電站壓力明管計算分析論文

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1工程概況

某電站樞紐工程由水庫大壩、引水系統、發電廠房及升壓站等組成。大壩為漿砌塊石雙曲拱壩，壩址以上集雨面積30km2，最大庫容150萬m3，是一座以發電為主的?。á瘢┬退畮祀娬?。引水系統總長約3050m，其中隧洞總長2700m，開挖直徑2．2m，壓力明鋼管總長350m，內徑1．0m，管壁厚度從鋼管進口的6mm逐漸變厚至16mm。發電廠房由主、副廠房兩部分組成，主廠房面積8m×20m，副廠房面積5m×10m，內安裝兩臺600kW水輪發電機組。為了增加發電效益，決定將原壩體加高，增加電站正常發電靜水頭至250m，比原增加約30m。同時，封堵隧洞末端調壓室，使得水錘壓力又有所增加。由于工程擴建加上調壓室的封閉，壓力鋼管的實際荷載發生了變化，需要進行強度復核以驗算鋼管承載能力能否滿足工程安全運行的要求。

2用結構力學法復核壓力明管強度的內容

2．1設計荷載的確定

作用在壓力明管上的荷載按作用力方向可分為徑向荷載、垂直管軸向荷載、平行管軸向荷載。其中徑向荷載有內水壓力、水錘壓力（內水壓力設計值和水錘壓力設計值合稱內水總壓力設計值）；垂直管軸向荷載有鋼管自重和管內水重分力；平行管軸向荷載有伸縮節端部的內水壓力、彎管上的內水壓力及離心力、漸縮管上的內水壓力、鋼管結構自重分力、關閉閥門及悶頭上的力、溫度作用力等。計算出各種荷載標準值后乘以相應的荷載分項系數即為設計荷載值。除水錘壓力外，其它荷載均可直接求得，因此就管道內的水錘壓力計算方法進行簡要分析。

（1）水錘波傳播速度的確定。水錘波的傳播速度與管壁材料、厚度、管徑以及水的彈性模量等有關。其傳播速度可表示為：

式中：Ew—水的體積彈性模量，取2．1×105N／cm2；γ、r—分別表示水的容重、管道半徑；K—管道的抗力系數。

根據以上公式可以求出不同介質中的水錘傳播速度，則在管道中的平均波速am=∑aiLi/L。式中：Li、L分別表示同種管道長度、串聯后管道總長。

（2）水錘形式的確定。水錘的產生形式有直接水錘和間接水錘。間接水錘是指當閥門關閉過程結束前，水庫異號反射回的降壓波已到達閥門外，即Ts≥2L／a，這種水錘稱為間接水錘。經計算，間接水錘為第一相。

（3）水錘計算。第一相水錘可以按以下公式進行計算：

根據上述公式計算出，則水錘壓力設計值為ΔΗ＝式中γ為荷載分項系數。

若產生的水錘為末相水錘（極限水錘），則按下式計算水錘增加值：

式中字母意義同上。

2．2直管段計算斷面及應力組合

（1）計算部位的選擇。根據明鋼管的受力特點，計算鋼管直管段應力時，應選取4個基本計算部位：即跨中（斷面①—①）；支承環旁管壁膜應力區邊緣（斷面②—②）；加頸環及其旁管壁（斷面③—③）；支承環及其旁管壁（斷面④—④）。如圖1所示：

（2）應力組合。①跨中斷面應力組合有σθ1、σx1、σx2，環向應力軸向應力由兩部分組成，一部分由軸向力引起的軸向應力，另一部分由管重和管中水重的法向力引起的軸向應力cosθ。上式中：P—均勻內壓包括靜水壓力和水錘壓力；r—水管半徑；δ—管壁計算厚度；H—計算水頭；a、θ—分別表示管軸線傾角、環向任意點與管頂半徑的夾角；∑A—作用在鋼管上所有的軸向力的總和；M—管重和管中水重作用下的連續空心梁彎矩，以管底受拉為正。②支承環旁管壁膜應力區邊緣，斷面應力組合有σθ1、σx1、σx2、τxθ，其計算式；其環向應力、軸向應力計算式同上。式中：V—管重和水重法向分力作用下的連續梁剪力。③加勁環及其旁管壁斷面應力組合有σθ2、τxθ、其軸向應力增加一項局部軸向應力其余方向應力同上。式中：β—加勁環凈截面面積與有效截面面積的比值。④支承環及其旁管壁，斷面應力組合有σθ2、，其中管壁應的計算均同③，附加應力σθ3＝。式中：NR—支承環橫截面上的軸力；F—支承環有效截面積；MR—支承環橫截面上的彎矩；WR—支承環有效截面對重心軸的斷面矩。

