十三章 水电站的压力管道
水电站压力管道
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。
水电站压力管道布置设计
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
2.附件
❖ （2）通气孔和通气阀
作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压 ；水管充水时，排出管中空气。即：放空时补气，充水时 排气。
位置：阀门之后 当进水口较深时，可采用通气阀，在正常运行时保持关闭
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4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式
4.3.2 明钢管的阀门和附件
1.闸门及阀门
❖ 压力管道进口设快速闸门(事故门)——在前池、调 压室、水库等位置。
❖ 对于联合供水或分组供水的管道，在水轮机进口前 应设快速阀门(事故阀)，紧急切断水流，防止机组 产生飞逸。
❖ 对于单元供水的电站，当水头高于120m或管道较 长时，经技术经济比较，也可设置主阀。
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斜向引近
管道的轴线与厂房的纵轴线斜交。 特点：介于上述两者之间 适用：分组供水和联合供水。
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4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式 什么是明钢管？
暴露在空气中的压力钢 管。
在中小型引水式水电站 中应用广泛。
4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式
4.3.1 明钢管的构造
2.附件
❖ （1）伸缩节
功用：消除温度应力，且 适应少量的不均匀沉陷
位置：常在上镇墩的下游 侧
两镇墩之间一般要求布置 伸缩节，伸缩节间距不宜 超过150m。
伸缩节
(a)套筒式伸缩节
(b)波纹密封套筒式伸缩节
(c)压盖式限拉伸缩节
(d)波纹管伸缩节
伸缩节动画
4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式
坝内埋管：埋设于混凝土坝体内的压力管道，常采用钢管 。坝内埋管的安装与大坝施工干扰较大，且影响坝体强度 。
第十三章 水电站的压力管道
第一节压力管道的功用和类型压力管道是指从水库、前池或调压室向水轮机输送水量的管道。
其一般特点是坡度陡，内水压力大，承受水锤的动水压力，而且靠近厂房。
因此它必须是安全可靠的。
万一发生事故，也应有防止事故扩大的措施，以保证厂房设施和运行人员的安全。
压力管道按材料可分为：一、钢管钢管具有强度高、防渗性能好等许多优点，常用于大中型水电站。
钢管布置在地面以上者称明钢管，如图11-5。
布置于坝体混凝土中者称坝内钢管，如图11-2。
埋设于岩体中者则成地下埋管，如图18-12。
以上是水电站压力钢管的三种主要形式。
二、钢筋混凝土管钢筋混凝土管具有造价低、可节约钢材、能承受较大外压和经久耐用等优点，通常用于内压不高的中小型水电站。
除普通钢筋混凝土管外，尚有预应力和自应力钢筋混凝土管、钢丝网水泥和预应力钢丝网水泥管等。
普通钢筋混凝土管因易于开裂，一般用在水头H和内径D的乘积HD<50m的情况下；预应力和自应力钢筋混凝土管的HD值可超过200㎡，预应力钢丝网水泥管由于抗裂性能好，抗拉强度高，HD值可超过300㎡。
位于岩体中的现浇钢筋混凝土管道，在内水压力作用下，钢筋混凝土与围岩联合受力，工作状态与隧洞相似，归于隧洞一类。
三、钢衬钢筋混凝土管钢衬钢筋混凝土管是在钢筋混凝土管内衬以钢板构成。
在内水压力作用下钢衬与外包钢筋混凝土联合受力，从而可减小钢衬的厚度，适用于大HD值管道情况。
