管壁厚度的确定6五、镇墩的稳定分析7（一）计算条件8（二）运行条件下作用在镇墩上的基本荷载9（三）检修条件下的基本荷载11（四）校核条件下（水压试验情况）作用在镇墩上的基本荷载12（五）运行条件下荷载组合后的水平、垂直分力14（六）检修条件下荷载组合后的水平、垂直分力16（七）校核条件下荷载组合后的水平、垂直分力17（八）镇墩尺寸的拟定19六、支墩的稳定分析22（一）计算条件22（二）荷载计算22（三）、抗滑、抗倾覆稳定及地基承载能力校核23七、管身应力分析25（一）抗外压稳定核算25（二）钢管受力计算25（三）轴向力计算26（四）管壁应力计算26八、管道附件38九、管道工程量38一、钢材工程量38二、土石方工程量计算38参考文献39致谢40第一章 工程概况一、流域概况隔界河为怒江右岸支流，流域位于东经9842985150、北纬2619142624之间。行政区划属云南省怒江州沪水县称杆乡。电站取水口以上径流面积为64.02km2，多年平均流量2.51m3/s。拟建的隔界河一级水电站位于高山峡谷区，除其下游建有隔界河二级水电站（目前二级水电站主体工程已基本完工）以及规划有泸水电站外，无其它水利设施。电站所在下游无重大防洪对象，故不承担下游的防洪任务。二、水文及气象（一）气象概况隔界河流域位于高黎贡山东麓，沪水县城以北，为低纬度北亚热带与北温带过渡带气候，夏季炎热，冬季偏暖湿润，四季分明，无霜期长。区域内最高气温41.70C，最低气温 2.80C，多年平均气温17.00C。多年平均日照1100h，多年平均蒸发量1018 mm，最大风速12.0m/s，本流域西北部和西部处于多雨区及较多雨区，东北部处于较少雨区，流域降水量从上游至下游呈递减的趋势。干季降水稀少，雨季（5月10月）降水集中，占全年降水量的82.7。1号坝多年平均降水为2223.4mm，2号坝多年平均降水为1937.1mm。多年平均气温为7左右，极端最高气温为25左右，极端最低气温为-10 左右。（二）水文特性1.径流对推求出的隔界河1、2号坝址1960年6月至1999年5月径流采用PIII型频率曲线适线，频率分析的统计参数为：均值1号坝为2.60m3s；2号坝为0.23 m3s，Cv=0.23，Cs=2Cv5，隔界河电站坝址多年平均流量成果见表1-1。 表1-1 隔界河水电站坝址径流成果及比较表（单位：m3/s）坝址隔界河亚目河迪麻洛河干流1号坝2号坝面积（km2）74.257.5181161.7资料长度1960.6-1999.51960.6-1999.51960.6-1985.51960.6-1985.5项目流量%流量%流量%流量%1月1.264.030.1144.254.463.754.682月1.374.390.124.364.684.913.364.193月2.658.490.238.367.437.794.295.354月3.2910.530.2910.5510.511.09.4911.835月1.665.320.155.455.355.613.454.306月1.946.210.176.186.236.536.037.517月3.109.930.279.829.439.898.5410.648月4.8915.660.4315.6415.015.7311.5614.399月4.2913.740.3813.8212.312.913.6917.0510月3.3710.790.3010.919.5810.047.439.2611月1.926.150.176.185.906.194.705.8512月1.494.770.134.734.734.963.984.96年2.601000.231007.951006.69100水量（亿m3）0.8200.0732.512.11径流深（mm）1104.3967.11385.11305.1平均高程（m）3210.52815.73030.63277.92平均降水量（mm）2223.41937.12768.82611.0表1-2 隔界河水电站坝址日平均流量保证率成果表保证率（%）流量（m3/s）保证率（%）流量（m3/s）1号坝2号坝1号坝2号坝56.940.61751.430.13105.250.46801.340.12203.460.30901.130.10252.890.25950.870.08501.830.16970.820.072.