水电站(压力钢管分岔管结构设计专题)计算书

式中： a——单元管节正截面的圆心角；
（16-25）——Page472，《手册》
D——管内径与管壁厚度（计入锈蚀）之和，即平均直径，mm ； b——单元管节最短母线长的半值，mm ；
弯管展开曲线计算
单元管节半边展开曲线坐标按下式计算：
（16-24）——Page472，《手册》
ρ——弯管转弯半径管节中间正截面距离，mm ；
k——相邻单元管节的管轴偏角。

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2cos 1118022
2
D k tg
b +
=
r
)
2
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k tg b -=r
一、 弯管一
弯管展开曲线计算：
已知条件有： 弯管转角θ=15。

，管内径D 0=1810mm ，壁厚δ=18mm 。

本弯管设计为3个单元管节；则，每个单元管节间偏角k=15/3=5。

，
二、弯管二
已知条件有：弯管转角θ=60。

，管内径D0=1810mm，壁厚δ=18mm。

本弯管设计为8个单元管节；则，每个单元管节间偏角k=60/8=7.5。

，。

高水头小流量水电站压力钢管结构分析与设计摘要:hm水电站属于小流量、高水头的引水式电站，该电站压力管道部分全线采用地下埋管，调压井与主厂房之间采用一竖井一平洞连接。

本文结合压力钢管设计，对压力钢管主、岔、支管的总体布置、水力计算、管材及壁厚选择、结构设计进行分析。

关键词: 地下埋管竖井外水压力结构设计分析岔管abstract: hm hydropower station belongs to a small flow, high water head of water diversion type power station, the power of the pressure piping all buried pipes, surge tank and main building between the shaft well a flat a hole connection. combining with the design pressure pipe, steel pipe to pressure the bifurcation, pipe, the overall layout, hydraulic calculation, piping and wall thickness selection, structure design for analysis.keywords: buried pipes external water pressure of vertical shaft structure design analysis bifurcation pipe中图分类号：tu318文献标识码：a 文章编号：1 工程概况hm水电站发电引用流量19.71 m3/s,总装机容量为3×25mw，年发电量3.6125亿kw·h，其年利用小时数为4817h。

2 水力计算选定主管直径为3.0m、2.8m、2.6m和2.2m四种，支管直径1.2m，管道过最大引用流量19.71m3/s，主管的流速为2.79～5.16m/s，支管的流速为5.81m/s，相应坝前正常蓄水位1430.0m时，压力钢管的最大静水头为457m，在该水头下，电站带满负荷时，水头损失按9.67m计。

岔管壁厚度按下面二式的最大值拟定R—该节钢管最大内半径（m）；K1—系数，K1=1.0~1.1；c—锈蚀系数，c=1~2mm[σ]1、[σ]2—材料用于岔管时的容许应力（Pa），此处钢材为A3钢，（见表13-1，340Page，《手册》）； a—该节钢管半锥顶角（度）； φ—焊缝系数；K2—边缘应力集中系数，（见图13-13，Page357，《手册》）； 《引水系统施工图（安顺关脚水电站工程）》 一、 钢岔管管壁厚度δ（mm）的拟定1、按钢管极限强度设计管壁厚度式中: P—设计内水压力（N/m 2），P=10*1000*H，H=▽H+H1=H1（1+64%），▽H——水击水头；H1——作用水头，H1=▽校核水位-▽钢管轴线；（13-1）——Page340，《手册》内加强月牙肋岔管设计计算目的： 通过计算确定钢管管壁厚度，拟定岔管几何尺寸及展开图计算、月牙肋结构尺寸，岔管抗外压稳定计算。

计算资料：《引水发电隧洞设计图》，设计依据：《小型水电站机电设计手册（金属结构）》，简称《手册》，——水利电力出版社； 《压力钢管》（水工建筑物设计丛书），——电力工业出版社；参考资料：《引水系统部分施工图（凤冈县九道拐水电站工程）》[ ]φ σ 12、按抗外压稳定设计管壁厚度式中： P cr——明管临界压力（N/mm2），E——钢管弹性膜量（N/mm2），t——管壁厚度（mm），ν——钢管抗剪切系数，D——钢管内径（mm），K——安全系数，p——钢管承受外压（N/mm2），考虑到在实际受力情况下，钢管无外水压力，且外面包有砼，并在隧洞进口设有通气孔所以：Pcr≥Kp；即，钢管抗外压稳定满足要求。

