水电站压力管道布置设计HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】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Qmax=16m3/s；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35o；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f=0.5；7、支墩与管身摩擦系数f=0.3；8、伸缩节摩擦系数f=0.4；9.水轮机调节时间T s=5~6S。
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：D=√5.2Q max3H7式中：Q max为钢管的最大设计流量，m3/s；H为设计水头，m。
由基本资料得：Q max=16m s/sH=1000m−850m=150m所以D=√5.2Q max3H7=√5.2×1631507=2.03m≈2.05m 压力钢管直径进制采用D=50mm为模,所以取D=。
（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。
斜管段垂直距离为993-850=143m，管轴线与水平线夹角35o。
所以斜管段长L=143sin35°=249.313m≈249.3m所以，压力管道总长为L总=249.3+5+5=259.3m四、压力管水击计算1.直接与间接水击的判断明钢管水锤波速可近似的取为1000m/s，已知水轮机调节时间T s=5~6S。
所以2L C =2×259.31000=0.52s水轮机开度的调节时间T s=5~6s>2LC=0.52s，故为间接水击。
2. 第一项水击与极限水击判断τo为起始开度，当电站满负荷运行时，τo=1；当电站以部分负荷运行时τo<1。
ρ为水锤常数。
当ρτo<1时发生第一相末水锤，为第一相水击，除第一相水击以外的各种水锤现象统统归入极限水击一类。
V max=Q maxA=16π(2.05/2)2=4.85m/sρ=CV max2gH0=1000×4.852×9.81×150=1.65当电站满负荷运行时ρτo>1，所以为极限水击。
3.水击公式选择阀门开度变化时管道中水流动量的相对变化率：σ=LV max gH0T s水锤的最大值：ξm=2σ2−σ所以σ=LV maxgH0T s=259.3×4.859.81×150×5=0.17kpaξm=2σ2−σ=2×0.172−0.17=0.186kpa4.水击常数的计算ρ=CV max2gH0=1000×4.852×9.81×143=1.655.动水头计算水头变化H令也称水锤压强，令ξ=H H0所以H=ξm H0=0.186×150=27.9mH p=H0+?H=150+27.9=177.9m即满负荷运行时，水电站压力管道的总水头为。
五、压力管应力分析及结构设计1.明钢管的荷载根据应用条件，明钢管的设计荷载有：（1）内水压力；（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。
2.管壁厚度计算管壁的厚度一般经结构分析确定。
管壁的结构厚度取为计算厚的加2mm的锈蚀裕度。
考虑制造工艺、安装、运输等要求，管壁的最小结构厚度不宜小于下式确定的数值，也不宜小于6mm。
δ≥D800+4初步确定管壁的计算厚度δ=δ0+2mm=γH p D2[σ]+2mm计算时，该式未计入一些次要应力，用以确定管壁厚度时容许应力应降低15%。
所以δ=γH p D2[σ]+2mm=0.001×177.9×2052×120(1−15%)+0.2=(0.18+0.2)cm=20mm满足要求。
计算时取δ0=18mm,2mm不能用于强度计算。
3.荷载组合选择（A1、2、5、7、8）（1）水管自重的轴向分力A1A1=g T L1sinφ查钢管的密度为785g/cm3:gT=ρs gπDδ0=785×9.81×3.14×2.05×0.18×10−3=8.92KN/m A1=g T L1sinφ=8.92×249.3×sin35°=1275.49KN（2）作用在阀门或堵头上的内水压力A2A2=π4D02γHA2=π4D02γH=3.144×2.052×9.8×177.9=5751.48KN（3）伸缩节变化处的内水压力A5A5=π4(D12−D22)γH取填料厚度为22mm，所以D1=2.05+2×(0.018+0.022)=2.13m,D2为。
