大孤山水电站工程压力钢管及钢岔管设计

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1、大孤山水电站工程压力钢管及钢岔管设计摘要：压力钢管是水电站工程中的重要组成部分，本文根据工程本身的特点及结构，结合设计，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：水电站压力钢管三梁岔管1、前言压力钢管和岔管是水电站工程中的重要组成部分，其位于厂房上游侧，受力条件差，所承受的静动水压力最大，又靠近厂房，其安全性十分重要。我国已经建成的水电站岔管大多数属于地下岔管，但大多按明管设计，即不考虑周围岩体分担荷载。本电站属于长距离引水式电站，水头落差大，压力管道长，因此，合理的设计

2、对于工程本身具有重要的意义。2、工程概况黑河是甘肃省最大的内陆河，发源于青海，上游峡谷段水能资源丰富，规划有八级中型水力发电站，总装机容量444MW，年发电量27.59亿kW·h。其中大孤山水电站位于梯级开发的第五级，电站采用长隧洞引水式开发方式，枢纽为闸坝，从右岸引水至厂房，最大坝高20m。水库正常蓄水位为2145.5m，为无调节水库。电站装机容量为65MW，机组为2台26MW加1台13MW，电站设计引用流量105m3/s，年发电量2.0310亿kW·h，装机年利用小时3125h，额定水头73m。本工程引水系统至调

3、压井全长7310m，调压井后接压力管道。3、压力管道布置3.1压力管道总体布置发电引水系统中的压力管道上接调压室，下与发电厂房岔管相接，为竖井式布置，岩性为变质砂岩，属Ⅲ～Ⅳ类围岩，压力钢管主管全长284.73m，主管内径5m，由上弯管、竖直管、下弯管和水平直管组成。上下转弯段转弯半径为18m，斜井段坡度50°，上平洞段长度为7.8m，上弯段长度为28.27m，竖井段长度为24.10m，下弯段长度为28.27m，下平洞段长度为196.29m。压力管道采用钢板内衬外包素砼的衬砌型式。压力管道后接钢岔管，钢岔管采用三梁卜

4、型岔管分岔后接三条支管，分别与三台机组连接。3.2.压力钢管布置及岔管体形设计压力钢管起衬点位置主要根据“上抬理论”准则、“水力劈裂”准则和地质条件等综合确定。考虑到调压井后压力管道上覆岩体厚度较薄，从安全角度出发，发电洞从调压井后直接压力管道。压力管道内径5m，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#、2＃岔管都是一分为二的卜型三梁岔管，分岔角66.2492°。岔管的设计内水压力1.2N/mm2(包括水击压力)。1#岔管公切球内半

5、径2.26m，与1#岔管相连接的支管内径分别为3m和4.048m，与2#岔管相连接的主管内半径3.761m，2#岔管公切球内半径1.688m;与2#岔管相连接的支管内半径3m，支管间距11m。经计算，最终采用的U梁和腰梁的钢板厚度均为60mm，主U梁梁高80cm，次U梁梁高50cm，腰梁梁高40cm。3.3材质选择压力管道主管段管径5m，支管管径3m，岔管最大直径5m，最大内水压120m。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。岔管受力极其复杂，还需采用耐层状撕裂钢，

6、通过对钢材生产质量、性能、价格和使用运行情况的分析比较，最终采用满足设计要求的16MnR钢，其特点是:(1)强度高，能适应和满足岔管的不良应力分布，减少管壁厚度和钢材用量；（2）具有良好的综合性能和低温冲击韧性，时效敏感性、缺口敏感性低，焊接性能优能优良，厚度在30mm以下时，焊前一般不预热，焊后可不热处理。4、结构计算4.1计算荷载(1)运行期：考虑3台机瞬间丢弃负荷沿程最大水锤压力+相应内水压，通过过渡过程分析，岔管段设计内水压力(包括水击压力)为1.2MPa。整个压力管道段的内水压力为0.5MPa～1.2MPa

7、。(2)施工期:灌浆压力:固结灌浆压力2.5MP;回填灌浆压力采用0.3MPa；接触灌浆压力采用0.1MPa。4.2压力钢管壁厚计算本工程中压力管道段的进出口段不满足最小覆盖围岩要求，按明管设计，中间部分按埋管设计。通过各种工况的计算，压力管道的出口的壁厚由内压控制，按锅炉公式计算；压力钢管的中间部分的壁厚由外压控制。(1)管壁厚度计算根据主要荷载并考虑钢材允许应力降低15％，按锅炉公式计算管壁厚度tr—管壁的内半径；t—钢板计算壁厚；P—均匀内水压力；ψ—焊缝系数；[σ]—钢材的允许应力；按上式计算得到的钢管厚度，

8、计算成果下表。压力钢管钢衬厚度统计表项目渐变段直管段岔管段支管段位置管壁加劲环管壁加劲环管壁加劲环管壁加劲环厚度（mm）2222202026202020(2)钢管抗外压稳定计算钢管壁厚的最终选定还应满足制安过程中的自身稳定和充水运行后的自身稳定。此外，对包裹0.6m砼壳的钢管段还应满足流态砼浇筑过程中的施工稳定。同时对运行期钢管突然放空产生的负