水电站压力钢管介绍 PPT
《水电站》水电站压力管道 ppt课件
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。
跨连续梁。
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❖ 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。
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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)。
摩擦力小，支承部位受力
较均匀，D<2m
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(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。
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(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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3、拟定镇墩尺寸 ❖ 镇墩的尺寸应能够将钢管的转弯段完全包住。镇
墩上游面为使钢管受力均匀而垂直管轴，管道的 外包混凝士厚度不宜小于管径的0.4~0.8倍。为维 护、检修方便，管道底距地面不宜小于0.6m。在 土基上的镇墩，底面常做成水平。 ❖ 镇墩地基应坚实、稳定、可靠。在严寒地区，镇 墩埋深应在冰冻线以下1m，对岩基不少于0.5m。 地震区应将镇墩较深地埋入地基中并适当加大基 础面，同时减小镇墩间距。 ❖ 根据结构上的要求拟定出尺寸后，求出镇墩的重 心位置及其重量G。
水电站压力管道
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2020/10/29
水电站压力管道
第八章 水电站压力管道
v 作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。 v 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。
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水电站压力管道
第一节 压力管道的类型
按布置方式分
按材料分
易于制作，无岔管。 v 缺点：造价高。 v 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。
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水电站压力管道
2．联合供水： 一根主管，向多台机组供水。设下阀门。
v 优点：造价低 v 缺点：结构复杂（岔管）、灵活性差
v 适用：机组少、单机流量小、引水道长的地下埋管 和明管。
明管：
钢管(大中型水电站)，钢筋
暴露在空气中(无压引水式电站) 混凝土管、木管(小型电站)
地下埋管（隧洞埋管) : 埋入岩体。(有压引水电站)
不衬砌、锚喷或混凝土衬 砌、钢衬混凝土衬砌，聚 酯材料管等
混凝土坝身埋管： 依附于坝身(混凝土重力坝及 钢筋混凝土管道、钢衬钢 重力拱坝)，包括：坝内管道、 筋混凝土管道 坝上游面管、坝下游面管
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
Qmax——压力管道设计流量，H—设计水头
3. 经济流速法：压力管道经济流速一般为4~6m/s，
最大不超过7m/s，Ae= Qmax/Ve
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水电站压力管道
第四节 钢管的材料和管身构造
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水电站压力管道
一、钢管的材料
➢ 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、
水电站压力管道(二)-PowerPointTEMPLA
浙江水专国家精品课程《水电站》
2. 初始缝隙。 算例：与上相同，取K0=40MPa，当Δ由0变为 1mm时，σ由85.5变为171MPa。可见缝隙对应 力影响很大，但其确定非常困难。
尺寸大，有时需锻造，焊接工艺要求高，造价较高； ➢ 受力条件差，所承受的静动水压力最大，又靠近厂房，
其安全性十分重要。 ➢ 我国已经建成的水电站岔管大多数属于地下岔管，但大
多按明管设计，即不考虑周围岩体分担荷载。
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二、岔管的布置形式 ❖ 卜形布置。纵向引近和斜向引进的厂房常采用这
❖ 地下水位较高地区，可打排水洞(效果好)、设排水 管(易堵塞)，也可外设加劲环。
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三、钢衬承受内压时的强度计算
假定： ❖ 围岩、混凝土、钢管为弹性各向同性体。 ❖ 混凝土和钢衬施工后无初始应力。 ❖ 钢衬与混凝土垫层、混凝土垫层与围岩之间存在
微小的缝隙。 ❖ 混凝土垫层承受荷载开裂以后只传递径向压力，
❖ 在三梁岔管基础上发展 而来，目前在我国已基本取代了三梁岔管。
❖ 适用：大中型电站。
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4、球形岔管
❖ 通过球面体进行分岔， 由球壳，水压力作用下，球壳应力仅为同直径管壳环 向应力的一半。
❖ 适用：高水头大中型电站。是国外采用比较多的 一种成熟管型，国内应用尚少。
开挖、钢管的安装、混凝土的回填，一般都自 下而上进行。 2. 斜井：适用于地面和地下厂房，采用得最多。 为了施工出渣方便，倾角大于45˚(自下而上开挖) 或不小于35˚(自上而下) 。 3. 平洞：作为过渡段使用。 尽量布置在坚固完整的岩体中。
水电站压力管道
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。
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，焊图8-1 焊缝布置图缝结构如图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
