喀麦隆曼维莱水电站压力钢管结构设计

2017-11-13刘伯春李永胜刘玉玺刘国强

水利水电工程设计 2017年3期

关键词：内水管节管壁

刘伯春李永胜刘玉玺刘国强

喀麦隆曼维莱水电站压力钢管结构设计

刘伯春李永胜刘玉玺刘国强

介绍了曼维莱水电站压力钢管设计，通过主要的结构计算确定压力钢管不同段的壁厚；加劲环的尺寸及间距，使其结构布置安全、合理、经济，满足运行要求。

曼维莱水电站压力钢管加劲环内水压坡线

1 工程概况

罗维莱水电站位于喀麦隆共和国南部大区恩特姆省境内恩特姆河上。水库总库容为1.3亿m3，电站装机4台，单机容量52.75 MW，总装机容量211 MW。工程主要建筑物由首部挡水和泄水建筑物以及位于工程区左岸的引水发电系统建筑物等组成。

压力管道采用明管方案，电站进水口下游渐变段末端至机组上游侧蝶阀之间的压力钢管总长度约125 m。电站引水方式采用一机一管引水方式，引水明钢管平行排列，共4条。压力钢管直径为6.0 m，单机设计引用流量112.5 m3/s，管内最大流速3.98 m/s，不需要设置上游调压井。进口中心高程381 m，出口中心高程326.5 m。管道顺厂区上游侧边坡开挖明槽布置且回填混凝土埋设，斜坡段的坡比为1∶0.75。

压力钢管上游水平段、上弯段及下弯段、下游水平段均结合镇墩布置外包钢筋混凝土兼起钢管抗外压作用，压力钢管上弯段及下弯段之间的斜坡段钢管采用混凝土回填加垫层的浅埋方式。

2 基本参数

2.1 体型基本参数

钢管体型见表1及图1。

表1 钢管结构尺寸

2.2 材料参数

(1)钢管及加劲环采用Q345R钢板(t∈3～16 mm,抗拉强度510 MPa，屈服强度345 MPa；t∈16～36 mm,抗拉强度500 MPa，屈服强度325 MPa；t∈36～60 mm,抗拉强度490 MPa，屈服强度315 MPa)。

(2)钢材弹性模量ES=200 GPa。

(3)泊松比μS=0.3。

钢板的允许应力采用下式进行计算：

钢板局部允许应力公式：

S= Min(EKσs2/3,EKσt/3)

钢板膜允许应力公式：

S= Min(EKσs2/3,EKσt/2)

式中σs——钢管屈服强度/MPa；

σt——钢管抗拉强度/MPa；

E——焊缝折减系数；

k——允许应力提高系数。

2.3 计算荷载

2.3.1 内水压力

根据水轮机组型式，取最大水锤压力为1.5倍额定水头，即PN2=1.5×Hr=1.5×55=82.5 m，由图1内水压坡线可得压力钢管各桩号最大内水压力值，见表2。

2.3.2 温度荷载

外包混凝土未浇注时，空管状态下，钢管直接暴露在太阳下的管壁阳面温度采经验公式T=4+27/19×t计算(T为管壁直接暴露在阳光下的温度；t为大气温度)。

本工程极端最高气温39.5 ℃，月平均气温25.9 ℃，则钢管管壁阳面最高温度T=4+27/19×39.5=60.13 ℃，空管工况下最大温升为60.13-25.9=34.23 ℃。

