水电站新ppt课件 第八章（1）水电站压力管道

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武汉大学水利水电学院水电站教研室第八章水电站的压力管道第一节压力管道的功用和类型一、功用和特点：功用：将水从水库、前池或调压室引入水轮机。特点：①承受电站的最大动、静水压力。②坡度陡，靠近厂房，且一般布置坡度较陡，一旦出现事故，将直接危及厂房安全。二、压力水管的类型按布置方式分：露天式（明管），地下式（地下埋管），坝内管。按材料分：钢管、钢筋混凝土管、钢衬钢筋混凝土管。二、压力水管的类型压力管道所承受的主要荷载是内水压力，选用什么材料的压力管道，衡量的主要参数为HD值。（其中H为水电站工作水头，D为压力水管内径）由钢材卷制而成,其强度很高,可以承受较大的内水压力,适用于中高水头电站。多为引水式地面厂房采用。一般在其上设置镇墩、支墩、加劲环、伸缩节、阀门、进人孔、通气阀等。露天式明钢管神农架红花坪电站神农架三堆河水电站神农架某水电站神农架坪头水电站地下埋管布置在山体中,多为引水式地面厂房或地下厂房采用。地下埋管可以是钢筋混凝土管或钢衬钢筋混凝土管。钢筋混凝土管钢筋混凝土管具有造价低、可节约钢材、能承受较大外压和经久耐用等优点，通常用于内压不高的中小型水电站。普通钢筋混凝土管：一般用于HD<50m2的情况；预应力和自应力钢筋混凝土管：一般HD值可超过100m2。预应力钢丝网水泥管：一般HD值可超过100m2。钢筋混凝土管按布置方式可以是明管也可以是埋管。钢衬钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管是在钢筋混凝土管内衬以钢板构成。在内水压力作用下钢衬与外包钢筋混凝土联合受力，从而可以减小钢衬的厚度，该管适用于大HD值的情况。由于钢衬可以防渗，外包钢筋混凝土可按允许开裂设计，以充分发挥钢筋的作用。坝身管布置在坝体内部或坝下游面,多为坝后式或坝内式厂房采用。坝内管有竖井式和斜井式布置型式。第二节压力管道的布置和供水方式一、压力管道的布置管道线路尽可能短而直。尽量选择良好的地质条件。尽量减少管道线路的起伏波折。避开可能产生滑坡及崩塌的地段。明钢管的线路选择应与电站引水系统中其他建筑物，特别是前池或调压室，还有和水电站厂房统一布置。一、压力管道的布置规范规定：管顶任何部位都应在最低压力线以下，并有2m的余压。转弯处需设镇墩，转弯半径应不小于3倍管径，并且明钢管底部至少高出地表0.6m,以便安装检修。二、压力管道的供水方式

一、供水方式供水方式取决于机组台数，单机流量，地质条件以及制造、安装条件。供水方式常有这样三种类型：1、单元供水2、集中供水3、分组供水一、供水方式优点：结构简单，运行灵活，可靠性好。缺点：钢材用量大，经济性较差。适用条件：管道较短，单机流量大，比如坝内埋管。优点：钢材用量最省，经济性较好。缺点：运行灵活性和可靠性较差，需设结构复杂的分岔管。适用条件：管道较长，流量较小的情况，比如引水式电站。优缺点介与单元供水和集中供水之间根据压力水管主管与主厂房纵轴线相对位置，压力管道的引进方式分为：主要考虑压力管道爆破的可能性，以及对厂房所产生的危害。1、正向引进；2、斜向引进；3、纵向引进。二、引进方式第三节压力管道的水力计算与经济直径一、水力计算1、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。（1）摩阻损失：（曼宁公式）；每米管长内摩阻损失。（2）局部损失：ζ：局部损失系数；2、非恒定流计算：即水锤计算最低压力线（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，或是机组丢弃负荷正水锤而反射而成的负水锤）确定最高压力线及其分布：管道结构计算的依据。确定最低压力线及其分布：校核管线布置，要求管顶至少应在最低压力线以下2m。①正常工况（上游正常高水位，机组丢弃全负荷）②特殊工况（上游最高发电水位，机组丢弃全负荷）一、水力计算二、管径的确定压力管道的直径应通过动能经济计算确定。与确定渠道断面一样。Qmax—钢管的最大设计流量，

单位：m3/sHp—设计水头，m。一般做法是：初拟几个直径，进行动能经济比较，选定最优直径。

初设时可用下列经验公式初定。第四节钢管的材料、容许应力和管身构造一、钢管的材料压力钢管受高内压及水锤压力，对材料要求严格，早期压力钢管事故多为选材不当所致。钢管一般采用镇静溶炼的热轧平炉低碳钢或低合金钢。常用的钢材有：对于焊接管，钢材的基本性能包括：机械性能、加工性能和化学成分等方面。钢材的屈服强度极限强度断裂时的延伸率冲击韧性机械性能辊轧冷弯焊接加工性能化学成分：主要是钢材的碳、锰、硅、镍、硫等的含量方面的要求。一、钢管的材料二、容许应力应力区域膜应力区局部应力区荷载组合基本特殊基本特殊内力性质轴力轴力轴力和弯矩轴力轴力和弯矩允许应力[σ]明钢管0.55σs0.7σs0.67σs0.85σs0.8σs1.0σs地下埋管0.67σs0.9σs

