劉伯春 李永勝 劉玉璽 劉國強

喀麥隆曼維萊水電站壓力鋼管結(jié)構(gòu)設計

劉伯春 李永勝 劉玉璽 劉國強

介紹了曼維萊水電站壓力鋼管設計，通過主要的結(jié)構(gòu)計算確定壓力鋼管不同段的壁厚；加勁環(huán)的尺寸及間距，使其結(jié)構(gòu)布置安全、合理、經(jīng)濟，滿足運行要求。

曼維萊水電站 壓力鋼管 加勁環(huán) 內(nèi)水壓坡線

1 工程概況

羅維萊水電站位于喀麥隆共和國南部大區(qū)恩特姆省境內(nèi)恩特姆河上。水庫總庫容為1.3億m3，電站裝機4臺，單機容量52.75 MW，總裝機容量211 MW。工程主要建筑物由首部擋水和泄水建筑物以及位于工程區(qū)左岸的引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物等組成。

壓力管道采用明管方案，電站進水口下游漸變段末端至機組上游側(cè)蝶閥之間的壓力鋼管總長度約125 m。電站引水方式采用一機一管引水方式，引水明鋼管平行排列，共4條。壓力鋼管直徑為6.0 m，單機設計引用流量112.5 m3/s，管內(nèi)最大流速3.98 m/s，不需要設置上游調(diào)壓井。進口中心高程381 m，出口中心高程326.5 m。管道順廠區(qū)上游側(cè)邊坡開挖明槽布置且回填混凝土埋設，斜坡段的坡比為1∶0.75。

壓力鋼管上游水平段、上彎段及下彎段、下游水平段均結(jié)合鎮(zhèn)墩布置外包鋼筋混凝土兼起鋼管抗外壓作用，壓力鋼管上彎段及下彎段之間的斜坡段鋼管采用混凝土回填加墊層的淺埋方式。

2 基本參數(shù)

2.1 體型基本參數(shù)

鋼管體型見表1及圖1。

表1 鋼管結(jié)構(gòu)尺寸

2.2 材料參數(shù)

(1)鋼管及加勁環(huán)采用Q345R鋼板(t∈3～16 mm,抗拉強度510 MPa，屈服強度345 MPa；t∈16～36 mm,抗拉強度500 MPa，屈服強度325 MPa；t∈36～60 mm,抗拉強度490 MPa，屈服強度315 MPa)。

(2)鋼材彈性模量ES=200 GPa。

(3)泊松比μS=0.3。

鋼板的允許應力采用下式進行計算：

鋼板局部允許應力公式：

S= Min(EKσs2/3,EKσt/3)

鋼板膜允許應力公式：

S= Min(EKσs2/3,EKσt/2)

式中σs——鋼管屈服強度/MPa；

σt——鋼管抗拉強度/MPa；

E——焊縫折減系數(shù)；

k——允許應力提高系數(shù)。

2.3 計算荷載

2.3.1 內(nèi)水壓力

根據(jù)水輪機組型式，取最大水錘壓力為1.5倍額定水頭，即PN2=1.5×Hr=1.5×55=82.5 m，由圖1內(nèi)水壓坡線可得壓力鋼管各樁號最大內(nèi)水壓力值，見表2。

2.3.2 溫度荷載

外包混凝土未澆注時，空管狀態(tài)下，鋼管直接暴露在太陽下的管壁陽面溫度采經(jīng)驗公式T=4+27/19×t計算(T為管壁直接暴露在陽光下的溫度；t為大氣溫度)。

本工程極端最高氣溫39.5 ℃，月平均氣溫25.9 ℃，則鋼管管壁陽面最高溫度T=4+27/19×39.5=60.13 ℃，空管工況下最大溫升為60.13-25.9=34.23 ℃。

3 壓力鋼管結(jié)構(gòu)設計

壓力鋼管結(jié)構(gòu)設計包含了直管段、彎管段及加勁環(huán)三部分設計。

圖1 壓力鋼管縱剖圖

3.1 直管段結(jié)構(gòu)設計

3.1.1 最小管壁厚度確定原則

根據(jù)規(guī)范ASCE No.79，最小管壁厚度應取下列厚度值中的較大值。

(1)充分保證運輸和吊裝所需的厚度按下式進行計算：

鋼管直徑D<1 350 mm時，管壁厚度可用太平洋電氣公司公式tmin=D/288計算；

鋼管直徑D≥1 350 mm時；管壁厚度可用美國墾務局的公式:tmin=(D+500)/400計算。

(2)可能的銹蝕允許值必須作為設計所需的附加厚度考慮。

(3)避免由于管內(nèi)處于全真空狀態(tài)而造成管道屈曲，D/t比值應小于158，如果不滿足則需增加加勁環(huán)。

3.1.2 環(huán)向拉應力

由內(nèi)水壓力引起的環(huán)向拉應力由下式進行計算：

SH=Pr/t

式中SH——由內(nèi)水壓力引起的環(huán)向拉應力，MPa；

P——所求應力處的最大水壓力，MPa；

t——計算管壁厚度，mm；

r——鋼管半徑，mm。

3.1.3 軸向應力

壓力鋼管軸向應力主要由溫度荷載、加勁環(huán)約束及鋼管徑向應變等因素引起。

(1)由溫度產(chǎn)生的軸向應力按照以下公式進行計算：

SLT=aEsΔT

式中SLT——軸向溫度應力，MPa；

a——鋼的線膨脹系數(shù)；

ES——鋼材彈性模量，MPa；

△T——溫差，℃。

(2)由于剛性的支撐環(huán)或加勁環(huán)對管殼的約束作用，在相鄰的兩個支撐環(huán)或加勁環(huán)之間的鋼管中會產(chǎn)生縱向彎曲次應力。最大軸向彎曲應力由下式計算：