由于钢衬可以防渗，外包钢筋混凝土可按允许开裂设计，以充分发挥钢筋的作用。
本章主要讲钢管。
第二节压力管道的布置和供水方式一、压力管道的布置压力管道是引水系统的一个组成建筑物。
压力管道的布置应根据其形式、当地的地形、地质条件和工程的总体布置要求确定，其基本原则可归纳如下：(1)、尽可能选择短而直的路线。
这样不但可以缩短管道的长度，降低造价，减小水头损失，而且可以降低水锤压力，改善机组的运行条件。
因此，明钢管常敷设在陡峻的山坡上，以缩短平水建筑物（如果有的话）和厂房之间的距离。
水电站压力管道名词解释
压力管道是指从水库、压力
前池或调压室将水流在有压状态
下引入水轮机的输水管。
压力水
管基本上集中了水电站全部或大
部分水头，它具有坡度陡、承受电站最大水头且受水锤动水压力及靠近厂房的特点。
因此，它的安全性和经济性受到特别重视，有不同于一般水工建筑物的特殊要求。
压力管道按布置形式分为明管、地下埋管、混凝土坝身管道三种，按材料可分为钢管或钢筋混凝土管。
明管是压力管道采用分段式铺设，直接暴露在空气中。
管身铺设在一系列支墩上，在管道转弯处设有镇墩，两镇墩之间设有伸缩节，以减少温度应力。
为了减少伸缩节的内水压力和便于安装，伸缩节一般布置在靠近上镇墩处。
地下埋管是埋藏于地层岩石之中的钢管，又叫压力洞或压力管道。
可以是斜的，也可以是垂直的，它是由开挖岩洞，安装，再在各层中钢材之间灌注混凝土做成的。
混凝土坝身管道是依附于混凝土坝身，即埋设在坝体内或固定在坝面上，并与坝体成为一体的压力输水管道。
根据布置形式，坝体压力管有坝内埋管、坝上游面管道及坝下游面管道三种。
水电站压力管道设计
图 4：分布电容充放电特性曲线 5.3.2 装置参数设置 该带分布电容测量绝缘监测装置是一个兼顾系统母线电压、正 负对地电压、正负对地电阻、系统分布电容等检测的多功能装置， 配置真彩 7 寸液晶屏，对各项参数设置进行检测均正常。
5.3.3 分布电容测量结果
通过多次测试后得出下表中最大的误差情况。
电容标称值（uF） 10 20
2016 年 12 期︱141︱
Power Technology
化平台。 5.2 运行情况测试
5.3 测试内容及结果 5.3.1 系统分布电容充放电特性参数 当检测桥启动时，由于检测桥的投入，打破了原来的电压平衡， 但电压的变化并不是瞬间达到稳定的，由于系统存在分布电容的原 因，电压变化会存在延时。记录电压平稳到变化再到平稳的过程所需 的时间，以及在该过程中采用 lOOHz 采样频率对电压进行采样并存储， 然后根据电压采样和记录的时间绘制电容的充放电曲线，如图 4 所示。
t= pr · 0 rd f
式中：t——钢管管壁计算厚度(mm)，
p ——内水压力（N/mm2），含水锤压力， r ——钢管半径
γ0——结构重要性系数，γ0=1.0 ψ——设计状况系数，ψ=1.0 rd——结构系数，rd=1.6 f——钢 材强 度设 计值 （N/mm2 ），20R 为225N/mm2 ，16MnR 为 300N/mm2。
X 式中：ΣY—作用在镇墩上的垂直合力； ΣX—作用在镇墩上的水平合力； G—镇墩自重； f—镇墩与地基间的摩擦系数； K—稳定安全系数，K>1.5~2.0。 经计算：K>1.5即满足规范要求。 基底应力校核按下式：
Y W (1 6e)
BL
B
式中： σ——镇墩基底应力，（N/mm2）；
压力管道-水电站
五、压力管道1.压力管道一般采用哪些材料制造？压力管道一般采用钢管、混凝土(预制、现场浇筑)、木制三种材料。
2.压力钢管最小转弯半径一般选用多少为宜？为什么？压力管道转弯半径一般以管道直径的3倍为宜。
转弯半径大，虽然水力损失小，但是施工工程量大，投资增加。
转弯半径小，虽然投资小，但是水力损失大。
3.根据什么条件选择焊接材料？根据焊件钢材性能来决定选用合适的焊接材料，其焊接材料主要是指焊条、焊丝和焊药。
4.压力管道对环向焊缝的检查有哪些要求？环向焊缝检查要求是每一道环向焊缝检查数量，不少于该环向焊缝总长的10％。
