水电站压力管道计算

第十三章水电站的压力管道第六节明钢管的管身应力分析及结构设计一、明钢管的荷载明钢管的设计荷载应根据运行条件，通过具体分析确定，一般有以下几种：(1)内水压力。

包括各种静水压力和动水压力，水重，水压试验和充、放水时的水压力。

(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。

钢管设计的计算工况和荷载组合应根据工程的具体情况参照钢管设计规范采用。

二、管身应力分析和结构设计明钢管的设计包括镇墩、支墩和管身等部分。

前二者在上节中已经讨论过，这里主要讨论管身设计问题。

明钢管一般由直管段和弯管、岔管等异形管段组成。

直管段支承在一系列支墩上，支墩处管身设支承环。

由于抗外压稳定的需要，在支承环之间有时还需设加劲环。

直管段的设计包括管壁、支承环和加劲环、人孔等附件。

支承在一系列支墩上的直管段在法向力的作用下类似一根连续梁。

根据受力特点，管身的应力分析可取如图13-14所示的三个基本断面：跨中断面1-1；支承环附近断面2-2和支承环断面3-3。

以下介绍明钢管计算的结构力学方法。

图13-14 管身计算断面（一）跨中断面（断面1-1)管壁应力采用的坐标系如图13-15所示。

以x表示管道轴向，r表示管道径向，θ表示管道切向，这三个方向的正应力以、、表之，并以拉应力为正。

图中表明了管壁单元体的应力状态，剪应力r下标的第一个符号表此剪应力所在的面（垂直x轴者称x面，余同），第二个符号表示剪应力的方向，如表示在垂直x轴的面上沿e向作用的剪应力。

1.切向（环向）应力。

管壁的切向应力主要由内水压力引起。

对于水平管段，管道横截面上的水压力如图13-16(a),它可看作由图13-16(b)的均匀水压力和图13-16(c)的满水压力组成。

这两部分的水压力在管壁中引起的切向应力为式中D、δ--管道内径和管壁计算厚度，cm；γ--水的容重，0.001；H--管顶以上的计算水头，㎝；θ--管壁的计算点与垂直中线构成的圆心角，如图13-16(c)所示。

第八章水电站压力管道第一节压力管道的功用、类型一、功用和特点压力管道是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管，一般为有压状态。

其特点是集中了水电站大部分或全部的水头，另外坡度较陡，内水压力大，还承受动水压力的冲击(水锤压力)，且靠近厂房，一旦破坏会严重威胁厂房的安全。

所以压力管道具有特殊的重要性，对其材料、设计方法和加工工艺等都有特殊要求。

压力管道的主要荷载为内水压力，管道的内直径D(m)和其承受的水头H(m)及其乘积HD值是标志压力管道规模及技术难度的重要参数值。

目前最大直径的钢管是巴基斯坦的塔贝拉水电站第三期扩建工程的隧洞内明钢管，直径为13.26m。

HD值最高的常见于抽水蓄能电站，已超过5 000m2。

二、分类压力管道可按照布置型式和所用的材料分类，见表8-1。

表8-1 压力管道类型其中，明管适用于引水式地面厂房，地下埋管多为引水式地面或地下厂房采用，混凝土坝身管道则只能在混凝土坝式厂房中使用。

由于钢材强度高，防渗性能好，故钢管或钢衬混凝土衬砌管道主要用于中、高水头电站；而钢筋混凝土管适用于中小型电站。

图8-1 焊缝布置图(一) 钢管钢管按其自身的结构又可分为：(1) 无缝钢管。

其直径较小，适用于高水头小流量的情况。

(2) 焊接钢管。

适用于较大直径的情况。

焊接钢管由弯成圆弧形的钢板焊接而成，焊缝结构如图8-1所示，一般相邻两节管道的纵缝应错开一定角度，以避免焊缝薄弱点在同一直线上。

(3) 箍管。

当HD>1 000m2时，钢板厚度一般会超过40mm，其加工比较困难，因而在这种情况下常采用箍管。

箍管是在焊接管或无缝钢管外套以无缝的钢环(钢箍，称为加劲环)，从而使管壁和钢箍共同承受内水压力，以减小管壁钢板的厚度。

钢管所使用的钢材应根据钢管结构型式、钢管规模、使用温度、钢材性能、制作安装工艺要求以及经济合理等因素参照设计规范选定。

(二) 钢筋混凝土管钢筋混凝土管具有造价低、刚度较大、经久耐用等优点，通常用于内压不高的中小型水电站。

水电站压力管课程设计学院：水利学院专业：水利水电工程科目：水电站课题：水电站压力管道课程设计姓名：学号： 313174云南农业大学水利学院2017年12月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1、最大发电流量；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；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；7、支墩与管身摩擦系数；8、伸缩节摩擦系数；9.水轮机调节时间。

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1.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.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：式中：为钢管的最大设计流量，；H为设计水头，m。

