沐若水电站压力钢管设计.pdf

第44卷第8期
人民长江
Vol 44. No 8
2013年4月
Y angtze River
Apr.,2013
文章编号:1001-4179(2013)08-0040-04
沐若水电站压力钢管设计
永权,李凤俤,德
(长江勘测规划设计研究有限责任公司枢纽设计处,湖北武汉430010)
摘要:马来西亚沐若水电站引水发电系统的压力钢管设计水头高,抗外压稳定性要求高,设计难度大。阐述了
钢管设计原则,即由内水压力确定管壁厚,用抗外压稳定进行复核,通过设置加劲环和增加管壁厚度来加固局
部不满足规范要求的管段。用三维有限元方法计算了调压井盆管、月牙盆管和支段钢管在设计运行エ况和水
压试验工况下的应力和变形。计算结果表明,钢管应力、変形值均满足设计规范要求。
关键词:压力钢管;盆管;有限元分析;沐若水电站
中图法分类号:TV743.4
文献标志码
1引水压力钢管设计概况
管设计,临近厂房段按明管设计,钢管锈蚀裕量为2
mm。按《水电站压力钢管设计规范》(SL281-2003)
马来西亚冰若水电站共安装4台机组,由两条引Q345R材质钢管按埋管设计时其允许应力设计值
水隧洞经岔管分别向这4台机组引水。两条引水隧洞[o]=217.8MPa;07 Mn CRMOVR材质钢管按埋管设计
在平面上采取相互平行的布置形式,由进口渐变段、上时,其允许应力设计值[]=286.1MPa。外压稳定
平段(坡比1.465%).调压井、上弯段、竖井段、下弯安全系数取值:光面管为2.0;加劲环式钢管管壁为
段、下平段(坡比7%、13%)、渐变段、岔管段、支管段1.8;加劲环式钢管的加劲环为1.8。
等组成。水库正常蓄水位为540.0m,机组安装高程
遇压共
为218.0m;正常工况下最大设计静水头322.0m,末
进口渐变酸
端最大内压水头为429.0m(含水锤)。上平段隧洞直
.当で下段下平
径为8.0m,在调压井前经渐变段后管径变为7.0m
9870
94135渐变酸
2218
调压井岔管为外加强的三梁岔管,颈管直径7.0m,两
管垂直相接,为大管径三梁岔管。经上弯段、竖井段、
1压力钢管沿管轴线纵剖面图(尺寸单位:mm)
下弯段(直径6.2m)至下平段后管径渐变为5.7m。
引水洞钢管沿线穿过砂岩段、泥岩段及砂岩与页
下平段月牙肋岔管采用对称Y形月牙肋的结构形式,岩互层段3种岩组(部分断层破碎带)。钢管设计外
主管管径5.5m,最大设计水头429m,PD值为水压力水头为84.7~246m,内水压力水头为79.3~
2359.5ma2,属于大(一)型工程。岔管后接支管段,管429.0m。设计时,首先对不同管段钢管按内压确定钢
径分别为4.2m和3.4m,支管末端与机组球阀相连。管厚度,再按相应管段外水压力复核钢管稳定性。对
两条压力钢管的长度分别约为1340,1380m,采用于外压控制管壁厚度的管段,采用增设加劲环和增加
07 MNCRMOVR的高强钢和Q345R钢分段卷制而成,压管壁厚度等方法提高钢管抗外压能力,考虑钢管制造、
力钢管布置示意见图1。
安装及围岩开挖、混凝土回填、灌浆等因素,取加劲环
间距不小于1000m,高度不大于250mm,加劲环材
2钢管设计原则
料与该段管壁材料相同。钢管管壁在内水压力荷载下
沐若水电站压力钢管结构按埋管设计,岔管按明的应力计算依据第四强度理论。
收稿日期:2013-03-10
作者简介:王永权,男,高级工程师,主要从事水工金属结构设计工作。E-mail:wangongquan@awsy.com.cn
第8期
王永权,等:沐若水电站压力钢管设计
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钢管为Q345R材质的管壁计算厚度分别为30,32井管道最大 Mises应力为255.0MPa,外加强梁最大
mm,钢管设计内压水头为200~429m。钢管材质为 Mises应力为260.2MPa,加强肋最大 Mises应力为
07 MNCRMOVR的管壁计算厚度为30,32,36,40,45,184.3MPa,应力均小于允许应力,满足规范要求
50,55,72m。Q345R材质钢管段管壁应力控制在78
156.1MPa,07 MNCRMOVR材质钢管段管壁应力控制
表1调压井岔管各构件最大 Mises应力MPa
在135~253.9MPa,均满足规范要求。所有管壁的外
计算荷载
管壁应力
肋板应力外加强梁成力
压稳定安全系数在2.16~7.62之间,加劲环外压稳定
0.85
260.2
安全系数在1.81~1.89之间,符合设计规范要求
0.9×0.85
0.8
147.4
208.2
3岔管设计
容许应力[o
217.7
286.1
3.2.月牙岔管设计
3.1调压井岔管设计
岔管分岔角对过流条件及钢管结构受力影响较
调压井管道内径为7000m,管道壁厚36mm,大,设计过程中需合理布置。该工程月牙岔管采用对
梁截面尺寸为400mmx72mm-800mm×72mm,肋称Y形布置形式,分岔角日=60°,管壁内水压力设计
截面尺寸为250mm×30m,肋与肋间距为1350水头,=429m,主管内半径R,=2750mm,两支管
mm。调压井岔管管壁与肋材料为Q345R,梁材料为
内半径R2=R3=2100m,岔管最大公切球半径R。
07 MNCRMOVR。调压井岔管荷载为内水压力,最高内
=3100mm,主锥管半锥顶角1=10.3326°,支锥管
压为0.85MPa,
半锥顶角a2=3=12.0815°,最大内半径R4=3161
调压井外加强三梁岔管水平管道总长30m,竖向mm,钝角区腰线折角a。=7.5859。岔管材质选用低
管道长15m,管口的边界条件为管端部轴向与切向
焊接裂纹敏感性高强度钢O7 MNCRMOVR,其力学性能
(回转)约束,径向自由。调压井岔管管道及梁肋Mi参数为:材料屈服强度0,=490MPa,材料抗拉强度
ses应力如图2所示。
T。=610MPa(屈强比。、/o。=0.8>0.7)。按《SlL281
2003》设计规范,按明管设计时岔箐段材质
7.2
07 MNCRMOVR允许应力设计值[o]=234.9MPa,厂
70.l1
房内明管允许应力设计值:[r]=187.9MPa,按埋管
设计时其允许应力设计值[r]=286.1MPa。月牙岔
49.3
管结构如图3所示。
(a)岔道 Wises应力
63.9
L64.2
b)刀强架肋 Wises应力
g
图2调压井岔管管道及梁肋 Mises应力(单位:MPa)
调压井岔管外围混凝土中布置有钢筋,并进行接
缝灌浆,因此该岔管所承受的内水压力要小于0.85
MPa。考虑全部内水压力由岔管承担的情况,调压井
图3岔管体形大样(尺寸单位:mm
岔管各构件最大 Mises应力如表1所示。
综合膜应力区及局部应力区计算管壁厚度取值
除了考虑岔管承担全部水压的情况外,还计算了72mm,岔管体形根据空间构造要求及规范规定布置
国岩承担10%内压(钢管内压为0.9x0.85MPa)、围并校核肋