所以，管壁厚δ取为21mm。

3、管壁厚度的确定综合以上两种管壁计算， 比较管壁厚度δ1，δ2的大小，取大值作为相应管节的壁厚。

但考虑钢管实际受力情况复杂 及岔管外压稳定， 所以管壁厚度δ值可取为：钢岔管壁厚(mm)主钢岔管壁厚(mm)支钢岔管壁厚(mm)212222二、 主钢管设计1、管壁厚度的确定由于岔管壁厚为21mm，且岔管与钢管主管间有管节过渡，为便于管壁厚度的连续性，所以初取主钢管壁厚δ=22mm，钢材为A3钢。

水电工程设计论文：某水电站工程压力钢管及钢岔管设计【摘要】根据某水电站工程的工程规模和特点、结合主要的设计计算研究压力钢管和钢岔管的布置设计,使其结构布置安全、合理、经济,满足运行要求。

【关键词】某水电站;压力钢管;设计1. 工程概况从调压井后直接压力管道。

压力管道内径4.6m,主管全长804.473m,由上平洞段、上下转弯段、斜井段和下平洞段组成,上下转弯段转弯半径为15m,考虑施工方便,斜井段坡度1:0.8391。

上平洞段长10.0m,断面中心点高程1812.700m;上弯段长度为13.09m,断面中心点高程1812.700m~1807.342m;斜井段长度为277.304m,断面中心点高程1807.342m~1594.915m;下弯段长度为13.015m,断面中心点高程1594.915m~1589.557m;下平洞段长度为451.312m,断面中心点高程1589.557m~1587.300m;明管段长度为39.752m,断面中心点高程1587.300m(水轮机安装高程)。

压力钢管外采用C20素混凝土衬砌,抗冻标号F200,抗渗标号W6,衬砌厚度0.6m。

岔管及支管为明钢管,外包C25钢筋砼。

1#岔管是一分为二的卜型内加强月牙肋岔管,分岔角70°,主锥、支锥各由三节锥管过渡;2#岔管是一分为二的卜型内加强月牙肋岔管,分岔角72°,主锥、支锥各由三节锥管过渡。

岔管的设计内水压力3.25 N/mm 2(包括水击压力)。

与1#岔管相连接的主管内半径2.3 m,1#岔管公切球内半径2.7 m,与1#岔管相连接的支管内径分别为1.7m和1.1m。

与2#岔管相连接的主管内半径1.7 m,2#岔管公切球内半径2.0 m;与2#岔管相连接的支管内半径1.1 m,支管间距15m。

3. 材质选择压力管道主管段管径4.6m,支管管径1.1m,岔管最大直径5.4m,最大内水压325m。

由于钢管的HD 值较大,从结构应力分布、抗外压稳定、制作卷板能力、焊接工艺和经济性等综合比较决定,钢材采用高强钢。

中华人民共和国电力行业标准P DL/T 5141—2019水电站压力钢管设计规范Specifications for design of Steel penstocks of hydroelectric Stations编写单位：国家电力公司西北勘测设计研究院，国家电力公司昆明勘测设计研究院，武汉大学批准部门：中华人民共和国国家经济贸易委员会批准文号：国家经贸委2019年第31号公告DL/T5141——2019前言原电力工业部水电水利规划设计总院，按照原电力工业部技综[2019]44号文《关于下达2019年制定、修订电力行业标准计划项目(第二批)的通知》，下达水电规科[2019]0023号文《关于水电站压力钢管设计规范修订任务的函》，本规范是根据该文件的要求组织修订的。

其目的在于适应水电建设发展的需要，结合高水头、大直径压力钢管的工程实践，以及新管型、新结构、新材料、新工艺采用的成功经验，对原水利电力部1985年4月颁发的SDl44——1985《水电站压力钢管设计规范(试行)》进行修订。

本规范在修订过程中，主编单位会同协编、参编单位开展了细致的专题研究，调查总结了近年来大中型工程实践的经验教训，在全国广泛征求了有关设计、施工、运行、科研、教学单位及管理部门和专家的意见，于2019年初提出征求意见稿、2000年6月提出送审稿，并于2000年11月在西安由国家电力公司水电水利规划设计总院组织审查。

根据送审稿审查会议纪要要求于2019年4月完成报批稿。

本规范为推荐性行业标准，替代SDl44——1985。

本规范应与GB/T 50199——1994《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》以及按其要求制订的其他水工结构设计规范配套使用。

本次修订的主要内容为：根据GB/T 50199——1994的原则和要求，将规范基本设计原则按可靠度理论和分项系数表达式进行“转轨、套改”；扩大规范的适用范围，增补坝后背管的布置形式、结构计算及构造要求等条文和附录；推荐新钢种并列出主要指标；增补抽水蓄能电站管道水力计算的特殊要求；其他如模型试验、原型观测、伸缩节等方面的成熟经验，本规范也作了适当增补和修改。

