水电站压力管道计算
压力管道水力计算
3 按照终点流量要求，确定各段流量 4 以经济流速确定各段管径 5 取标准管径后，计算流速和摩阻 6 按长管计算各段水头损失hw
1
z2 2
3
z1
J
z3
7 按串联管道计算起点到控制点的总水头损失。
285井 站 ： 282、 283、 284
安县
罗浮山温泉 秀水
24
塔水站
花街镇 93
Φ 159× 6,L34Km
压力管道水力计算
压力管道计算原理
有压管道：管道被水充满，管道周界各点受到液体压强作用，
其断面各点压强，一般不等于大气压强。
管壁
管壁
液体
液体自由面
有压管道
无压管道
工程中，常用各种有压管道输送液体，如水电站压力引水 钢管；水库有压泄洪隧洞或泄水管；供给的水泵装置系统及 管网；输送石油的管道。
管道按布置分
第一类问题的计算步骤
（1）已知qV、l、d 、、 Δ ，求hf；
qV、l、d 计算Re
计算
计算 hf
第二类问题的计算步骤
（2）已知hf 、 l、 d 、 、 Δ ，求qV； 假设
由hf计算 v 、Re
= New
计算New
N
Y
校核 New
由hf计算 v 、 qV
第三类问题的计算步骤
（3）已知hf 、 qV 、l、、 Δ ，求d。 hf qV l Δ
377井 站 ： 377 378井 站 ： 378
164井 站 ： 164、 Q47 256井 站 ： Q 73-1、 Q 73-2、
= New
假设
由hf计算 v 、Re
由Re、查莫迪图得New
求解方法相当 于简单管道的第 二类计算问题。
十三章 水电站的压力管道
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。
压力管道计算表
0
0
0
2.26 0.2 681 0.071 18.681 0.076 0.026
0
0
0
1.00 0.3 681 0.071 2.562 0.015 0.005
0
0
0
4、压力管道水锤压力简化计算
参数 L= 681
v0= 2.26
v1=
0 △t=
3
△H=L/g*(v0-v1)/△t= 52.3755362 (m)
a=1425/(1+ε/E*D/δ)0.5= 939.6171746 m/s
0
7、水锤波传播速度计算(钢筋砼管)
参数 ε=
2.1E+04
Eh= 2.1E+05
Eh= 3.0E+05
波速
a=1425/(1+ε/EhD/（δ（1+9.5μ)))0.5=
1379 m/s
0
8、水锤压力形式判别:
tr= 2L/a = 1.449526506 s≤Ts=
z末=2σ/(2-σ)= 0.56 y末=-2σ/(2+σ)= -0.36
△H=
0
△H= 71.4118
△H= -44.77
△H= 66.9962
△H= -42.993
计算得 计算得
△h叉=
0 0 0
管径D= 壁厚δ= 壁厚δ(加上水击波压强）=
△h阀=
0.41737008 0.02608563 0.005152717
0.21
3 4 △h局= 2.05406326 0.128378954 0.025358806
选定D=
0.2
稳定δ
2
∑△h=
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。
水电站压力管道例题
r 0
2）切向应力σθ2 断面1-1是加劲环断面，考虑加劲环对管壁的约束， 忽略管道直径影响，管壁的切向应力（书P36式323）为：
2
pr
(1 )
551 .25 1 0.008
(1 0.53 ) 32385 .9( kN / m 2 ) 32 .39 MPa
温升时伸缩节填料与管壁的摩擦力为：
A7 D b1 w H 1 2.06 0.3 9.8 7.89 0.3 45 .04 ( kN )
式中，D’’为止水填料盒外径。
温升时支承墩对钢管的摩擦力为：
A8 nql f 3 26 .33 16 0.1 126 .38 ( kN )
3
0.43 ( MPa ) 2 0.1 0.2( MPa )
满足稳定要求。
此外支承环刚度较大，不必验算。
法向荷载强度为：
q ( q s q w ) cos 26 .33 ( kN / m )
3）轴向力：钢管自重的轴向分力为：
A1 q s L sin 5.81 (64 2 8) sin 44 217 .94 ( kN )
伸缩节处管壁端面上的内水压力为：
A6 D w H 2 0.. 01 9.8 7.89 4.86 ( kN )
FK a ( h ) 1.4 (10 0.8) 15 .12 (cm 2 )
加劲环的有效面积为
FK ah ( a 2l ' ) 1.4 10 15 .4 0.8 26 .32 (cm 2 )
加劲环有效断面重心轴至中心距离为
rK 1.4 10 (5 0.8 100 ) 15 .4 0.8 100 .4 1.4 10 15 .4 0.8
水电站压力管设计标准
水电站压力管道设计标准是指在设计和建造水电站压力管道时，需要遵循的一系列规范和要求。
这些标准主要包括以下几个方面：
1. 材料选择：压力管道的材料应该具有足够的强度、韧性和耐腐蚀性，能够承受高压水流的冲击和腐蚀作用。
常用的材料包括碳钢、不锈钢、合金钢等。
