水电站压力钢管-8 介绍(清晰详实)
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。
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。
长寨水电站压力钢管设计
４ 压 力钢 管设计
４１ 压 力管道 布 置 ．
电站共 布 ３台机 组 ， 总装 机 １ ， 管供 水 方 ５ＭＷ 钢 式 为一 管 三机 ， 设计 流 量 ９ ３ｍ／ ． ３。管 材采 用 １ ， ０ ｓ ６Ｍｎ 主管 内径 １８ｎ ．Ｉ，壁厚 分别 为 １ ｍ 和 ｌ ｍ两种 规 ４ｍ ８ｍ 格 ， 、 管 内径 ０７Ｔ， 厚 １ ｍ。 支 岔 ．Ｉ 壁 Ｉ ４ｍ
程。根据《 水利水 电工程等级划分及洪水标准》 防 和《
洪标 准》 的规定 ， 程 等别 为 Ⅳ等 ， 工 规模 为 小 （ ） 工 一 型 程， 主要建 筑 物按 ４级设 计 ， 要建 筑 物 按 ５级设 计 。 次 正常 蓄水位 ９ ５ 调 节库 容 ｌ＿ ｍ 。 ５ ｍ， ３３万 ３
山 水利鲁 西 警
长 寨 水 电 站 压 力 钢 管 设 计
杨 学宏
（ 西省 水利 水 电勘 测 设 计研 究 院 ， 山 山西 太 原 ００２ ） ３ ０ ４
［ 摘要 ］ 压力钢管作为引水式电站 的一个重要组成部分 ， 其尺寸的选取对电站造价影响很大 ， 因此压 力钢 管的 设计至 关重要。在介绍长寨水电站工程概况和工程 地质情 况的基础上 ， 对其压力钢 管进 行 了设计 ， 旨在 为类
似 工 程 提 供借 鉴 。
［ 关键词 ］ 力钢管 ； 压 设计 ； 长寨水电站 ［ 中图分类号］ Ｖ ３ ． １ Ｔ ７２４ ＋ ［ 文献标识码 ］ ｃ ［ 文章编号 ］０ ４ ７ ４ （０ ０ ０ — ０ ９ ０ １０ — ０ ２ ２ １ ）９ ０ ５ — ２
１ 工程概 况
１ 。； ：２ 三条支 管分 别长 １ １ ３ ０ｍ，０ｍ，８Ｔ， １ １ 内径 ０８１。 Ｉ ． ２ ｃ ｌ 电站 主厂 房 长 ５ 宽 １ 总 高 １． ｎ， 主 ４ｍ， ｍ， ５ ｌ由 ７ 机 间 和安 装 间组 成 ， 装 间地 面高 程 ７ ５１ 发 电机 安 ５ ．ｍ， 层 地 面高 程 ７ ９３ｍ。 副厂 房 布 于 主厂 房 后 右 侧 ， ４＿ 宽 ６ｍ， 呈折 线布 置 。主变压器 及变 电站 均布 置于 厂房后 右 侧 的开挖 平 台上 ， 面高 程均 为 ７５１ｎ 地 ５ ．Ｉ。
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。
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。
(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
N pcr * r r ( s N ) [1 0.35( ) ] ' E
N N
（阿式公式）
σ —钢衬屈服部分由外压直接引起的环向应力， σ 需通过试算得到。
E Es /(1 )
' 2 s
* s
s
1 s s
2
光面管临界外压的图解法
（a）σs=230MPa （b）σs=330MPa （c）σs=420MPa
加劲管（设有加劲环） ：加劲环的存在使管 壁屈曲波数n增多，波幅减小。因管壁与混凝 土之间存在初始缝隙，混凝土对管壁变形的 约束作用不大，故管壁的临界外压仍然用 Mises公式。
n个波
加劲管临界外压的计算式
埋管两加劲环之间的管壁外压稳定计算与明 管计算相同。
2 E 2 n 1 3 2 Pcr ( ) (n 1 )( ) 2 2 2 2 2 n l 2 r 12(1 ) nl r 2 (n 1)(1 2 2 ) 1 2 2 r r
④假定围岩为弹性材料，能承受切向应力， 在P2作用下，岩壁径向变位为：
r2 p2 Er r (1 r ) p2 / p2 / K Er r2 (1 r )
混凝土传给岩壁的压强为P2 ，对于开裂混凝 土，不承受环向力，只传递径向力，根据力 的平衡条件：
p2 r2 r1 p1
电力版规范荷载分类（续）
3、工作原理与应力分析
坝内埋管计算公式推导的假设条件： （1）仅有单一的内水压力 作用； （2）把结构简化为轴对称 的组合圆环，且具有均匀 缝隙； （3）钢衬混凝土开裂后形 成径向等长的均匀裂缝。 具体计算公式略。。。
四、设软垫层的坝内埋管
DLT5141-2001-水电站压力钢管设计规范-2019年文档
