水电站压力钢管设计规范试行编写说明SD14485.docx
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水电站压力钢管设计规范试行编写说明SD14485
前言
第一章总则
第二章布置
第三章材料
第四章水力计算
第五章结构分析
第六章岔管(包括附录(四)的说明)
第七章构造要求
第八章水压试验
第九章原型观测和检查维修
附录
(一)明管结构分析方法
附录
(二)地下埋管结构分析方法
附录(三)坝内埋管结构分析方法
附录(五)钢管防腐蚀措施
主要参考资料
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水电站压力钢管设计规范(试行)
SD144—85
编写说明
前言
受水利电力部规划设计院的委托,《水电站压力钢管设计规范》由水电部昆明勘测设计院任主编单位,原水电部安康设计院(现并入水电部西北勘测设计院和北京勘测设计院)和水电部华东勘测设计院任副主编单位,参加协编的单位有:
华东水利学院、浙江大学、同济大学、清华大学、三河闸管理处、水电部第十四工程局安装处和长江流域规划办公室等。
在各兄弟单位的共同努力下,于1985年3月完成了该规范的报批稿。
规范编写工作共分四个阶段进行。
1980年10月编写单位在昆明召开了协调分工会议。
这次会议主要研究了规范编写的原则、指导思想、编写提纲,并明确各单位的分工计划等。
具体分工如下:
编写内容
单位
主要编写人员
通用部分、明管、地下埋管
水电部昆明勘测设计院
诸葛睿鉴、金章瑄、
及汇编全文
黄伟、冯元凯、严云祥
坝内埋管
水电部西北勘测设计院
袁培义
水电部北京勘测设计院
潘玉华、邱彬如
三梁岔、球岔从汇编
水电部华东勘测设汁院
巫必灵、曾阜南、
吕谷生、刘蕴琪
岔管部分
月牙岔、无梁岔
浙江大学力学系
洪嘉智、钟秉章
贴边岔及明管振动
同济大学数学力学系
徐次达、张相庭、方平
强度理论及抗外
华东水利学院河川系
刘启钊、刘焕兴
压稳定分析
清华大学水利系
谷兆琪、彭天玫
水力计算和地下埋管结构分析
构造要求
水电部第十四工程局安装处
张树森
防腐蚀措施
江苏省三河闸管理处
王宁强
伸缩节结构分析
长江流域规划办公室
刘奕光
建国以来,我国尚无《水电站压力钢管设计规范》,一般都是沿用苏联规范。
因此,在编制过程中,本规范编写小组收集和总结了三十多年水电站压力钢管设计、施工、安装、科研和运行等方面的建设经验,并参考了国内外有关规范和资料,在广泛征求意见的基础上,于1982年12月编写成第一稿。
1983年3月在水利电力部规划设计院和水利电力部昆明勘测设计院共同主持下,邀请兄弟单位50多人在昆明举行了第一稿讨论会。
根据第一稿讨论会提出的意见,经各编写单位进行修改后,于1983年8月完成了第二稿。
1983年12月在杭州举行了第二稿讨论会。
再次修改后,于1984年11月完成第三稿。
1985年3月,由水电总局主持,邀请各有关单位对水电站钢管设计、安装、施工有经验的同志逐章、逐条地对第三稿进行了审查。
审查会后,编写单位在北京进行了修改,完成了报批稿。
本规范包括正文九章112条、附录6个和参考附录1个。
其编制说明按章节顺序,对部分主要条文、附录的编制依据、技术成熟程度、经济效果和存在问题,以及执行过程中应注意的事项等,扼要地作了阐述。
至于另外一些根据常用资料或沿用习惯作法编写的条文,就没有逐条地加以说明。
除本编制说明外,还针对某些重点问题,编写了一些专题报告。
《水电站压力钢管设计规范》编写组
第一章总则
第1.0.1条关于工程等别、建筑物级别的标准文件,水利电力部目前只有SDJ12—78。
平原地区水电站压力钢管级别划分也暂时按此标准执行。
国内已建压力钢管最大参数值见表1.0.1。
表1.0.1国内已建压力钢管最大参数值
结构型式
直径
(m)
设计内压
(kg/cm2)
内压×直径
(103kg/cm)
明管
4
(西洱河一级管桥)
54
(磨坊沟)
7.56
(磨坊沟)
地下埋管
8
(龚嘴)
72.4
(以礼河三级)
15.9
(以礼河三级)
坝内埋管
8
(龚嘴)
15.4
(乌江渡)
8.78
(乌江渡)
注:
此外还有龚嘴临时引水明钢管,直径8m,设计内压100m。
每根钢管长约30m,共四根。
支座间距4.8m,结构特殊。
本规范根据国内已建工程的经验总结而成。
适用范围等于或稍大于上表值。
苏联TY9—51§1:
该规范适用于D=0.4~7m的明管,美、日规范未写明适用范围。
第二章布置
第2.1.2条管道供水可采用下列方式:
(1)单管单机供水;
(2)单管多机供水;
(3)多管多机分组供水。
较短的、水轮机引用流量很大的管道,宜采用单管单机供水方式。
较长管道,宜用单管多机供水方式。
并应在水轮机前设进水阀,使各机组能单独停机检修。
当一管向四台或四台以上水轮机供水,钢管检修时,停止运行的机组过多,所以应比较多管多机分组供水是否更合理。
比较的因素有:
经济性、机组分期安装的时期间隔、施工难易程度、电站运行灵活性及其停机对电力系统的影响等。
第2.1.3条我国目前还没有经济管径的通用公式,外国公式不宜套用,因为各国情况不尽相同。
有关经济管径选择问题,动能经济部门正在草拟设计规程。
一般经验:
明管和地下埋管,当内压100~300m,流速约4~6m/s。
坝内埋管内压30~70m,流速约3~6m/s;内压70~150m,约5~7m/s;内压150m以上,大于7m/s。
坝内管较短,流速略大于引水式电站。
坝内埋管的进水口、拦污栅、闸门在总造价中所占比重很大,局部损失在总水头损失中所占比重很大,都应参加比较。
第2.1.4条管顶不得产生负压,以免危害水轮机的运行。
第2.1.7条通气孔风速较大,宜将孔口通到启闭机室之外,并防止管口溢水,影响人员和设备的安全。
通气孔上应设网格盖板,防止杂物落入。
第2.1.8条合并成立体转弯和渐缩弯管水头损失较小,且减少制造麻烦。
但地下埋管洞内安装条件较差,立体弯管不易就位,也可仍分作立面弯管和平面弯管。
第2.1.9条钢管放空检修时,排水管可排出管内积水。
施工时,排水管应经常过水。
运行时,应定期过水,以防积碴淤塞。
第2.2.2条事故排水道的设计流量目前尚难作明确的规定,它与引用流量、假设的钢管破裂程度、电站重要性有关。
只能因地制宜布置排水、防冲设施。
第2.2.3条明管底部应留出供施工和运行人员作焊接及交通用的空间。
大直径明管,可适当加大此距离。
第2.2.5条确定支座间距,可大致控制跨中连续梁弯矩应力<0.15倍箍拉应力。
若地基可能产生不均匀沉陷,可将支墩基础作成条形钢筋混凝土梁或板;支座结构能调整高程等。
第2.2.7条钢管下的地面设横向(垂直管轴)排水沟是为了防止伸缩节、人孔漏水沿管轴向漫流。
交通道一般只供运行人员检修时行走用。
倾角≤20°者,可作成粗糙路面的斜坡道。
>20°者,应作成台阶(包括钢管下的地面)。
第2.3.3条目前国内开挖时向上出渣为30°~35°;向下出碴的斜井坡度各工程采用不同,有的为了溜碴方便,取45°以上,有的为方便工人上下,取40°以下,溜碴时用人力助扒。
可根据布置情况和施工单位的经验采用。
第2.3.4条排水措施的作用和可靠性随当地条件变化很大。
所以在设计时对它的作用只能估计。
设立监视和观测设施,也是为了累积第一性资料。
排水措施一旦堵塞,将严重影响钢管的稳定性,故宜能检修。
第2.4.1条坝内钢管平面位置通常位于坝段中央,一般坝段宽B与压力钢管直径D之比为3左右(见表2.4.1)。
此比值过小时将增加孔口应力集中,也不宜考虑混凝土分担内水压。
当坝与厂房连成整体等情况时,钢管也可位于坝段一侧。
第2.4.2条坝内埋管的厂坝之间常布置有电气设备,而由于通气孔面积选择不合理、充水阀断面过大和布置不合适、操作上的失误等,往往造成通气孔在充水过程中向外溢水和喷水的现象,使电气设备短路跳闸影响电站正常运行。
第2.4.3条充水阀相对面积过大易引起通气孔喷水,且坝内管通常较短,即使充水阀截面小一些,充水时间也不会太长。
根据已建工程实际数据(见表2.4.3),建议充水阀或旁通管面积不大于通气孔面积的1/5。
表2.4.1
工程
名称
坝型
单机
容量
N
(万kW)
最大
流量
Qmax
(m3/s)
设计
水头
Hp
(m)
最大
流速
V
(m/s)
钢管
直径
D
(m)
坝段
宽度
B
(m)
B/D
管顶混凝土最小厚度
T1/D
斜段T1
(m)