洪水表1-3 隔界河水电站坝址设计洪水成果比较表频率（）推理公式法暴雨径流查算法水文比拟法1号坝2号坝1号坝2号坝1号坝2号坝0.5416.079.6403.377.2361.051.01373.071.4361.869.2305.443.22330.063.1318.861251.435.53.33296.556.7286.954.9178.325.25271.051.9266.250.9153.521.710224.843.0215.241.2112.715.9综合分析比较各方面，本次设计按SL4493规范采用推理公式计算方法所得洪水成果较为合理，作为本次设计的推荐成果。3.泥沙隔界河电站坝址年平均悬移质输沙量为2.58万t。年平均推移质沙量取悬沙量的30估算为0.774万t，坝址年输沙总量为3.354万t。4.装机规模根据以上基本资料和调节原则对三组装机方案进行径流调节计算，计算结果见表1-4。表1-4 隔界河电站径流调节计算表 装机方案Kw98001260015000电站引用流量m3/s3.03.54.0保证出力Kw376237623762年发电量万kwh576162726558倍比系数2.603.353.99年利用小时H587849774372水量利用率%828689年发电量差值万kwh511286增量年利用小时H18251192从水能指标及其特性的变化规律可明显看出，本电站较为合理的装机规模为12600kw，机组台数为2台，单机容量为6300kw。三、压力前池基本地质条件及评价（一）基本地质条件前池布置在引水隧洞末端，山坡地面高程19702000m，地形相对较陡，总体地形坡度2030，无大的不良物理地质现象，整个岸坡为一单斜逆向坡。（二）前池工程地质评价前池山坡高程19702000m，地形相对较陡，总体地形坡度2030，无大的不良物理地质现象，整个岸坡为一单斜逆向坡。基岩为3t灰色白云质灰岩,强风化带埋深约15m，岩层倾向山内，倾角4060。四、地震根据2001年版“中国地震动参数区划图”（GB183062001）确定工程区“动峰值加速度”为0.15g，相应地震烈度为度，地震设防烈度为度。地震动反应谱特征周期值为0.40s。五、工程总体布置隔界河水电站主要建筑物由1#拦河取水坝、2#拦河坝取水坝、引水隧洞、压力前池、压力钢管、主副厂房及升压站组成。拦河坝坝型采用浆砌块石重力式溢流坝。主引水隧洞布置于主坝取水口前池之间，分三段组成折线型隧洞布置，全长3074.71m。隧洞采用无压引水的方式，断面为直墙高1.9m，拱高0.6m的城门洞形。隧洞进口布置在主坝前河道右岸，侧向进水。进水口前设置沉砂池，进水口底板高程为1977.00m，出口接前池。隧洞末端底宽度：b=2.00m；隧洞底坡降：i=0.002。 前池布置于主引水隧洞末端，位于厂区枢纽河对面山脊上，前池后接压力钢管。压力管道位于隔界河右岸山脊上，为山麓斜坡地形，地形坡度2252。压力管道为单管双机供水方式，管道由主管、岔管、支管及附件构成，岔管为对称Y形布置。电站厂址选定在距隔界河与怒江交汇处1100m隔界河左岸。主厂房内布置两台冲击式水轮发电机组，水轮机型号为CJA475-w-140/212，机组间距为11.5m，进水管中心高程为1530.00m。第二章 压力钢管设计一、工程的级别确定水电站的装机容量为1.26万kw，利用水头为445m，故本工程等级为特高水头小一型水电站1。二、压力管道的经济直径本工程规模小，可按经济流速法计算管径9，即= （m） 压力管道管径模数为50mm，安全起见压力管道直径D取1m 。 式中 设计引用流量，经济流速，明钢管和地下埋管为46(m/s)，对高水头电站可取大值，因此取6(m/s)计算。支管管径与水轮机进口对应，即支管管径为0.65m。则实际流速：（m/s）三、压力钢管的布置前池布置于主引水隧洞末端，位于厂区枢纽河对面山脊上，前池后接压力钢管。明钢管的路线选择在地形地质条件优越的隔界河右岸山脊上，为山麓斜坡地形，地形坡度2252，避开了滑坡、崩塌、坠石和地表水集中等不利地段。明钢管常采用垂直等高线方向布置，以缩短管道长度，沿山脊布置，管槽开挖边坡为逆向坡。为了避免局部管的产生负压，在地形凸起部分应进行开挖。明钢管沿线应布置排水沟和设置交通通道，在钢管的最低处应设置排水管，在适当位置处应设置进人孔。明钢管的转弯半径为3倍管径，底部高出地面0.6m，以利于安装和检修。顶部低于最小压力线至少2m，以保证不出现真空。 由于发电引水单机流量不大，管道较长，因此压力管道采用单管双机供水方式，正向引进，管道由主管、岔管、支管及附件构成，岔管为对称Y形布置。镇墩型式采用封闭式,支墩采用滑动式支墩，伸缩节位于管道转弯处下游2.5m。