2．3進人孔與伸縮節校核部位選擇及應力

（1）進人孔。為便于鋼管的安裝、檢修，一般需在進口和出口部位設置進人孔，進人孔的鋼板厚度一般與鄰近直管管壁厚度相同或略厚。因此，在復核強度時，可只復核進人孔蓋板周圍的螺栓抗拉強度是否滿足要求。其計算方式如下：①受力計算：作用于螺栓上的力有內水壓力、水錘壓力P1和橡皮止水環安裝壓力P2。

式中：P0--內壓；D1—人孔蓋板內緣直徑：D2—人孔蓋板外緣直徑；k—壓強比，安裝壓力與P0的比值，取1．25。②螺栓應力計算：

式中：n—螺栓個數；A—每個螺栓計算面積。

（2）伸縮節。由于伸縮節為單套管伸縮節，計算時選取相對薄弱的壓環進行強度復核，作用在壓環根部的力近似地可表示為式中：D1、D2—分別表示壓環法蘭螺母內邊緣、外邊緣直徑。計算出作用力P后，按偏心受壓公式：（式中：M、W—分別表示P的彎矩、壓環抗彎截面模量），即可求得壓環內外緣應力。

2．4強度判別方法

根據強度理論有最大拉應力理論、最大伸長線應變理論、最大剪應力理論、形狀改變比能理論及莫爾強度理論等。在復核壓力鋼管管壁應力時采用第四強度理論即形狀改變比能理論并按平面問題計算，其表達式為：

式中：γ0、ψ、γd分別表示結構重要性系數、設計狀況系數、結構系數；f表示鋼管材料的強度設計值。

在復核進人孔、伸縮節部位的強度時可采用第一強度理論即最大拉應力理論。其表達式為：σ1≤［σ］；［σ］為材料的允許拉應力［σ］＝σjx／K，σjx為極限拉應力，K為安全系數。

3采用鍋爐公式復核管壁厚度

采用鍋爐公式估算管壁厚度時，只考慮明管僅受內水總壓力的作用，即內水總壓力與管壁的環向拉力相平衡，建立平衡方程。根據平衡條件，由內水總壓力引起的管壁環向拉力為（式中P—內水總壓力，D—明管直徑），則管壁環向拉應力為。根據鋼管應力應小于材料允許應力［σ］的條件σθ＜［σ］，即管壁厚度估算值。考慮焊縫的強度降低，允許應力應乘<1的焊縫系數φ，當為單面焊時φ取0．9，雙面焊時φ取0．95。此外，考慮銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差，管壁厚度應至少比計算值厚2mm，即

按上述鍋爐公式復核壓力明管的厚度時，當明管管壁實際厚度δ實≥δ計時，則認為明管強度滿足要求。

4結語

（1）按上述結構力學方法對某電站壓力明管進行了直管管壁、進人孔、單套管伸縮節強度復核計算。發現0?！?＃鎮墩間直管管壁支承環及加頸環局部最大應力均大于跨中斷面應力，這說明在受力基本一致的前提下，由于支承環和加頸環處管壁變形受到約束產生了較大的局部應力，且部分支墩處的支承環處管壁應力σ＞σR，需要加大管壁厚度以滿足強度要求。同時按鍋爐公式δ＝PD／2φ［σ］＋2（mm）對上述支承環處管壁進行厚度校核，可知管壁厚度仍滿足要求，而其它部位當按強度復核滿足時，管壁厚度也滿足要求。因此，在進行一般鋼管計算時對于明管的局部結構應采用結構力學法較為可靠。

（2）通過實例進一步論證了對一般明管或HD值較小的明管采用鍋爐公式進行近似計算是較為可靠的，但局部受力部位應進行應力分析或適當加大鋼板厚度以滿足強度要求。

（3）就如何復核進人孔、伸縮節等重要部位的強度提出的一些看法可供類似工程參考。