下平段
T2
(m)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
刘家峡
重力坝
22.5
258
100
6.70
7.0
21
3
≈9
4.05
≈1.3
丹江口
重力坝
15.0
275
63.5
6.29
7.5
23
3.07
≈7
5.25
≈0.9
三门峡
重力坝
5.0
200
30.0
4.53
7.5
23
3.07
≈10
2.75
1.3
龚嘴
重力坝
11.0
266
48
5.29
8.0
22
2.75
≈2
4.0
0.25
新丰江
单支墩
大头坝
7.25
118
73
5.56
5.2
10~12
1.92
2.3
2.6
1.4
0.5
新安江
宽缝重力坝坝顶溢流
7.25
118
73
5.56
5.2
桓仁
大头坝
7.5
143
53.1
6.73
5.2
17.33
3.33
4
1.4
0.77
柘溪
单支墩
大头坝
7.5
146
60.0
4.40
6.5
盐锅峡
重力坝
4.4
135
39
5.42
5.63
16.5
2.93
4
3.2
0.71
双牌
大头坝
4.5
137
39
5.56
5.6
13.2
12.6
2.36
2.25
≈3
2.4
≈0.54
石泉
重力坝
4.5
139
39
5.85
5.5
16.5
3.0
≈4
2.1
≈0.73
凤滩
重力洪坝
坝内厂房
10
162
73
6.58
5.6
很厚
参窝
重力坝
1.7
71.1
28.5
4.68
4.4
13.5
3.07
较厚
3.4
乌江渡
拱型重力坝
21.0
203
120
6.18
6.5
20.0
3.03
11.75
很厚
1.81
涔天河
双支墩
大头坝
0.75
37.4
26.0
3.2
3.8
2.0
2.2
0.53
安康
重力拱坝
20.0
304
76.2
6.83
7.5
23
3.07
10
5.5
1.3
上犹江
重力坝
1.5
38.2
48.2
4.2
3.4
潘家口
宽缝重力坝
15.0
277
63.5
6.27
7.5
23
3.07
7.5
2.75
1.0
陈村
拱型重力坝
5.0
113
52.0
5.76
5.0
13~14
2.6~2.8
11.6
1.4
2.32
佛子岭
连拱坝
1.0
27
37.0
6.5
2.3
~6.5
2.8
0
1.02
0
枫树坝
空腹及宽缝重力坝
7.5
155
60.0
6.52
5.5
21
3.8
~6
很大
1.1
格兰峡
重力拱坝
11.25
137
4.57
19.8
≮3~4
田子仓
重力坝
9.5
105
5.0
18.0
3.6
≈9.5
1.8
1.9
海华西
重力坝
5.49
15.2
2.78
0.5
方塔纳
重力坝
4.27
续表
工称
名称
坝型
T2/D
转弯半径
斜直段
倾角θ
钢管槽
宽度
(m)
渐变段
上弯段R1
(m)
下弯段R2
(m)
R1/D
R2/D
形状
口→○
(m2)
长度
(m)
L/D
(1)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
(21)
刘家峡
重力坝
0.6
14.5
14.5
2.1
2.2
55°
10.0
7×8
7
不衬砌6.55
0.94
丹江口
重力坝
0.7
56.25
22.5
7.5
3.0
40°
11.5
6.5×10
7.5
不衬砌8.5
1.13
三门峡
重力坝
0.37
18.75
22.5
2.5
3.0
40°
11.5
衬砌
龚嘴
重力坝
0.5
12.0
16.0
1.5
2.0
53°
11.0
7×8
8
衬砌6.5
0.81
新丰江
单支墩
大头坝
0.27
15.0
15.0
2.9
2.9
63°
6.4
4×6
5.2
7.0
1.35
新安江
宽缝重力坝坝顶溢流
10.0
10.0
1.9
1.9
60°
10.0
3.7×8.2
5.2
不衬8.0
1.54
桓仁
大头坝
0.27
15.0
15.0
2.9
2.9
61°
不留槽
4×6
5.2
10.0
1.92
柘溪
单支墩
大头坝
21.0
21.0
3.2
3.2
27°