坝内埋管0.67σs0.8σs0.9σs

安全系数K可参考有关规范。规范规定的钢管容许应力

强度校核第四强度理论:其中：焊缝系数一般可取0.9-0.95,与焊缝方法、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：三、管身构造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。对焊接管一些最主要的构造要求，如（最小壁厚、管径变化、焊缝要求、椭圆度、管壁防锈厚度等），设计时需查阅有关规范。如：对于明钢管，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10o。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0.5%。等等。也不宜小于6mm。并且要考虑2mm锈蚀厚度。管壁最小结构厚度为：三、管身构造白莲河抽水蓄能电站钢管加工（一）白莲河抽水蓄能电站钢管加工（二）白莲河抽水蓄能电站钢管加工（三）白莲河抽水蓄能电站钢管加工（四）白莲河抽水蓄能电站钢管加工（五）第五节明钢管的敷设方式、镇墩、支墩一、敷设方式根据两镇墩间是否设伸缩节，明钢管的敷设方式可划分为：连续式分段式。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，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（比如回填管或钢衬钢筋混凝土管）。连续式在两个镇墩之间的钢管上设置一个伸缩节。当温度变化时，水管可以沿轴线方向自由伸缩，从而消除了管壁内的大部分温度应力，也减小了作用在镇墩上的作用力。伸缩节一般设置在上镇墩的下游侧，并靠近镇墩。分段式二、明钢管的支墩和镇墩（一）支墩支墩按其支座与管身相对位移的特征分：1、作用：支撑钢管，承受管重和水重的法向分力，相当于梁的滚动支座。2、类型：滑动式支座（无支承环、有支承环）；滚动式支座；摇摆式支座。鞍形滑动式支座：将钢管直接支承在一个鞍形的混凝土支座上，包角为90o-120o。其结构简单，但管身受力不均匀，摩擦力大，适用于直径小于1m的钢管。有支承环的滑动支墩：钢管通过支承环放置在支墩上，改善了管壁的受力不均匀现象，适用于直径小于2m的钢管。返回滑动式支座特点是在支承环与支承面之间设置圆柱形辊轴，摩擦系数小，常用于垂直荷载较小而管径大于２米的钢管。摆动式支墩的特点是在支承环和支承面之间设一个可以摆动的短柱，其下端与支承板铰接，上端以圆弧面与支承环的上托板接触，钢管变形时，短柱前后摆动，摩擦力很小，用于管径大于２米的钢管。返回滚动式和摆动式支座（二）镇墩1、作用：将钢管固定在山坡上，主要承受因管道转弯而产生的轴向不平衡力，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。2、类型：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，分为封闭式和开敞式两种形式。将弯管段用锚环锚在管道下部的混凝土墩上，镇墩处管道受力不均匀，但易于管道检修。将弯管段整个埋在混凝土中，固定管道较好，结构简单，镇墩处管道受力均匀。封闭式和开敞式镇墩3、镇墩设计：水管自重的轴向分力作用在阀门上的内水压力水管转弯处的内水压力管径变化处的内水压力伸缩节边缘处的水压力温度变化时伸缩节填料的摩擦力温变时水管与支墩的摩擦力水流对管壁的摩擦力水在水管转弯处的离心力作用在镇墩上的力每米长水管重量；管段计算长度；管轴线与水平线之间的夹角；水管自重的轴向分力水的容重；H：该处的水头；作用在阀门上的内水压力水管转弯处的内水压力水管直径变化处的内水压力伸缩节边缘处的水压力hw：计算管段的水头损失。水流对管壁的摩擦力fk：填料与管的摩擦系数；注意：温升温降作用力方向不一样。温度变化时伸缩节填料的摩擦力Qp:一跨的管重；Qw:一跨的水重；f:管壁与支墩的摩擦系数。注意：温升温降作用力方向不一样。温度变化时水管与支墩的摩擦力R:离心力;A9:离心力在管轴线方向的分力。水在水管转弯处的离心力将作用在镇墩上的力全部画在镇墩轴线处。然后根据大小和方向进行求和。求出：作用在镇墩上的力管重产生的法向分力：水重产生的法向分力：镇墩上下游管段的倾角；镇墩与上下游相邻支墩间管道长度之半。镇墩承受的管重和水重的法向分力镇墩上下游管段单位长度内的管重和水重；初拟镇墩尺寸，求出镇墩重量（包括镇墩范围内的管重和水重）G。然后将所有的力沿镇墩轴线x-y方向进行投影，求出然后求出合力R以及合力的作用点。镇墩设计镇墩的设计包括：抗滑稳定计算；地基应力校核；镇墩细部结构设计。镇墩设计抗滑稳定计算或令反求镇墩的重量。地基应力校核根据偏心受压公式，进行地基应力校核。为地基允许承载能力。地基应力校核要求合力作用点在镇墩底宽的三分点之内。镇墩底部避免出现拉应力。即镇墩底部均为压应力。图中e为偏心距三、明钢管上的闸、阀门和附件（一）闸门及阀门压力管道进口处常设置平面钢闸门，以便在压力管道发生事故或检修时用以截断水流。对于集中供水和分组供水，在压力管道末端往往设置阀门，以增加运行的灵活性。常用的阀门有：蝴蝶阀和球阀，极小型电站有时用平板阀。蝶阀由阀壳和阀体构成。阀体形似铁饼，在阀壳内绕水平或垂直轴旋转。操作有液压和电动两种。优点：启门力小，操作方便迅速，体积小，重量轻，造价低。缺点：阀门在开启状态时，水头损失较大。在关闭