2. 结构设计：压力管道的结构应该合理、稳定，能够承受水流的压力和振动。
常见的结构形式包括直管、弯头、三通、四通等。
3. 尺寸计算：压力管道的尺寸应该根据水流的流量、速度和压力等因素进行计算，确保管道能够正常工作并避免出现堵塞或破裂等问题。
4. 安装要求：压力管道的安装应该符合相关的规范和要求，包括管道的连接方式、支架的设置、管道的固定等。
同时，还需要进行严格的质量检查和测试，确保管道的安全性和可靠性。
5. 维护管理：压力管道的维护管理应该定期进行，包括清洗、检修、更换等工作。
同时，还需要建立完善的档案管理制度，记录管道的使用情况和维护记录等信息。
总之，水电站压力管道设计标准是保证水电站安全运行的重要保障。
只有严格按照相关标准进行设计和建造，并进行有效的维护管理，才能确保水电站的长期稳定运行。
水电站压力管道计算
180
-0.1112066 0.068309886 -389.548539 -77843.1287
轴向应力σx
σx1 -6707.538564
σx3
69175.676
内壁取正值
管外壁取负 值
-m/3.14*r^2* δ
2490.89032
σx2计算表
计算断面θ
σx2(kPa)
0
2490.89032
67
-0.15399601 -204.823963
-0.25 -332.515053
0.25 332.5150528
0.153996008 204.8239633
-0.0443276 -58.9583756
0.182
ZR3
计算断面θ
0 67 90
K3
K4
MR
管内壁
0.11120661 -0.068309886 389.5485394 77843.12866
δ/r
26.75247147
0.007174173
三、钢管受力 分析
参数输入区
数 加劲环间距
8
n2-1 24
泊松比 0.3 是否满足2倍大气压值
满足条件
水容重
钢材容重 平均直径
壁厚
管线与 水 平夹角
9.81 轴力计算
每米水重
192.619 伸缩节内水压 力
97.352 四、管壁应力 分析
78.5
5.018
K1
0
-0.2387324
67
-0.2645964
90
-0.25
90
0.25
113
0.26459637
180
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-0.1440604 0.125626419 -499.2984 -99774.343
-1.443E-16 0.25
35.9116257 7176.187348
σθ4（kPa)
90
1.4433E-16 -0.25 -35.9116257 -7176.18735
113
0.14406037 -0.125626419 499.2983999 99774.34298
δ/r
26.75247147
0.007174173
三、钢管受力 分析
参数输入区
数 加劲环间距
8
n2-1 24
泊松比 0.3 是否满足2倍大气压值
满足条件
水容重
钢材容重 平均直径
壁厚
管线与 水 平夹角
9.81 轴力计算
每米水重
192.619 伸缩节内水压 力
97.352 四、管壁应力 分析
78.5
5.018
0.165
加劲环截面积 有效截面积 截面惯性矩
β
B1
0.0168
0.022805
单支面积
0.022805
b、应力验算 M1
4.292838144
N1 51.8888028
4.82E-04 双支面积
β 0.710
0.724577943 0.907
截面惯性矩
0.028204668
计算见截面 几何性质计
算软件
2.65
σx2 -2490.801
σx3 79381.0412
+内缘-外缘
92335.95833
环重心至内壁D 环重心至钢 管中心距离
0.2
b
2.700
0.108
σθ3
1664.767557
-5783.474957
-9389.001412
+
9389.001412
-
5783.474957
-1664.767557
5.3支承环抗外 压稳定分析
p1
3928.06
p2
396.993847
95942.907 -73137.234 20582.222 26299.564 120019.020 -49061.122
最大应力
是否满足 满足条件
是否满足 满足条件
-66749.2316 135391.1424 5583.990178 41297.79514 -88509.3571 113631.0169 171859.6046
-0.236
σθ4（kPa)
管外壁
外环壁
70837.24708 -91854.892
-90794.65211 117733.725
6530.330487 -8467.9011
+
-6530.330487 8467.90107
-
90794.65211 -117733.72
-70837.24708 91854.8918
b2、稳定要求最小管壁厚度
c、不设加劲 环，外压稳定 计算
钢材弹模
壁厚
kpa
mm
2.06E+08
18
10
mm
满足要求
内径 m
5.000
临界压力 19.222272
抗外压稳定 安全系数 2
c、设加劲环， 外压稳定计算
