冉渡灘水庫工程發(fā)電引水壓力管道設(shè)計(jì)

趙德紅

【摘要】引水壓力管道是保證水電站正常發(fā)電的重要設(shè)備，它必須具備足夠的抗壓能力，管道一旦發(fā)生斷裂、爆裂等現(xiàn)象，不但水電站無法持續(xù)正常運(yùn)行，對電站運(yùn)行管理人員及周邊生活群眾也存在較大的安全隱患。

【關(guān)鍵詞】水庫；發(fā)電；引水；壓力管道

1、緒言

冉渡灘水庫位于貴州省務(wù)川縣豐樂鎮(zhèn)境內(nèi)的洪渡河馬村壩河段，為洪渡河干流規(guī)劃水資源利用開發(fā)的第三級(jí)，水庫壩址以上流域面積為997km2。水庫總庫容5470萬m3，為中型水庫，工程等別為Ⅲ等。水庫工程任務(wù)為：供水（含城鎮(zhèn)供水、工業(yè)園區(qū)供水、農(nóng)村人畜飲水）、灌溉、兼顧水力發(fā)電。在水力發(fā)電方面，裝機(jī)容量為2×8.0MW（以下簡稱1號(hào)、2號(hào)機(jī)組）及1臺(tái)1.0MW（以下簡稱3號(hào)機(jī)組）生態(tài)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量17MW。

2、壓力管道布置

2.1供水方式選擇

發(fā)電引水系統(tǒng)布置在大壩右壩段，取水建筑物為塔式取水口。3號(hào)機(jī)組引用下放生態(tài)水發(fā)電，需要獨(dú)立的運(yùn)行管理與維護(hù)，故3號(hào)機(jī)組采用單元供水。本工程主要對1號(hào)、2號(hào)機(jī)組采用分組供水（方案1）與單元供水（方案2）進(jìn)行比選。方案1采取一管兩機(jī)供水，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組共用1根取水主管，在臨近廠房處利用對稱Y形岔管接1號(hào)、2號(hào)機(jī)組引水支管，2臺(tái)機(jī)組設(shè)1個(gè)取水閘井；方案2采取單管單機(jī)供水，2臺(tái)機(jī)組設(shè)2個(gè)取水閘井及2根壓力管道。經(jīng)對方案1與方案2在主要工程量及投資方面的比較，方案1比方案2節(jié)省110.46萬元，同時(shí)方案1較方案2孔口減少，方案1比方案2更利于壩體的施工，各建筑物間施工干擾較少。經(jīng)綜合比較后，選取1號(hào)、2號(hào)機(jī)組采用分組供水的方案1作為本工程供水方式的推薦方案。

2.2壓力管道布置

根據(jù)以上壓力管道選定的供水方式，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組采用分組（一管兩機(jī)）供水方式，3號(hào)機(jī)組采用單元供水方式。1號(hào)、2號(hào)機(jī)組引水主管引用流量為2×16.64 m3/s，3號(hào)機(jī)組引用流量為2.46m3/s。1號(hào)、2號(hào)機(jī)組引水主管設(shè)計(jì)最大水頭72.13m（含水錘壓力），3號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)最大水頭82.35m（含水錘壓力）。1號(hào)、2號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管分別由引水主管段、岔管段及支管段組成，3號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管由首、尾水平段、中間斜管段及4個(gè)彎管段組成。1號(hào)、2號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管主管段總長為89.862m（含岔管長），主管直徑3.4m，支管段長2×19.145m，支管直徑為2.25m；3號(hào)引水壓力鋼管總長111.664m，鋼管直徑1.1m。鋼管鋼材均采用Q345R鋼。

3、管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL281-2003）及管道水頭損失確定發(fā)電引水壓力管道管徑，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管主管管徑取為3.4m，支管管徑取為2.25m，3號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管管徑取為1.1m。

3.1 鋼管承受內(nèi)水壓力所需管壁厚度：

根據(jù)最高壓力線計(jì)算結(jié)果，按“鍋爐公式”初步擬定鋼管壁厚：

式中：

δ-管壁厚度，mm；

γ-水容重 ，取值10kN/m3；

H-承受水頭，計(jì)水錘壓力后水頭；

D-鋼管直徑；

φ-焊縫系數(shù)，通常取0.9～0.95，本次取0.9；

[σ]-鋼材設(shè)計(jì)允許應(yīng)力。

設(shè)計(jì)采用壓力鋼管管材為Q345R鋼，經(jīng)計(jì)算分析，并結(jié)合管壁最小厚度，考慮2mm銹蝕厚度后，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組引水鋼管主管壁厚為12mm，支管壁厚為10mm，3號(hào)機(jī)組引水鋼管壁厚為8mm。