5.压力管道对纵向焊缝检查有哪些要求？对纵向焊缝检查量不少于全部纵向焊缝的25％长度。
6.焊接压力钢管必须采用哪种焊接方法？焊接压力钢管必须采用与压力钢管材料相符合的焊条和电弧焊接方法。
7.压力钢管基本荷载有哪些？(l) 内水压力。
(2) 在管径变化处及钢管转弯处由水压力所引起的轴向力。
(3) 压力钢管的金属结构自重，钢管内的水重和镇墩、支墩自重。
(4) 压力钢管发生轴向位移时，沿支墩及伸缩接头内产生的摩擦阻力，以及水对管壁产生的摩擦力。
(5) 钢管转弯处由于管内水流引起的离心力。
(6) 由于温度变化，钢管变形所产生的力。
(7) 钢管内水压力作用下，直径方向产生变形所引起的轴向力。
(8) 土壤作用在镇墩或支墩时的主动土压力。
(9) 中间支墩不均匀沉陷时，所产生的作用力。
8.压力管道发生外压力有几种情况？(1) 当压力管道内的水放空时，因为通气管(阀)的失灵，使压力管道内发生真空现象，管壁外受大气压力的作用，使压力管道转变为承受外压力作用。
(2) 埋设于地下的钢管，管内的水放空后管壁外承受地下水或土压力的作用。
(3) 埋填于混凝土内的部分管段，施工时承受未硬化的混凝土压力。
(4) 灌浆压力。
9.压力钢管振动现象有哪几种？(1)压力钢管发生振动时，只出现在某些管段，并不是全长范围都发生。
(2)管段的振动型式，基本上是管壁出现径向往复变形，其变形方式与钢管承受外压失稳破坏时出现皱曲的波浪形相似。
水电站压力管道.
正常使用极限状态：钢管结构或构件达到正常使用或耐 久性能的某项规定限值。
第六节 明钢管的管身应力分析
结构设计状况分为持久状况、短暂状况和偶然状况三种。
三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计。
持久状况还应进行正常使用极限状态设计； 短暂状况可根据需要进行正常使用极限状态设计； 偶然状况可不进行正常使用极限状态设计。 承载能力极限状态，是指钢管结构或构件，或达到最大承 载能力、或丧失弹性稳定、或出现不适合于继续承载的变 形； 正常使用极限状态，是钢管结构或构件达到正常使用或耐 久性能的某项规定限值。
1. 功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的 轴向不平衡力。水管在此处不产生任何位移。 2. 布置：在水管转弯处，直线段不超过150m。 3. 类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。
封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固定效果
好。
开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。
三、镇墩(anchor block)
明钢管首部设事故闸门，并考虑事故排水等
二、压力管道引进厂房的方式
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。
二、压力管道引进厂房的方式
(a)、(b) 正向引进
(2) 滚动式(rolling ring girder support)
在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，摩擦系数f小， 适用于D>2m。
(3) 摆动式(rocking ring girder support)
在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数f很小，适 用于大直径管道。
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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。
式(13-9)等号右端第一项系有均匀内水压力引起的切向应力,第二项为满水压力引起的切向应力。