四、管壁厚度的确定压力钢管的材料和壁厚选择是水电站压力钢管设计的主要内容之一,钢管壁厚和材料变化使得钢管造价同时发生变化，因此需要在钢管的适当位置改变壁厚和材料，以降低工程造价。根据SL-2003.压力钢管设计规范，钢管所用钢材的性能及技术要求必须符合国家现行有关标准的规定，因此选用Q235C、及Q345C钢材。管道末端允许的最大水锤相对升压为6H100m, 0符合支墩上游缘应力（Kpa）46.43=294符合故支墩抗滑抗倾覆能力满足要求。2地基承载能力校核在支墩垂直分力的作用下，应保证地基应力不超过地基承载能力4 ，即：满足地基承载力要求。式中： 安全系数，根据规范，。 S1支墩底面积，m2。七、管身应力分析管身应力分析目的：为了检验钢管各个部位强度是否满足强度要求，以及抗外压稳定性是否满足要求。计算部位：跨中断面，支承环旁膜应力区边缘断面和支承环及其旁管壁断面3个基本断面。（一）抗外压稳定核算明钢管外压稳定临界压力为3：0.452 MPa0.2 MPa，满足强度要求。式中： 钢材的弹性模量， 泊松比，（二）钢管受力计算1径向力计算2法向力计算(1）每米钢管自重：(2）每米管长的水重：(3）每跨管重及水重的法向分力Qcos：（三）轴向力计算1钢管自重的轴向分力：2伸缩节处端部内水压力：3温度变化时，伸缩节止水填料与管壁的摩擦力： 4温度变化时，支墩对钢管的摩擦力：忽略水流对管壁的摩擦力，以上轴向力对计算跨均为压力，故总轴向力为：（四）管壁应力计算1跨中断面（1） (1）径向应力：(2）环向应力： 跨中断面环向应力计算结果见表2-13:表2-13 跨中断面径向应力计算表DrPtH（N/mm）010005001.511102975.3389010005001.511102975.55318010005001.511102975.767(3）轴向应力：由轴向力引起的轴向应力3 ，其计算结果见表2-14：表2-14 跨中断面轴向应力计算表Artx1（N/mm）577.64850010-18.387由法向力引起的轴向应力3 ，其计算结果见表2-15：表2-15 跨中断面轴向应力计算表qsqwLMrtx203.7447.69760002950010-4.569903.7447.6976000295001001803.7447.697600029500104.569(4）剪应力：因为跨中不产生剪应力，故。(5）强度校验9 ，其计算结果见表2-16：表2-16 跨中断面强度计算表部位=1x1x2xr 管顶点075.338-18.387-4.569-22.956-1.50789.518116.325管水平轴线9075.338-18.3870-18.387-1.51186.742116.325管底点18075.338-18.3874.569-13.181-1.51584.111116.325表中 =0.90.55235=116.325 MPamax=89.518 MPa = 116.325 MPa满足强度要求。2支承环旁膜应力区边缘断面（2） (1）径向应力：忽略跨中断面处与支承环处计算水头的差值，则管壁内表面：管壁外表面：(2）环向应力，其计算结果见表2-17：表2-17 支承环旁膜应力区边缘断面计算表DrPtH（MPa）010005001.529102976.23901000500152.9102976.441801000500152.9102976.69(3）轴向应力：由管重及管中水重的法向分力引起的轴向应力3 ，其计算结果见表2-18：表2-18 支承环旁膜应力区边缘断面计算表Artx1（N/mm）577.655001018.387由法向力引起的轴向应力（在距伸缩节三跨以上，可按两端固结计算）3 ，其计算结果见表2-19：表2-19 支承环旁膜应力区边缘断面计算表qsqwLMrtx2（N/mm）03.7447.69760002930.02500103.822903.7447.69760002930.025001001803.7447.69760002930.0250010-3.822(4）剪应力3 ，其计算结果见表2-20：表2-120 支承环旁膜应力区边缘断面计算表qsqwLQtrx（N/mm）04.3167.69760002930.02100.50904.3167.69760002930.02100.51.911804.3167.69760002930.02100.50(5）强度校验3 ，其计算结果见表2-21：表2-21 支承环旁膜应力区边缘断面强度校验计算表部位=1x1x2xrx （N/mm）管顶点076.2318.3873.82222.209-1.529069.022116.325管水平轴线9076.4418.387018.387-1.5291.9170.242116.325管底点18076.6918.387-3.82214.565-1.529071.543116.325表中 =0.90.55235=116.325 MPamax=71.543MPa = 116.325 MPa满足强度要求。