3 压力钢管结构设计

压力钢管结构设计包含了直管段、弯管段及加劲环三部分设计。

图1 压力钢管纵剖图

3.1 直管段结构设计

3.1.1 最小管壁厚度确定原则

根据规范ASCE No.79，最小管壁厚度应取下列厚度值中的较大值。

(1)充分保证运输和吊装所需的厚度按下式进行计算：

钢管直径D<1 350 mm时，管壁厚度可用太平洋电气公司公式tmin=D/288计算；

钢管直径D≥1 350 mm时；管壁厚度可用美国垦务局的公式:tmin=(D+500)/400计算。

(2)可能的锈蚀允许值必须作为设计所需的附加厚度考虑。

(3)避免由于管内处于全真空状态而造成管道屈曲，D/t比值应小于158，如果不满足则需增加加劲环。

3.1.2 环向拉应力

由内水压力引起的环向拉应力由下式进行计算：

SH=Pr/t

式中SH——由内水压力引起的环向拉应力，MPa；

P——所求应力处的最大水压力，MPa；

t——计算管壁厚度，mm；

r——钢管半径，mm。

3.1.3 轴向应力

压力钢管轴向应力主要由温度荷载、加劲环约束及钢管径向应变等因素引起。

(1)由温度产生的轴向应力按照以下公式进行计算：

SLT=aEsΔT

式中SLT——轴向温度应力，MPa；

a——钢的线膨胀系数；

ES——钢材弹性模量，MPa；

△T——温差，℃。

(2)由于刚性的支撑环或加劲环对管壳的约束作用，在相邻的两个支撑环或加劲环之间的钢管中会产生纵向弯曲次应力。最大轴向弯曲应力由下式计算：

式中SLR——由支撑环的作用所引起的纵向弯曲应力强度，MPa；

Ar——支撑环的面积，mm2；

C——由支撑环外侧到外侧之间的压力钢管长度，mm；

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t——钢管的厚度，mm；

r——钢管的内径，mm；

P——管道中心线处的内部压力值，MPa。

(3)受轴向约束的钢管因内水压力作用而产生的径向膨胀会引起纵向压缩(泊松效应)，相应的纵向拉应力由下式计算：

SLP=μSSH

式中SLP——因泊松效应而产生的纵向应力，MPa；

μS——泊松比。

采用变形能量理论，钢管等效应力为：

式中 Se——钢管等效应力，MPa；

SL——钢管的轴向应力，MPa。

3.2 弯管段结构设计

3.2.1 最小管壁厚度确定

根据规范ASME B31.3弯曲段管壁最小厚度计算公式如下：

tm=t+c

式中tm——满足要求的最小厚度，mm；

c——腐蚀厚度，mm；

t——设计的厚度，mm。

其中

式中D——压力管道的外径，mm；

E——规范ASME中质量系数；

P——设计的内压，MPa；

S—— 规范ASME中材料应力值，MPa；

W——规范中焊点折减系数；

Y、I——规范中折减系数。

3.2.2 单弯斜接弯管的允许内压

(1)当管节偏转角θ不大于22.5°单弯斜接弯管的最大的允许内部压力用下式计算：

(2)当管节偏转角θ大于22.5°单弯斜接弯管的最大的允许内部压力用下式计算：

式中Pm——斜管弯管的最大允许内压，MPa；

T——斜接管壁厚度，mm；

θ——管节偏转角。

3.2.3 弯管内缘应力确定的壁厚

根据规范ASCE No.79，直径大于600 mm的弯管通常由斜接管节拼接制成，斜接管节的连接必须采用全熔透的单面或双面对接焊缝。弯管弯曲半径需要大于1倍的管径，但不必大于3倍的管径。对于弯曲半径小于2.5倍管径的弯管设计必须考虑弯管内缘环向拉应力的集中。复核公式如下：

式中t——斜管管壁厚度，mm；

D——弯管的外直径，mm；

L——沿弯管内侧的管节长度，mm；

θ——管节偏转角。

3.3 加劲环结构设计

根据压力钢管设计手册(ASCE No.79)规定：为避免由于管内处于全真空状态而造成管道屈曲，D/t比值应小于158，如果不满足则需增加加劲环。

式中Pcr——设有加劲环的钢管管壁的临界外压，MPa；

l——加劲环间距，mm；

r——钢管内径，mm；

θ——管节偏转角。

4 计算结果及分析

根据上述计算方法进行计算的结果见表3～5确定压力钢管的尺寸等。

表3 直管段壁厚强度

表4 弯管段壁厚强度

表5 加劲环尺寸强度

根据计算结果可知，压力钢管直管段选用16/22 mm壁厚，最大环向应力143.48 MPa，小于膜允许应力150 MPa;最大组合等效应力最大值146.27 MPa，小于钢板局部允许应力225 MPa。弯管段选用16/22 mm钢板的允许内压分别为0.622 MPa和0.858 MPa,大于各段所承受的最大内水压力。设置加劲环型式为16 mm×150 mm×2 000 mm的管壁临界外压为0.676 MPa，大于全真空压力0.1 MPa。根据规范要求，考虑钢板2 mm腐蚀厚度，钢管壁厚选为18/24 mm；加劲环选为16 mm×150 mm×2 000 mm。