DLT5141-2001-水电站压力钢管设计规范-2019年文档1.前言本规范是为了保证水电站压力钢管设计的质量和安全性，按照相关法律法规进行制定的。
本规范适用于水电站压力钢管的设计、制造、安装、验收等工作。
2.术语和定义2.1 水电站压力钢管：指用于承受水电站系统内流体及运输中产生的压力的钢质管道。
2.2 最大允许压力：水电站压力钢管能够承受的最大内部压力。
2.3 许用应力：最大允许压力下的钢管允许承受的应力状态。
2.4 强度计算：根据钢管的材质、壁厚、直径等因素计算出钢管在内部压力作用下的强度。
2.5 安全系数：为保证设计质量和钢管的安全性，采用的一种保险系数，通常要求大于1。
2.6 可靠度：钢管在使用寿命内，实际承受压力与最大允许压力间的比值。
3.性能要求3.1 钢管的许用应力应符合下表：管道类型许用应力非合金管137Mpa合金管171Mpa3.2 钢管的强度计算应符合下表：管道类型计算公式非合金管(S=0.55*T/D)+6合金钢及高合金钢(S=0.72*T/D)+53.3 钢管的安全系数应符合下表：压力等级安全系数CLASS I 1.5CLASS II 1.45CLASS III 1.44.制造和验收4.1 钢管的制造应符合国家标准或行业标准，材质应符合设计要求，壁厚应符合下表要求：管道类型最小壁厚(mm)非合金钢管 6合金钢及高合金钢84.2 钢管的质量证明文件应具备合格证书、进厂检验报告等相关证明文件。
4.3 钢管的验收应按照国家标准执行，验收合格后方可使用。
5.安装和使用5.1 钢管的安装应符合相关法律法规和国家标准，应遵循以下要求：•避免钢管弯曲、崩裂、变形等问题。
•钢管连接应迎向管流方向，防止倒流。
•钢管的固定应牢固、稳定，且不应对钢管造成额外的损伤。
5.2 安全使用钢管应符合以下要求：•钢管的使用压力不应超过最大允许压力。
•钢管的密封应符合设计要求。
•钢管使用过程中，应定期检查和维护，并做好相应的记录。
水电站工程压力钢管施工简介_0
水电站工程压力钢管施工简介本文结合新疆开都河小山口二级水电站工程压力钢管的现场管理，从本电站压力钢管制作的原材料准备、现场制作与安装、焊接及焊缝检测等方面做了简要阐述，在类似的工程压力钢管施工中可供参考、借鉴。
标签：压力钢管；制作与安装；焊缝检测1、工程简介新疆开都河小山口二级水电站工程位于巴音郭楞蒙古自治州和静县境内开都河下游，电站引水渠道总长6096.0m，流量196.5m3/s，渠道底坡i=1/5000，装机容量49.5MW，保证出力11.42MW，多年平均有效发电量2.16亿kW·h。
压力钢管由上弯段、斜直段、下弯段及下平段组成，起点为压力前池引水口之后，上与混凝土的渐变段相连，下与机组前的钢管相连，引水管段进出口的高程落差23.2m，坡度为1：1.75。
压力钢管采用明敷形式布置，一管一机共三条，进口段三条压力钢管中心间距10.8m，接机组段管中心间距15m；制作材料采用Q235C钢板，壁厚12mm，加劲环厚度为16mm，内径3900mm，机组段钢管内径4000mm；压力钢管制安总长度为249m，总重量为326.43 t，总管节数为135节。
2、制作场地布置小山口二级水电站工程压力钢管制作场布置为：加工制作区、防腐区及其它工作区等，总占地面积约2400m2（20m×120m），其中加工制作区面积为1600m2（20m×80m），划分钢板划线下料区、卷板工作区、纵缝焊接区、钢管组圆区、校正工作区、加劲环安装焊接工作区（兼作纵缝探伤使用）、钢板存放区、半成品存放区等，其余800m2为压力钢管防腐区及其它工作区。
3、压力钢管制作本电站工程压力钢管制作包括直管、弯管及其加劲环等制作、焊接和防腐，主管内径为3.9m～4.0m，采用整张钢板卷制而成，可单节或2节拼接（拼接最长为4.0m）出厂。
3.1 制作工艺流程制作工藝流程为：钢板检验→排料划线→钢板及坡口切割→钢板端头预弯→钢板卷制→纵缝焊接、检测→调圆→装焊加劲环→环缝拼装、焊接→检测、整体验收→除锈及涂装→标记→验收出厂。
巴贡水电站大型压力钢管的制作安装
３ 钢 管 制 作
３ １ 钢板 的检 查和 验收 ．
（ ）钢管板材材质为 由中国进 口碳 当量及裂纹敏感指 １ 数较低 的 １ Ｍｒ ６ ｕ Ｒ，具有优良的焊 接性能。
（ ）每一 批运 至 现 场 的 钢 板 均 逐 张 检 查 、核 对 材 质 证 ２ 明 和炉 批 号 并 按 照不 同 钢 板 的 性 能 和 板 厚 附 上 标 识 牌 进
（）钢管焊接前应进行 焊接工艺评定 ，并根据焊接 工 １
艺 评 定 报 告 制订 焊接 参 数 。