式中SLR——由支撐環(huán)的作用所引起的縱向彎曲應力強度，MPa；

Ar——支撐環(huán)的面積，mm2；

C——由支撐環(huán)外側(cè)到外側(cè)之間的壓力鋼管長度，mm；

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t——鋼管的厚度，mm；

r——鋼管的內(nèi)徑，mm；

P——管道中心線處的內(nèi)部壓力值，MPa。

(3)受軸向約束的鋼管因內(nèi)水壓力作用而產(chǎn)生的徑向膨脹會引起縱向壓縮(泊松效應)，相應的縱向拉應力由下式計算：

SLP=μSSH

式中SLP——因泊松效應而產(chǎn)生的縱向應力，MPa；

μS——泊松比。

采用變形能量理論，鋼管等效應力為：

式中 Se——鋼管等效應力，MPa；

SL——鋼管的軸向應力，MPa。

3.2 彎管段結(jié)構(gòu)設計

3.2.1 最小管壁厚度確定

根據(jù)規(guī)范ASME B31.3彎曲段管壁最小厚度計算公式如下：

tm=t+c

式中tm——滿足要求的最小厚度，mm；

c——腐蝕厚度，mm；

t——設計的厚度，mm。

其中

式中D——壓力管道的外徑，mm；

E——規(guī)范ASME中質(zhì)量系數(shù)；

P——設計的內(nèi)壓，MPa；

S—— 規(guī)范ASME中材料應力值，MPa；

W——規(guī)范中焊點折減系數(shù)；

Y、I——規(guī)范中折減系數(shù)。

3.2.2 單彎斜接彎管的允許內(nèi)壓

(1)當管節(jié)偏轉(zhuǎn)角θ不大于22.5°單彎斜接彎管的最大的允許內(nèi)部壓力用下式計算：

(2)當管節(jié)偏轉(zhuǎn)角θ大于22.5°單彎斜接彎管的最大的允許內(nèi)部壓力用下式計算：

式中Pm——斜管彎管的最大允許內(nèi)壓，MPa；

T——斜接管壁厚度，mm；

θ——管節(jié)偏轉(zhuǎn)角。

3.2.3 彎管內(nèi)緣應力確定的壁厚

根據(jù)規(guī)范ASCE No.79，直徑大于600 mm的彎管通常由斜接管節(jié)拼接制成，斜接管節(jié)的連接必須采用全熔透的單面或雙面對接焊縫。彎管彎曲半徑需要大于1倍的管徑，但不必大于3倍的管徑。對于彎曲半徑小于2.5倍管徑的彎管設計必須考慮彎管內(nèi)緣環(huán)向拉應力的集中。復核公式如下：

式中t——斜管管壁厚度，mm；

D——彎管的外直徑，mm；

L——沿彎管內(nèi)側(cè)的管節(jié)長度，mm；

θ——管節(jié)偏轉(zhuǎn)角。

3.3 加勁環(huán)結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)壓力鋼管設計手冊(ASCE No.79)規(guī)定：為避免由于管內(nèi)處于全真空狀態(tài)而造成管道屈曲，D/t比值應小于158，如果不滿足則需增加加勁環(huán)。

式中Pcr——設有加勁環(huán)的鋼管管壁的臨界外壓，MPa；

l——加勁環(huán)間距，mm；

r——鋼管內(nèi)徑，mm；

θ——管節(jié)偏轉(zhuǎn)角。

4 計算結(jié)果及分析

根據(jù)上述計算方法進行計算的結(jié)果見表3～5確定壓力鋼管的尺寸等。

表3 直管段壁厚強度

表4 彎管段壁厚強度

表5 加勁環(huán)尺寸強度

根據(jù)計算結(jié)果可知，壓力鋼管直管段選用16/22 mm壁厚，最大環(huán)向應力143.48 MPa，小于膜允許應力150 MPa;最大組合等效應力最大值146.27 MPa，小于鋼板局部允許應力225 MPa。彎管段選用16/22 mm鋼板的允許內(nèi)壓分別為0.622 MPa和0.858 MPa,大于各段所承受的最大內(nèi)水壓力。設置加勁環(huán)型式為16 mm×150 mm×2 000 mm的管壁臨界外壓為0.676 MPa，大于全真空壓力0.1 MPa。根據(jù)規(guī)范要求，考慮鋼板2 mm腐蝕厚度，鋼管壁厚選為18/24 mm；加勁環(huán)選為16 mm×150 mm×2 000 mm。

5 結(jié) 語

本文簡要介紹了喀麥隆曼維萊水電站工程壓力鋼管水平段、彎管段及加勁環(huán)的設計計算方法。目前工程已近完工，首臺機組亦已開機啟動成功，壓力鋼管進行了充水試驗，試驗結(jié)果顯示鋼管各項指標良好。

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劉伯春 男 工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

李永勝 男 高級工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

劉玉璽 男 工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

劉國強 男 工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

2017-07-03)