H= 1000−990=10m所以A5=π4(D12−D22)γH=π4(2.132−2.052)×9.8×10=25.74KN（4）温度变化时伸缩节填料的摩擦力A7A7=πD1bf kγH取伸缩节可调节长度b=15cm，已知伸缩节摩擦系数f=。
所以A7=πD1bf kγH=3.14×2.13×0.15×0.4×9.8×10=39.33KN （5）温度变化时水管与支墩的摩擦力A8A8=∑f(Q p+Q w)cosφ支墩与管身摩擦系数f=0.3；Q p=g T=8.92KN/m；每米水重：Q w=ρw g π4D2=1×9.8×3.144×2.052=32.33KNA8=∑f(Q p+Q w)cosφ=0.3×41.25×249.3×cos35°=2527.16KN （6）总应力∑A=A1+A2+A5+A7+A8∑A=1275.49+5751.48+25.74+39.33+2527.16=9619.2KN 4.计算断面（跨中断面1-1断面）（1）切向（环向）应力的σσ管壁的切向应力主要由内水压力引起。
对于倾斜的管道：σθ=γH p D2δ−γD24δcosθcosφ对于水电站压力管道，等号右端的第二项是次要的，只有当D2cosθcosφ> 0.05H p时才有计入的必要（低水头大流量才有用，高水头的不考虑）。
所以计算时不考虑第二项。
σθ=γH p D2δ=0.001×17790×2052×18=101.3Mpa（2）径向应力σσ管壁内表面的径向应力σr等于该处的内水压强，即：σr=−γH p“-”表示压应力，“+”表示拉应力。
管壁外表面径向应力为0，径向应力较小。
σr=−γH p=−0.001×17790=−17.79Mpa（3）轴向应力σσ跨中断面的轴向应力σx 由两部分组成，即有水重和管重引起的轴向弯曲应力σx1及各轴向力引起的应力σx3。
对于支承在一系列支墩上的管道，其跨中弯矩M 可按多跨连续梁求出。
q =g T +Q w =8.92+32.33=41.25KNM =110qL 2cos α=110×41.25×102×cos 35°=337.9KN .m 轴向弯曲应力σx1=−M y J =−4M πD δcos θ 式中：J =πD 3δ/8，y =(D cos θ)/2，在管顶和管底，θ=0°和180°，y =?D /2, σx1最大σx1=?4MπD 2δ=4×337.9×1033.14×2.052×0.018=5.69×106pa =5.69Mpa管道各轴向力其合力为∑A，由此引起的轴向力为σx3=∑A πDδ σx3=∑A πDδ=9619.2×1033.14×2.05×18×10−3=83.02×106pa =83.02Mpa 跨中断面剪应力为0。
所以，轴向应力σx =σx1+σx3=5.69+83.02=88.71Mpa六、压力管强度校核钢管的工作处于三维应力状态，强度校核的方法是求出计算应力并与容许应力作比较，而不是直接采用某一方向的应力与容许应力作比较。
钢管的强度校核目前多采用第四强度理论，其强度条件为σ=√12[(σx −σr )2+(σr −σθ)2+(σxθ−σx )2]+3(τxr 2+τrθ2+τθx 2)≤?[σ]式中：为焊缝系数，取~。
由于σr 、τxr 、τrθ一般较小，故可以简化为第三强度理论 σ=√σx 2+σθ2−σx σθ+3τθx 2≤?[σ]取=0.90，所以σ=√88.712+101.32−88.71×101.3=95.63≤?[σ]=0.90×120=108该压力钢管在正常运行时充满水的情况，强度校核满足第三强度理论条件。
七、压力管抗外压稳定计算钢管是一种薄壳结构。
能承受较大的内水压力，但抵抗外压能力较低。
在外压的作用下，管壁易于失去稳定，屈曲成波形，过早的失去承载力。
因此，在按强度和构造初步确定管壁厚度之后，尚需进行外压稳定校核。
在不同的外压作用下，有多种管壁稳定问题。
明钢管在均匀径向外压作用下的稳定：对于沿轴线可以自由伸缩的无加劲环的明钢管，管壁的临界外压P cr =2E (δD )3>0.2σσσ 钢的弹性模量E =2.0×105MpaP cr =2E (δD )3=2×2×105×(182050)3=0.271Mpa >0.2σσσ 满足抗外压稳定要求。