参
钢管平均半径 钢材弹模
壁厚
2.509
2.06E+08
0.018
计算过程
1+n2*l2/3.142/r2
σθ2
σx1
7102.908686 -6707.539
钢管内壁应力 66914.5847 钢管外壁应力 92335.95833 最大应力值
允许应力
111375 是否满足条件 满足条件
4、支承环及其 旁管壁 a、支承环截面 尺寸
肋高
0.4
肋宽 0.036
支承板宽 0.400
支承板厚
管壁等效翼 缘
0.018 0.165760553
允许应力 3、加劲环及其 旁管壁 a、加劲环截面 尺寸
肋高
0.3
σθ1 σx1 σx2
M σ 111375
肋宽 0.036
64161.385 -6707.539 -2490.801 -886.671 69220.452 满足条件
σx -9198.34
上翼板宽 0.3
上翼板厚 0.018
管壁等效翼 缘
180
-0.1112066 0.068309886 -389.548539 -77843.1287
轴向应力σx
σx1 -6707.538564
σx3
69175.676
内壁取正值
管外壁取负 值
-m/3.14*r^2* δ
2490.89032
σx2计算表
计算断面θ
σx2(kPa)
0
2490.89032
67
-0.15399601 -204.823963
-0.25 -332.515053
0.25 332.5150528
0.153996008 204.8239633
-0.0443276 -58.9583756
0.182
ZR3
计算断面θ
0 67 90
K3
K4
MR
管内壁
0.11120661 -0.068309886 389.5485394 77843.12866
叛断 90
最大内外壁 最大外环
应力
应力
36646.98 32829.9
∑σx 管外壁
环外壁
管内壁
σ（kPa) 管外壁 环外壁
最大应力 管内壁
-73392.324 -74909.946 -75883.214 -75883.214 -76856.482 -78374.104
0
90170.257 147081.4 -66749.2316 126403
支承环截面积 有效截面积 截面惯性矩
β
B1
0.022248 0.03541538 1.00E-03
单支面积
0.028215 双支面积
b、环向应力
水压力σθ2 23440.8927
kPa
0.619053078 0.889
截面惯性矩
0.03541538
计算见截面 几何性质计
算软件
支承环TR的σθ3
计算断面θ
材质
<16
计算结果
16Mn
345
管径
15MnT
5.006
利用材料屈 服强度
பைடு நூலகம்
二、管壁厚度 计算
a、按内水压力 初步计算
参
钢管内径 跨中总水头 钢材屈服强度 钢材材质
m
m
5
45
工程计算取值 0.015
b1、稳定要求管壁厚度
kpa
99000
Q235
工程采用壁厚
18
40
mm
数 强度 折算系数 0.44
不满足
两端固结 c、强度校核
允许应力
σθ1 σx1 σx1
M σ 111375
61533.225 -6707.539 -1245.550
443.389 65870.848 满足条件
σx -7953.09
2、支承环旁膜 应力区边缘断 面(θ=180度， 剪应力τxθ=0)
a、环向应力
b、轴应力
两端固结 c、强度校核
0.018
每米钢重 24.415
水、管 法向分力
1330.060
镇墩间钢管 总跨数
6
填料摩擦力 支墩钢管摩阻 填料长度
419.052432 665.030
0.2
40
钢管自重 轴线分力 721.905 总轴向力 -1903.339
1、跨中断面 (计算点θ度管 壁外缘应力最 大）
a、环向应力
b、轴应力
0
126402.59 74039.51 135391.1424
0
55016.551 87998.5 5583.990178
0
54386.042 91900.08 41297.79514
0
111756.55 171859.6 -88509.3571
0
100516.28 68588.43 113631.0169
压力管道计算
一、管径计算
SD144-85水 电站压力钢 管设计规范
1、经济流速
参数
设计流量 经济流速
88
5
2、经验公式
参数
设计流量 经济流速
88
--
3、彭德舒公式
参数 设计流量 设计水头
88
45
计算结果 管径 4.732
计算结果 管径 4.792
材质 Q215 Q235
工程应用取值
5
钢材材料力 学性能 <16 215 235
67
17657.4177 -5734.270 21116.79 17657.42
90
14051.8912 -6707.539 18349.40 14051.89
90
32829.8941 -6707.539 36646.98 32829.89
113
29224.3676 -7680.807 33727.22 29224.37
K1
0
-0.2387324
67
-0.2645964
90
-0.25
90
0.25
113
0.26459637
180
0.23873241