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。
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。
水电站压力钢管课件
05
压力钢管的案例分析与实战演 练
成功案例分析
案例一：某大型水电站压力钢管的优化设计
• 高效、安全、稳定
• 该水电站通过对压力钢管进行优化设计，提高了水流效率，减少了能 量损失。同时，采用高强度材料，确保了钢管的安全性和稳定性，在 多年的运行中未出现重大故障。
成功案例分析
案例二：智能化监测系统在压力钢管维护中的应用
压力钢管的基本结构
结构组成
压力钢管一般由进口段、直管 段、弯管段、支管段和出口段
等部分组成。
材料选择
常用的压力钢管材料包括碳钢、低 合金钢和不锈钢等，其选择需考虑 工作压力、水质、耐腐蚀性等因素 。
制造工艺
压力钢管的制造工艺主要包括卷板 、焊接、热处理、无损检测和防腐 处理等步骤，确保钢管的质量和性 能满足设计要求。
外部损伤诊断
通过目视检查、无损探伤 等方法，诊断钢管表面裂 纹、变形、锈蚀等外部损 伤。
内部缺陷诊断
采用超声波、射线等检测 技术，诊断钢管内部裂纹 、气泡、夹杂等缺陷。
泄漏诊断
通过压力测试、流量计量 等手段，诊断钢管连接部 位或管体本身的泄漏情况 。
故障原因分析
材质问题
钢管材质不符合要求，如 强度不足、耐腐蚀性差等 ，导致在使用过程中出现 损伤。
常规修复方法
根据故障诊断结果，采用合适的修复技术，如焊接修复、更换损坏部件、局部补强等，恢 复钢管的正常功能。
预防性维护策略
加强钢管的日常维护与保养，定期进行无损检测、压力测试等预防性检查，及时发现并处 理潜在故障，避免发生严重事故。同时，优化水电站运行参数，避免超压、超温等不利工 况，延长钢管使用寿命。
03
3D打印技术
3D打印技术能够制造复杂形状和结构优化的零部件，未来在压力钢管
第八章(3) 水电站的压力管道PPT课件
调压井中心线 R20000
主 洞 0+390.000 新开施工支洞进口 0+723.205
ZK1
75.8 1160.
39
(
新
）
Z
K
1 11
2 1
3 5
. 1
0 .
6 0
(
投
影
钻
孔
.
平
距
2
0
m
)
原地形线
1130.65 2000.12.17.
50°
(el+dl)Q
P
2
3 β
-
3
P
2
3 β
-
2
P
2
3 β
-
Er10(1 0)K0
3、对覆盖层的要求
上面设计理论的中心就是让围岩分担部分内水 压力，围岩能否承担它所分担的这部分内压， 我国规范作了如下二条要求：
①埋深 H6r2 —最小覆盖层厚度。只有满足此 要求，才能按埋管设计。
② qrdHcos —上抬理论。上复岩体重量能
与分担内压维持平衡。
4、参数取值
③温度变化
结构强度分析
④坝体渗流压力 ⑤施工荷载
外压稳定分析
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。
（1）判别混凝土开裂情况
在内水压力作用下，坝内埋管计算可能有三种 情况，即混凝土未开裂；混凝土未裂穿；混凝 土裂穿。
①由上面分析可知，围岩承担内水压力的大 小与K0 、Δ关系密切，但K0 、Δ不易确定。
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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。
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。
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
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。
当HD较高时采用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。
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。
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。
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)
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ห้องสมุดไป่ตู้和明管.
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，
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 (c)、(d) 纵向引进 (e) 斜向引进
压力水管引进厂房的方式
二、钢材性能的要求
(二) 钢材性能要求
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HD>600m2，δ=32mm～40mm，不易加工。
➢ 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
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
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但
二、压力管道引进厂房的方式
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
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
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
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
水管受力明确，在自 重和水重作用下，相 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)。
水电站压力钢管介绍
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)
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
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)。