由基本资料得：所以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。

水电站压力管道设计标准是指在设计和建造水电站压力管道时，需要遵循的一系列规范和要求。

这些标准主要包括以下几个方面：
1. 材料选择：压力管道的材料应该具有足够的强度、韧性和耐腐蚀性，能够承受高压水流的冲击和腐蚀作用。

常用的材料包括碳钢、不锈钢、合金钢等。

2. 结构设计：压力管道的结构应该合理、稳定，能够承受水流的压力和振动。

常见的结构形式包括直管、弯头、三通、四通等。

3. 尺寸计算：压力管道的尺寸应该根据水流的流量、速度和压力等因素进行计算，确保管道能够正常工作并避免出现堵塞或破裂等问题。

4. 安装要求：压力管道的安装应该符合相关的规范和要求，包括管道的连接方式、支架的设置、管道的固定等。

同时，还需要进行严格的质量检查和测试，确保管道的安全性和可靠性。

5. 维护管理：压力管道的维护管理应该定期进行，包括清洗、检修、更换等工作。

同时，还需要建立完善的档案管理制度，记录管道的使用情况和维护记录等信息。

总之，水电站压力管道设计标准是保证水电站安全运行的重要保障。

只有严格按照相关标准进行设计和建造，并进行有效的维护管理，才能确保水电站的长期稳定运行。

第八章水电站压力管道要求：掌握压力管道的工作特点、类型及总体布置，压力管道的尺寸拟定，设计方法和步骤。

第一节压力管道的功用和类型一、功用及特点(一) 功用压力管道是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管。

(二)特点(1) 坡度陡(2) 内水压力大，且承受动水压力的冲击(水击压力)(3) 靠近厂房。

严重威胁厂房的安全。

压力管道的主要荷载为内水压力，HD值是标志压力管道规模及技术难度的重要参数值。

当V=5~7m/s时，HD≈(0.15～0.18) N g H当N g相同时，H愈大，HD愈大。

目前最大达5000m2。

目前最大直径的钢管是巴基斯坦的塔贝拉水电站第三期扩建工程的隧洞内明钢管，直径为13.26m。

二、分类第二节压力管道的线路选择及尺寸拟定一、供水方式1．单元供水：一管一机。

不设下阀门。

优点：结构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好，易于制作，无岔管缺点：造价高适用：(1) 单机流量大、长度短的地下埋管或明管；(2) 混凝土坝内管道和明管道2．联合供水：一根主管，向多台机组供水。

设下阀门。

优点：造价低缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差适用：、(1) 机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管3．分组供水：设多根主管，每根主管向数台机组供水。

设下阀门。

适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。

地下埋管和明管单元供水联合供水分组供水二、明管布置管道与主厂房的关系：1．正向引近：低水头电站。

水流平顺、水头损失小，开挖量小、交通方便。

钢管发生事故时直接危机厂房安全。

2．纵向引近：高、中水头电站。

避免水流直冲厂房。

3．斜向引近：分组供水和联合供水。

(a)、(b) 正向引进(c)、(d) 纵向引进(e) 斜向引进压力水管引进厂房的方式三、线路选择压力管道的线路选择应结合引水系统中的其它建筑物(前池、调压室)和水电站厂房布置统一考虑。

1．路线尽可能短、直。

（经济、水头损失小、水击压力小）一般设在陡峻的山脊上。

水电站压力管设计标准一、前言水电站是指利用水资源来发电的设施，其中压力管作为输送水力能源的关键设备之一，在水电站中起着至关重要的作用。

为了保障水电站的安全运行，提高设备的可靠性和工作效率，制定水电站压力管设计标准是必不可少的。

二、设计依据1. 《水利水电工程施工及验收规范》2. 《水电站工程技术规范》3. 《水电站安全生产管理规程》4. 相关国家标准及行业标准三、设计范围本标准适用于水电站压力管的设计、选型和安装，包括主压力管道、支路管道等。

四、设计要求1. 材料选择：压力管道应选用高强度、耐腐蚀、耐高温的材料，如碳钢、不锈钢等。

2. 设计压力：根据水电站的实际工况和水头高度确定设计压力，确保管道在工作状态下不发生爆裂和泄漏。

3. 结构设计：考虑到水电站工作环境的特殊性，压力管道应具有良好的抗震性能和抗冲击能力，确保在自然灾害和外部冲击下不受损。

4. 排气设计：在管道设计中要考虑排气装置，以防止气体在管道中积聚，影响水流的稳定性。

5. 清洗和防腐设计：对于压力管道的设计应考虑清洗和防腐涂层，以延长管道使用寿命。

6. 连接方式：管道连接方式应采用可靠的焊接或螺纹连接，确保连接处不漏水、不破裂。

五、设计流程1. 方案设计：根据水电站的实际情况和工艺要求，制定压力管道的设计方案。

2. 结构设计：包括管道的大小、材料、壁厚等细节设计。

3. 力学校核：对设计结果进行力学校核，确保管道的强度和稳定性。

4. 材料选型：根据设计要求选择合适的材料，并进行验收。

5. 安装调试：管道安装完成后进行调试和验收，确保安装质量符合要求。

六、设计验收1. 设计文件：提交完整的施工图、设计计算书等设计文件。

2. 校核：经过专业工程师的校核，确保设计符合相关标准和法规。

3. 材料验收：管道材料应符合国家标准和相关规定，经过验收合格。

4. 安装验收：管道安装后进行验收，确保安装质量符合设计要求。

5. 系统调试：对整个管道系统进行调试，确保系统运行稳定、无泄漏。