冉渡灘水庫工程發電引水壓力管道設計

趙德紅

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

【關鍵詞】水庫；發電；引水；壓力管道

1、緒言

冉渡灘水庫位于貴州省務川縣豐樂鎮境內的洪渡河馬村壩河段，為洪渡河干流規劃水資源利用開發的第三級，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。水庫工程任務為：供水（含城鎮供水、工業園區供水、農村人畜飲水）、灌溉、兼顧水力發電。在水力發電方面，裝機容量為2×8.0MW（以下簡稱1號、2號機組）及1臺1.0MW（以下簡稱3號機組）生態發電機組，總裝機容量17MW。

2、壓力管道布置

2.1供水方式選擇

發電引水系統布置在大壩右壩段，取水建筑物為塔式取水口。3號機組引用下放生態水發電，需要獨立的運行管理與維護，故3號機組采用單元供水。本工程主要對1號、2號機組采用分組供水（方案1）與單元供水（方案2）進行比選。方案1采取一管兩機供水，1號、2號機組共用1根取水主管，在臨近廠房處利用對稱Y形岔管接1號、2號機組引水支管，2臺機組設1個取水閘井；方案2采取單管單機供水，2臺機組設2個取水閘井及2根壓力管道。經對方案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節省110.46萬元，同時方案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。經綜合比較后，選取1號、2號機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

根據以上壓力管道選定的供水方式，1號、2號機組采用分組（一管兩機）供水方式，3號機組采用單元供水方式。1號、2號機組引水主管引用流量為2×16.64 m3/s，3號機組引用流量為2.46m3/s。1號、2號機組引水主管設計最大水頭72.13m（含水錘壓力），3號機組設計最大水頭82.35m（含水錘壓力）。1號、2號機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號機組引水壓力鋼管由首、尾水平段、中間斜管段及4個彎管段組成。1號、2號機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、管道結構設計

根據《水電站壓力鋼管設計規范》（SL281-2003）及管道水頭損失確定發電引水壓力管道管徑，1號、2號機組引水壓力鋼管主管管徑取為3.4m，支管管徑取為2.25m，3號機組引水壓力鋼管管徑取為1.1m。

3.1 鋼管承受內水壓力所需管壁厚度：

根據最高壓力線計算結果，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，計水錘壓力后水頭；

D-鋼管直徑；

φ-焊縫系數，通常取0.9～0.95，本次取0.9；

[σ]-鋼材設計允許應力。

設計采用壓力鋼管管材為Q345R鋼，經計算分析，并結合管壁最小厚度，考慮2mm銹蝕厚度后，1號、2號機組引水鋼管主管壁厚為12mm，支管壁厚為10mm，3號機組引水鋼管壁厚為8mm。

3.2鋼管（光面管）抗外壓所需管壁厚度：

根據壓力鋼管規范要求，光面管抗外壓穩定應滿足下式計算：

式中：

Pcr-光面管臨界外壓強度 ，N/mm2；

E-彈性模量，鋼材取值E=2.06×105MPa；

K-抗外壓安全系數，取為2；

P-一個標準大氣壓，0.1MPa；

其余符號與前式相同。

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

3.3鋼管（設加勁環后）抗外壓穩定分析：

經過“鍋爐公式”初步擬定鋼管壁厚及光面管抗外壓穩定分析，在1號、2號機組引水鋼管主管及支管上考慮設置加勁環，主管：加勁環間距1.6m，環高200mm，厚30mm，設置加勁環后初步擬定主管管壁厚度為20mm，結構計算采用18mm；支管：加勁環間距2.0m，環高200mm，厚20mm，設置加勁環后初步擬定主管管壁厚度為14mm，結構計算采用12mm。

根據以上擬定的鋼管壁厚和加勁環特性進行鋼管抗外壓穩定分析、加勁環抗外壓穩定分析及加勁環抗外壓強度分析，分別有以下三個驗算內容：

加勁環間管壁抗外壓穩定分析：

式中：

Pcr-環間管壁臨界外壓強度 ，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，由式進行計算并取相鄰的整數；

l-加勁環間距；

r-鋼管半徑；

μ-鋼材泊松比；

其余符號與前式相同。

根據上式計算后可知，1號、2號機組壓力鋼管主管及支管加勁環間管壁抗外壓穩定滿足要求。

加勁環抗外壓穩定分析：

式中：

Pcr1、Pcr2-加勁環臨界外壓強度 ，N/mm2；

E-鋼材彈性模量，2.06×105MPa；

FR-支承環或加勁環有效截面面積（包括管壁等效翼緣面積），mm2；

JR-支承環或加勁環有效截面對中心軸的慣性矩，mm4；

R-支承環或加勁環有效截面重心軸處的半徑，mm；

l-環間間距；

r-鋼管半徑；

其余符號意義同前。

根據上式計算后可知，加勁環抗外壓穩定滿足要求。

加勁環抗外壓強度分析：

根據水電站壓力鋼管設計規范，加勁環橫截面正應力應滿足下式要求：

式中：

-加勁環橫截面壓應力，N/mm2；

NR-計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計算；

-彎矩作用平面內的軸心受壓構件穩定系數；

ΔR-鋼管半徑的誤差（按鋼管半徑的5‰計）；

WR-加勁環有效截面對重心軸的抵抗矩，分內外緣兩種計算情況，mm3；

NEx-歐拉臨界力，N；

-鋼管結構構件的抗力限值（N/mm2）；

其余符號意義同前。

根據上式計算后可知，加勁環抗外壓強度滿足要求。

綜上所述，壓力鋼管各部位抗外壓穩定和強度計算結果均滿足規范要求，鋼管結構布置合理。

4、總結

近年來隨著水利工程的建設與發展，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。經過本工程實例可知：

（1）管道的布置與結構計算至關重要，直接影響水電站的發電效益及安全運行；

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

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

（4）當壓力鋼管承受水頭不大，同時管道口徑較大，管道承受內水壓力所需壁厚與抗外壓所需壁厚相差較大，可采用在鋼管外側設加勁環的方式滿足管道抗外壓穩定的需要。

參考文獻：

[1]水電站壓力管道（第七屆全國水電站壓力管道學術會議文集）.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院組編，2010.4；

[2]吳建良.盧旺達共和國Nyabarongo河水電站工程發電引水系統設計.水利規劃與設計，2016.8；

[3]崔少義.祿豐縣大滴水及德鋼至石門水庫引水管道工程的設計和施工實踐淺析.云南省水利學會2013年度學術交流會論文集，2013.12；

[4]唐政生.豐滿三期工程發電引水系統水力學優化設計與研究.大連理工大學，2011.8；

[5]阮學德.結合案例淺談水電站引水壓力管道的設計.中華民居（下旬刊），2013.10。

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