3.2鋼管（光面管）抗外壓所需管壁厚度：

根據(jù)壓力鋼管規(guī)范要求，光面管抗外壓穩(wěn)定應(yīng)滿足下式計(jì)算：

式中：

Pcr-光面管臨界外壓強(qiáng)度 ，N/mm2；

E-彈性模量，鋼材取值E=2.06×105MPa；

K-抗外壓安全系數(shù)，取為2；

P-一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，0.1MPa；

其余符號(hào)與前式相同。

根據(jù)上式計(jì)算后，考慮2mm銹蝕厚度，壓力鋼管滿足抗外壓穩(wěn)定所需管壁最小厚度為：1號(hào)、2號(hào)機(jī)組主管30mm、支管20mm，3號(hào)機(jī)組12mm。知1號(hào)、2號(hào)機(jī)組引水鋼管主管及支管承受內(nèi)水壓力與抗外壓所需壁厚差距較大，則1號(hào)、2號(hào)機(jī)組引水鋼管主管及支管采用加勁環(huán)型式以滿足壓力鋼管抗外壓穩(wěn)定要求。3號(hào)機(jī)組采用壁厚為12mm的光面管滿足抗外壓穩(wěn)定要求。

3.3鋼管（設(shè)加勁環(huán)后）抗外壓穩(wěn)定分析：

經(jīng)過“鍋爐公式”初步擬定鋼管壁厚及光面管抗外壓穩(wěn)定分析，在1號(hào)、2號(hào)機(jī)組引水鋼管主管及支管上考慮設(shè)置加勁環(huán)，主管：加勁環(huán)間距1.6m，環(huán)高200mm，厚30mm，設(shè)置加勁環(huán)后初步擬定主管管壁厚度為20mm，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用18mm；支管：加勁環(huán)間距2.0m，環(huán)高200mm，厚20mm，設(shè)置加勁環(huán)后初步擬定主管管壁厚度為14mm，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用12mm。

根據(jù)以上擬定的鋼管壁厚和加勁環(huán)特性進(jìn)行鋼管抗外壓穩(wěn)定分析、加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定分析及加勁環(huán)抗外壓強(qiáng)度分析，分別有以下三個(gè)驗(yàn)算內(nèi)容：

加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定分析：

式中：

Pcr-環(huán)間管壁臨界外壓強(qiáng)度 ，N/mm2；

E-鋼材彈性模量，2.06×105MPa；

δ-鋼管管壁厚度（均不含銹蝕厚度2mm）；

n-最小臨界壓力的波數(shù)，由式進(jìn)行計(jì)算并取相鄰的整數(shù)；

l-加勁環(huán)間距；

r-鋼管半徑；

μ-鋼材泊松比；

其余符號(hào)與前式相同。

根據(jù)上式計(jì)算后可知，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組壓力鋼管主管及支管加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定滿足要求。

加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定分析：

式中：

Pcr1、Pcr2-加勁環(huán)臨界外壓強(qiáng)度 ，N/mm2；

E-鋼材彈性模量，2.06×105MPa；

FR-支承環(huán)或加勁環(huán)有效截面面積（包括管壁等效翼緣面積），mm2；

JR-支承環(huán)或加勁環(huán)有效截面對中心軸的慣性矩，mm4；

R-支承環(huán)或加勁環(huán)有效截面重心軸處的半徑，mm；

l-環(huán)間間距；

r-鋼管半徑；

其余符號(hào)意義同前。

根據(jù)上式計(jì)算后可知，加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定滿足要求。

加勁環(huán)抗外壓強(qiáng)度分析：

根據(jù)水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范，加勁環(huán)橫截面正應(yīng)力應(yīng)滿足下式要求：

式中：

-加勁環(huán)橫截面壓應(yīng)力，N/mm2；

NR-計(jì)算截面上的軸向壓力，取為P0rL，N；

P0-徑向均布外壓值，按承受最大外壓值0.2N/mm2計(jì)算；

-彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；

ΔR-鋼管半徑的誤差（按鋼管半徑的5‰計(jì)）；

WR-加勁環(huán)有效截面對重心軸的抵抗矩，分內(nèi)外緣兩種計(jì)算情況，mm3；

NEx-歐拉臨界力，N；

-鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值（N/mm2）；

其余符號(hào)意義同前。

根據(jù)上式計(jì)算后可知，加勁環(huán)抗外壓強(qiáng)度滿足要求。

綜上所述，壓力鋼管各部位抗外壓穩(wěn)定和強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，鋼管結(jié)構(gòu)布置合理。

4、總結(jié)

近年來隨著水利工程的建設(shè)與發(fā)展，對水電站引水壓力管道的需求量越來越大，對管材的要求也越來越高。經(jīng)過本工程實(shí)例可知：

（1）管道的布置與結(jié)構(gòu)計(jì)算至關(guān)重要，直接影響水電站的發(fā)電效益及安全運(yùn)行；

（2）工程中利用了下放生態(tài)水發(fā)電，不僅滿足了生態(tài)放水需要，同時(shí)充分利用水資源，做到能源的不浪費(fèi)；

（3）通過工程布置可知，采用分組供水方式較單元供水能節(jié)約一定的成本，同時(shí)在實(shí)施過程中對相關(guān)建筑物施工影響較小；

（4）當(dāng)壓力鋼管承受水頭不大，同時(shí)管道口徑較大，管道承受內(nèi)水壓力所需壁厚與抗外壓所需壁厚相差較大，可采用在鋼管外側(cè)設(shè)加勁環(huán)的方式滿足管道抗外壓穩(wěn)定的需要。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：（1987.02）男 貴州遵義 大學(xué)本科 助理工程師，主要從事工作方向；水利水電工程設(shè)計(jì)。