若令管道中心的计算水头为Hp，则Hp=H+D/2，式（13-9）成对于倾斜的管道，若管轴与水平线的倾角为φ，则式（13-10）应写成对于水电站的压力管道，上式等号右端的第二项是次要的，只有当(D/2)cosθcosφ>0.05Hp 时才有计入的必要。
上式中未计入管壁自重引起的切向应力，此应力一般较小，内水压力引起的切向应力是管壁的主要应力，因此可利用上式来初步确定管壁的厚度。
若钢材的容许应力为[σ]，焊缝系数为Φ（Φ一般取0.90-0.95），以Φ[σ]代式（13-11）中的，则可初步确定管壁的计算厚度δ。
由于式（13-11）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%。
考虑到钢板厚度的误差及运行中的锈蚀和磨损，实际采用的管壁厚度（结构厚度）应在计算厚度的基础上再加2mm的裕量。
压力管道的内水压力一般愈向下游端愈大，为了节约钢材，通常将管道分成若干段，每段采用不同度管壁厚度，按该段最低断面出的内水压力确定。
2.径向应力管壁内表面的径向应力等于该出的内水压强，即“-”表示压应力，“+”表示拉应力。
管壁外表面=0。
较小。
3.轴向应力跨中断面的轴向应力由两部分组成，即由水重和管重引起的轴向弯曲应力及表13-2各轴向力引起的应力。
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。
轴向弯曲应力式中，，在管顶和管底，θ=0°和180°，y=±D/2,最大管道各轴向力见表4-2，其合力为，由此引起的轴向力为跨中断面剪应力为零。
到此求出了全部应力分量。
（二）支承环附近断面（断面2-2）断面2-2在支承环附近，但在支承环的影响范围之外，故仍为膜应力区。
以后我们将会知道，支承环的影响范围是不大的。
断面2-2的应力分量、、、的计算公式与断面1-1相同。
除此之外，断面2-2尚有管重和水重在管道横截面上引起的剪应力。
管重和水重在支承环处引起的剪力可将管道视作连续梁求出，近似可取Q=（qLcosφ）/2，q为每米的管重和水重，L为支承环中心距，φ为管道倾角。
在垂直x轴的截面上，此剪力Q在管壁中引起的θ向剪应力式中S-某断面以上的管壁面积对中和轴的静矩,；J-管壁的截面惯性矩，r-管道半径；b-受剪截面宽度，b=2θ- 管顶至计算点的圆心角，当θ=0°和180°时，在管顶和管底，=0；当θ=90°和270°时，剪应力最大，。
也因支承环的影响而改变。
（三）支承环断面（断面3-3）1.轴向应力支承环处的管壁由于支承环的约束，在内水压力的作用下发生局部弯曲，如图13-17所示。
因此，与断面2-2相比，增加了局部弯曲应力,切向应力。
支承环在管壁中引起的局部弯曲应力随离开支承环的距离而很快衰减，因此影响范围是不大的（超过这个范围可忽略不计），其等效宽度式中r、δ-管道半径和管壁的厚度；μ-泊松比，钢材可取μ=0.3。
图13-17 管壁局部弯曲示意图从图13-17（b）可以看出，支承环除直接承受一小部分内水压力外，主要是承受管壁传来的剪应力。
在这些力的作用下，支承环的径向位移式中为支承环的净截面（包括衔接段长a的管壁面积）。
管壁在内水压力γHp的作用下，若无支承环的约束，则径向位移加劲环处的管壁在剪力和弯矩的共同作用下，只能产生径向位移而不能转动（无角位移），可以证明，要满足这样的条件，必须在上述和的共同作用下，该处管壁径向缩小若不计支承环高度的变化，根据相容条件，并利用式（13-17）至式（13-20）得和为沿圆周向单位长度管壁的剪力和弯矩。
在管壁引起的局部应力（令μ=0.3）由于，故β的数值取决于支承环的截面积。
当很大时，β接近于1，则局部弯曲应力为切向应力的1.82倍；若支承环，,β=0,。
支承环处管壁的轴向应力=++。
的影响范围为，离开支承环以外的管壁可忽略σx2。
2.剪应力支承环的约束在管壁中引起的剪应力式中得自式（13-21）。
y为沿管壁厚度方向的计算点到管壁截面形心的距离。