（ ）对钢板进行 随机抽 检 ，每批抽 检样 本不 少 于每 ３
批 总 量 的 ２ ，最 少 不 低 于 ２张 钢 板 ，除 进 行 表 面 外 观 、
（ ）钢板厚度超过 ３ ｍｍ 的，相应 Ｉ类和 Ⅱ类 焊缝均 ２ ２
下料卷板 钢 管运 输 焊 接 工 艺 防腐
要 介绍钢管工地制作 、运输及现场安装 的全套流水作 业过 程，仅供 业 内同行 借鉴
【 关键 词】 施 工 流 程
管段 ，具体布置如图 １ 所示 。
１ 概 述
２ 钢 管 制 作 安 装 施 工 流 程
巴 贡水 电站 位 于 马 来 西 亚 东 部 的沙 捞 越 州 中部 Ｂ Ｌ Ａ — ＵＩ 上 ，是 目前 东 南 亚 最 大 的水 力 发 电 工 程 。工 程 引 水 河 压力钢管制作安装工艺流程如 图 ２ 示 。 所
压力钢管为洞 内坡度 ８ 的水平埋管 ，其 内径分 别为
４ ５ ￣ ７０ ｒ ， 钢 板 厚 度 ２ ～ ４ｍｍ，材 料 为 １ ８０ ０ ０￣ ８ ２ ６ 。
其中 ，每条洞内内径 ４５ ｍ ８ ０ ｍ段 长度为 ８ ５ ．ｍ，内径 ４ ５／ ８０
水电站压力钢管-8 介绍
(1) 滑动式支墩
鞍式(saddle support)：包角： 90~120°，结构简单，造价 低，摩擦力大，支承部位受 力不均匀，适用于D<1m。 支承环式(slidding ring girder support)：在支墩处
管身四周加刚性支承环。摩
擦力小，支承部位受力较均 匀，D<2m
15MnV、15MnTi。滚轮可采用A3、A4、A5、
16Mn或35、45等优质钢材。
二、钢材性能的要求
(一 ) 压力管道的工作特点与制作程序
工作特点：内水压力大，并经常承受冲击荷载
的作用；低温状态下工作(水温在4℃左右)对
钢材的工作条件不利。
制作过程：
板裁：冷卷、辊压成形；
现场焊接(自动焊、手焊)；
当于一个多跨连续梁.
一、敷设方式
连续式布置： 管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大， 一般较少采用。 分段式：
两镇墩之间设置伸缩节 (在上镇墩的下游侧)。
温度应力小。
二、支墩(support)
1. 功用：承受水重和管重的法向分力。相当于连 续梁的滚动支承，允许水管在轴向自由移动(温 度变化时)。 2. 布置：间距L=6~12m，D特别大时，L取3m。L 小→M、Q小→支墩造价高。 3. 类型：滑动式、滚动式、摆动式。
(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。
三、镇墩(anchor block)
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一、敷设方式
连续式布置： 管身在两镇墩间连续，不设伸缩节。温度应力大， 一般较少采用。
分段式： 两镇墩之间设置伸缩节 (在上镇墩的下游侧)。 温度应力小。
各点的动水压力和变化过程。 水击压强→确定压力管道荷载和管线(最高压力线和最低压力
线)
二、压力管道直径的选择
1. 动能经济比较法：基本原理与渠道相同(要考虑 流速、水击压力的影响)，拟定几个直径，进行 动能经济计算，比较确定最优经济直径。
2. 经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初 步设计时采用
一、压力管道的布置
压力管道线路选择应结合其它建筑物(前池、调压室)和 水电站厂房布置统一考虑。
➢ 路线尽可能短、直。(经济，hf和ΔH小)。
➢ 地质条件好。山体稳定、地下水位低、避开山崩、 雪崩地区。
➢尽量减小起伏, 避免出现负压; 转弯半径R≯3D。 ➢ 避开可能发生山崩或滑坡的地区以及山水集中的地
一般A3、16Mn不需论证，可直接采用。
二、钢材性能的要求
2、加工性能 辊轧、冷弯、焊接、切割，要求焊接性能好，冷
加工的塑性变形小，加工后无残余应力，焊缝和 热影响区不产生裂纹。 3、化学成份 影响钢材的强度、ε、焊接性能，含碳不要过高 (脆)，含硫量和含硅量也不能高。
三、容许应力
钢材的容许应力一般用屈服强度除以安全系数得到， 即 [σ]=σs/K
不同的荷载、不同的部位采用不同的容许应力，见 表8-2。
四、管身构造
1、无缝钢管：无纵缝，横缝用焊接、法兰连接成整体，强度