3支承环及其旁管壁断面（3） (1）初拟支承环断面尺寸： 支承环宽度：a=0.03 m，支承环高度：h=0.15 m，管壁计算厚度：t=0.01 m。图2-3 支承环剖面图等效翼缘宽度3 ：支承环净面积：=a(h+t) =0.03(0.15+0.010)=0.0048 m2支承环有效面积F: =0.030.15+(0.03+20.055) 0.010=0.0059m2支承环有效断面重心轴至管中心距离R：支承环有效断面重心轴至支承环截面中心距离c：c=h/2+t+r-R =0.15/2+0.01+0.5-0.566=0.019 m取支撑反力作用点至支撑环重心轴距离b： b=0.04R=0.040.566=0.02264 m支承环有效断面对重心轴的惯性矩JR：相对刚度系数：（2）径向应力：（以拉应力为“+”，压应力为“-”）忽略跨中断面处与支撑环处计算水头的差值，得：管壁内表面：=-9.8166.621=-1.633 MPa管壁外表面：（3）环向应力：由内水压力引起的环向应力：由支承环横截面上轴力引起的环向应力：由 列表进行计算，其计算结果见表2-22，其中、的计算可参考SL281-2003水电站压力钢管设计规范相关资料。表2-22 支承环及其旁管壁断面计算表计算断面 (kN)(MPa)0-0.0.318310.1.7760.301-0.0.-0.13678-8.180-1.38690-0.250-0.25-14.951-2.52990+0.2500.2514.9512.5290.-0.0.136788.1801.3861800.-0.31831-0.029661.776-0.301由支承环横截面上弯矩引起的环向应力3 ：计算断面位置与同，计算点分别选管内壁、管外壁及环外壁三处。由 列表计算，其计算结果见表2-23，其中、的计算参考SL281-2003水电站压力钢管设计规范相关资料。表2-23 支承环及其旁管壁断面计算表计算断面K3K4MR（kNm）4 (MPa)管内壁管外壁环外壁00.-0.068310.288921.2421.054-1.774-0.0.-0.34256-2.546-2.3303.08090-00.250.338481.4551.235-2.07890+0-0.25-0.33848-1.455-1.2352.0780.-0.0.342562.5462.330-3.080180-0.0.06831-0.28892-1.242-1.0541.774（4）轴向应力： 由各轴向力其合力A引起的轴向应力x1 ：由管重及管中水重的法向分力引起的轴向应力x2 (在距伸缩节三跨以上，可按两端固结进行计算，从伸缩节算起共14跨) 3 列表进行计算，其计算结果见表2-24。表2-24 支承环及其旁管壁断面计算表计算断面090-90+180x2 (MPa)4.569-5.304005.3044.569弯矩引起的轴向应力，其计算结果见表2-25。表2-25 支承环及其旁管壁断面计算表t0HD管壁内缘（MPa）管壁外缘（MPa）0.86679.80.010166.6211105.644-105.644（4）剪应力：支撑环产生的剪应力： ， 剪应力计算结果见表2-26，其中K5、K6查规范表A.2.2-4表2-26 支承环及其旁管壁断面计算表计算断面K5K6TR（KN）管内（MPa）管外壁（MPa）环外壁（MPa）00000000.0.28024-1.9540-0.365090-0.0.31831-7.73701.466090+-0.0.31831-1.7370-.146600.0.28024-1.9540-0.3650180000000法向作用力产生的剪应力，其计算结果见表2-27。表2-27 支承环及其旁管壁断面计算表计算断面V（KN）管内壁（MPa）管外壁（MPa）环外壁（MPa）0000029.9011.6651.665090-29.9011.9041.094090+29.9011.9041.904029.9011.6651.66501800000（5）强度校验：对局部应力区，强度校验分只计轴力和轴力加弯矩两种情况进行。只计轴力情况9：各计算点：，环外壁： 对相对应力列表计算，其计算结果见表2-28。采用第四强度理论，即相当应力：