管壁的内外缘，，；管壁中点，y=0,剪应力最大由管重和水重在管壁中引起的剪应力用式（13-15）计算。
3.切向应力在断面3-3，作用在支承环上的主要何在有：（1）由管重和水重引起的向下的建立。
其沿支承环四周的分布规律由式（13-15）确定，因支承环两侧均承受剪力，故式（13-15）的结果应乘以2δ。
（2）在内水压力作用下，关闭对支承环的剪力，其值为，由式（13-21）求出。
（3）支承环直接承受的内水压力。
（4）支承环自重。
由（2）、（3）两项荷载在支承环中引起的切向应力支承环自重引起的应力一般较小。
下面研究第一项荷载引起的应力。
图13-18 第一项荷载作用下的计算简图第一项荷载作用下的计算简图如图13-18所示。
图中Q为半跨管重和水重在管轴法向的分力（水平管段即为半跨管重和水重）。
反力R=Q。
对于这种在对陈荷载作用下的圆环，用结构力学的“弹心法”求解较为简便。
支承环中的力除与外荷载的大小和支承环本身的几何尺寸有关外，还与比值有关，其中b为支承环断面形心的水平距离，为支承环断面形心的曲率半径。
为了充分利用材料，b与的最合理比值是使支承环上不同断面的两个最大弯矩相等。
研究证明，满足这一条件的比值是，其相应的弯矩、轴力、剪力示于图13-19中。
任意断面的计算公式见钢管设计规范或《水工手册》。
图13-19 弯矩、轴力和剪力示意图支承环各断面上的应力式中、、、分别为支承环的截面模量、断面积、断面惯性矩、某计算点以上的面积矩。
计算以上各值时，应包括管壁的有效长度在内。
支承环的切向应力为。
支承环附近管壁的切向应力等于支承环内缘的切向应力。
三个断面的应力计算公式汇总于表13-4中。
表13-4 各计算断面的应力公式总表钢管的工作除与三维应力状态，强度交合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，其强度条件为式中Φ为焊缝系数，取0.90-0.95。
由于一般较小，故上式可简化为以上讨论的是钢管在正常运行是充满水的情况。
在钢管冲水和防空过程中，钢管可能处于部分冲水状态，此时管壁可能产生较大的弯曲应力。
在管径较大、管壁较薄和倾角较小的明钢管需校核这种情况。
限于篇幅，这里不作详细讨论。
（四）外压稳定校核钢管是一种薄壳结构，能承受较大的内水压力，但抵抗外压的能力较低。
在外压的作用下，关闭易于失去稳定，屈曲成勃兴，过早地失去承载能力，如图13-20所示。
因此，在按强度和构造初步确立管壁厚度之后，尚需进行外压稳定校核。
钢管的外荷载有：明管防空是通气设备引起的负压；埋藏式钢管防空使得外水压力，浇筑混凝土的压力，灌浆压力等。
图13-20 管壁屈曲示意图在不同的外压作用下，有多种管壁稳定问题。
下面介绍的是明管在均匀径向外压作用下的稳定问题。
对于水电站的钢管而言，这是一种主要情况。
对于沿轴向可以自由伸缩的无加劲环的明钢管，管壁的临界外压对于平面形变问题，上式中的E应以代换。
明钢管抗外压稳定安全系数取2.0。
如不能满足抗外压稳定要求，设置加劲环一般比增加管壁厚度经济。
对设有加劲环的管壁，临界外压式中l—加劲环的间距n—屈曲波数。
需假定不同的n，用试算法求出最小的。
对应于最小之n值可按下式估算其中D为管径。
按式(13-34)求n，取相近的整数后代人式（13-33）求最小之。
以上二式适用于情况。
当时，管壁将因压应力过大而丧失承载能力，这已经不是上面所讨论的弹性稳定问题了。
决定管壁厚度的步骤是：根据强度计算确定管壁的计算厚度δ,加2mm的裕度得管壁的结构厚度。
并与规范规定的最小结构厚度相比较，取其大者；进行抗外压稳定校核（不计2mm裕度），如不满足要求，用设置加劲环的办法提高其抗外压能力一般较为经济。
加劲环的间距根据管壁抗外压稳定的要求确定。
图13-21列有加劲环三种不同的断面形式。
图13-21 加劲环的三种界面形式加劲环自身稳定的临界外压在以下二式中取其小者式中的符号同前。
加劲环与支承环的不同之处是无管重和水重引起的剪力和支座反力，其主要的环向应力可用式(13-28)求解。