高，造价高，施工困难。 国内：D≤60cm；国外：D≤120cm。 适用高水头小流量电站。 2、焊接管：钢板按要求的曲率辊成弧形，焊接成管段。适用于 各种直径、水头，造成价低。 (1) 纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴 (2) 相邻管壁厚度差≯2mm，内部光滑，外部成台阶状。
D 7 5.2Qm3 ax H
Qmax——压力管道设计流量，H—设计水头
3. 经济流速法：压力管道的经济流速一般为4~6m/s，
最大不超过7m/s，Ae= Qmax/Ve
第四节 钢管的材料和管身构造
一、钢管的材料
管道的受力构件有管壁、加劲环、支承环、支 座滚轮、支承板等
常用的钢材：经过镇静熔炼的热轧平炉低碳钢 或低合金钢，如：A3、16Mn，或经过正火的 15MnV、15MnTi。滚轮可采用A3、A4、A5、 16Mn或35、45等优质钢材。
1、机械性能 屈服强度σs 、抗拉强度σb ；塑性指标：断裂时的延伸率ε、
断面收缩率ψ；冲击韧性ak。要求强度高、塑性好(冲击、 低温、加工)可焊性能好。 A3钢机械性能适用于压力管道，但容许应力低。
当时采用16Mn，其强度高，但塑性差： 强度越高，塑性越差。若采用高强钢，要有充分的论证。
三、供水方式
2．联合供水：
一根主管，向多台机组供水。设下阀门。 优点：造价低 缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差 适用：机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管和明管
3. 分组供水：
设多根主管，每根主管向数台机组供水。设下阀门。 适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较小的情况。
地下埋管和明管.
(a)、(b) 正向引进 (c)、(d) 纵向引进 (e) 斜向引进
压力水管引进厂房的方式
三、供水方式
1．单元供水：一管一机。不设下阀门。
优点：结构简单(无岔管)、工作可靠、灵活性好， 易于制作，无岔管
缺点：造价高 适用：(1) 单机流量大、长度短的地下埋管或明管；
(2) 混凝土坝内管道和明管道
四、管身构造
四、管身构造
3、箍管：钢管外加钢箍。
钢管最小厚度： δmin≮(D/800+4)mm，或 6mm 防腐、防锈措施： 涂料、喷镀、化学保护。 加防锈厚度2mm。
第五节 明钢管的敷设方式、镇墩、 支墩和附属设备
一、敷设方式
明钢管一般敷设在一 系列支墩上，离地面
不小于60cm
转弯处设镇墩，将水 管完全固定，相当于 梁的固定端。
二、钢材性能的要求
(一) 压力管道的工作特点与制作程序 工作特点：内水压力大，并经常承受冲击荷载
的作用；低温状态下工作(水温在4℃左右)对 钢材的工作条件不利。 制作过程： ➢板裁：冷卷、辊压成形； ➢现场焊接(自动焊、手焊)； ➢检查焊缝(γ射线、超声波)
二、钢材性能的要求
(二) 钢材性能要求
不衬砌、锚喷或混凝土衬 砌、钢衬混凝土衬砌，聚 酯材料管、木管等
混凝土坝身埋管： 依附于坝身(混凝土重力坝及重 钢筋混凝土结构、钢衬钢筋
力拱坝)，包括：坝内管道、 混凝土结构 坝上游面管、坝下游面管
第一节 压力管道的类型
钢管管节
钢筋混凝土管
第一节 压力管道的类型
聚酯材料管
木管
第二节 压力管道的布置和供水方式
三、供水方式
单元供水
联合供水
分组供水
第三节 水力计算和经济直径的确定
一、水力计算 恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和局部两部分。
➢ 沿程损失：处于紊流，可按曼宁公式计算 ➢ 局部损失：进口、门槽、渐变段、弯段、分岔等部位，
按水力学公式计算。
hw→电能→装机容量→管径选择 非恒定流计算：水锤计算(N变→Q变→H变) ，确定管道中
第八章 水电站压力管道
作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。 特点：坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且靠
近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。
第一节 压力管道的类型
按布置方式分
按材料分
明管：
钢管(大中型水电站)
暴露在空气中(无压引水式电站) 钢筋混凝土管(小型电站)
地下埋管（隧洞埋管) : 埋入岩体。(有压引水电站)
区，可沿山脊布置。 ➢ 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