三级水电站压力钢管结构设计1.设计依据及参考资料（1）设计依据：《水电站压力钢管设计规范》（DL/T 5141-2001）（2）参考资料：《水电站》（西安理工大学、葛洲坝水电工程学院合编）2.设计原则（1）钢管结构在弹性状态下工作；（2）考虑压力管道洞身埋藏在地下，不校核地震情况，不计温度应力；（3）管壁最小厚度（包括壁厚裕量）应满足下表的要求。

压力钢管的结构重要性系数………………………γ0=1.0设计状况系数………………………………………ψ= 1.0焊缝系数 ……………………………………………φ=0.94.压力钢管主管段结构计算4.1管壁厚度t的确定主管段r = 2.2m，0.6mm。

σR r/E S2= 1.57mm＞ δ2=0.6mm1.0,水击压力γQ = 1.1钢管结构的抗力限值σR =t—钢管管壁厚度，mm。

经计算，主管承受最大环向正应力为σθ=73.598N/mm²，小于经过计算取缝隙δ2=《水电站压力钢管设计规范》附录B的条文说明中，建议缝隙δ2的取值为（3.5～4.3）×10-4r K 0—围岩单位抗力系数较小值，N/mm 3；161.538N/mm²。

（其中r为钢管内半径，m）。

缝隙判别条件： γd —结构系数；但考虑到地下埋管沿线地质条件较差，故不计围岩分担内水压力的作用，按压力钢管单独承受 ψ—设计状况系数；4.1.1受力条件分析式中：σR —钢管结构构件的抗力限值，N/mm 2 γ0—结构重要性系数；经计算，钢管的抗力限值σR =2E S2结构系数考虑焊缝系数取γd ==226373.63N/mm²，=0.611（N/mm²）p=γW H=γW [γQ ×(Z 蓄-Z 安)+γQ ×H 水击]σθ—钢管环向正应力，N /mm ；全部内水压力设计，结构系数仍按地下埋管取值。

4.1.3管壁厚度t的计算式中：p—内水压力设计值，N/mm 2；r—钢管内半径，mm；σ—钢管的抗力限值，N/mm 2。

一 、压力管水击计算 设计参数：Q=10m 3，s T S 3=，[]MPa 120=σ，4.0=K f ，6.0=f ，3.0=b f 。

1、直接或间接水击判断取在明钢管中水击波的传播速度s m C 1000=。

取i=0.001，b=1.5m ，K=Q/=316.233/m s ，故2.672.671.50.5490.017316.23b nk ==⨯，查表知，03.2, 1.5 3.2 4.8h h m b==⨯= 初估钢管直径由公式VQV Q D 13.1)4(21=⋅=π， 其中s m v 0.5=，,103s m Q = 代入公式计算得：m D 598.1=。

取mm m D 1600.600.1==。

进口底砍取1m ，由初始尺寸可计算[]188(4.80.81)sin 36144.6L m -=---= 则s T CLs 329.010006.14422=<=⨯=，因此，发生的水击为间接水击 2、第一相或极限水击判断 水击常数：0max2h g V C ⨯⨯⨯=ρ一般经验，露天钢管的经济流速为4.0~6.0s m ，取s m v 0.5=0.3858.920.5100020max =⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=h g V C ρ，满负荷运行 10=τ， 则 10.30>=ρτ，因此，压力钢管内将产生极限水击。

3、计算 σ s T gH LV s 29.03858.90.56.1440max =⨯⨯⨯==σ 4、由于钢管内产生的是极限水击，则取34.029.0229.0222=-⨯=-=σσξm ， 则水击压力的升高值m H H m 9.288534.00=⨯=⋅=∆ξ。

5、水击影响下阀门处最大水头：H ∆＝28.9m m H H H p 9.1139.28850=+=∆+=二 、压力钢管计算1、荷载组合选择①：钢管自重分力1A （沿管轴方向）； ②：关闭的阀门及闷头上的力2A ； ③：温度变化时支座对钢管的摩擦力3A ； ④：钢管自重分力4A （沿垂直管轴方向）；⑤：钢管中水重分力5A ； 3、管壁厚计算 []σγδ20DH p ⋅⋅=其中，38.9m KN g ==ργ m H p 9.113= mm D 1600= ， []MPa 120=σ则mm 44.710120260.19.113108.9630=⨯⨯⨯⨯⨯=δ， 0/80046D mm δ≥+= 符合要求。