5.5×7
6.5
10.0
8.6
1.54
盐锅峡
重力坝
0.57
20.1
16.9
3.6
3.0
55°
9.5
6×8
5.63
不衬9.6
1.70
双牌
大头坝
0.43
7.0
7.0
1.2
1.2
65°
4.5×6
5.6
不衬3.3
0.59
石泉
重力坝
0.38
8.25
11.0
1.5
2.0
60°
8.0
5.5×7
5.5
不衬4.287
0.78
凤滩
重力洪坝坝内厂房
/
18.0
/
3.2
14°
4×7.3
5.6
衬砌6.0
1.07
参窝
重力坝
0.77
18°
4×4.4
4.4
不衬6.6
1.5
乌江渡
拱型重力坝
14.0
14.0
2.2
2.2
59°
不留槽
5.5×7.5
6.5
不衬9.11
1.4
涔天河
双支墩
大头坝
0.58
5.7
5.7
1.5
1.5
63°
安康
重力洪坝
0.73
/
21.0
/
2.8
36.5°
9.5
7.5×9.38
7.5
8.0
1.07
上犹江
重力坝
5.2
6.5
1.53
1.91
90°
潘家口
宽缝重力坝
0.37
22.5
22.5
3
3
55°
11
7.5×9
7.5
11.0
1.47
陈村
拱型重力坝
0.28
10
10
1.92
2
56°
3.7×8.1
5.2
不衬6.3
1.21
佛子岭
连拱坝
0.44
/
9.2
/
42°
1.9×3.64
2.3
2.53
1.10
枫树坝
空腹及宽
缝重力坝
很大
5.5
5.5
1
1
90°
7.5
4×6
5.5
钢衬
0.95
格兰峡
重力拱坝
≮4
≮4
竖井
5.25
田子仓
重力坝
0.4
25.0
15.0
5
3
36°
5×6
5
7.5
1.5
海华西
重力坝
0.1
15.2
15.2
2.78
2.73
36°
4.47×7.62
5.49
7.18
1.3
方塔纳
重力坝
21.4
5
29°
3.35×4.27
4.27
4.87
1.14
表2.4.3
工程
钢管直径D(m)
充水
装置
旁通阀直径(m)
通气孔直径(m)
(%)
陈村
佛子岭
新丰江
桓仁
凤滩
盐锅峡
参窝
新安江
龚嘴
丹江口
石泉
安康
刘家峡
丰满
龙羊峡
西枝江
φ5.2~5.0
φ2.3~1.975
φ5.2
φ5.2
φ5.6
φ5.63
φ4.4
φ5.2
φ8.0
φ7.5
φ5.5
φ7.5
φ7.0
φ5.6
φ7.5
φ3.4
旁通管
旁通管
旁通管
旁通管
旁通管
旁通管
充水阀
旁通管
充水阀
充水阀
充水阀
充水阀
充水阀
旁通管
充水阀
充水阀
φ0.4
φ0.102
φ0.5
φ0.5
φ0.3
φ0.6
φ0.25
φ0.5
φ0.8
φ0.65
2φ0.6
φ0.8
φ0.9
φ0.3
φ0.7
φ0.3
φ1.2
φ0.254
φ1.5
2φ1.2
φ1.0
φ0.8×1
φ1.35
φ1.2
2-1×2
2φ1.1
φ1.2
2φ1.4
φ1.2
φ0.75
2φ1.2
φ0.8
0.592
0.197
0.925
0.925
0.574
1.14
0.323
0.925
1.00
0.751
2.411
1.14
1.65
0.287
0.871
0.779
0.111
0.161
0.111
0.087
0.180
0.353
0.034
0.174
0.196
0.175
0.500
0.163
0.281
0.160
0.170
0.140
第三章材料
第3.1.2条沸腾钢偏析较大,冲击韧性较低,脆性转变温度较高,时效影响严重。
钢管是冷卷的焊接结构,还要承受连续冲击载荷,在我国,最低运行水温多半接近0℃,因此,应使用镇静钢。
目前,有一些钢管用了沸腾钢,并不都很快失事。
而冲击值要求又不反映在应力计算中,不容易直观地看出它对安全度的影响。
因此,有人认为可以使用沸腾钢。
考虑到钢管事故后果严重,为慎重起见,本规范规定主要受力构件应使用镇静钢。
若用沸腾钢,须按第1.0.3条,经过审批。
其实,关于镇静钢和沸腾钢的讨论,只对低碳钢有意义,低合金钢全是镇静钢。
用沸腾钢制造的钢管和爆破的钢管实例见表3.1.2.1。
国内水电站高强钢(s>40kg/mm2)使用实例见表3.1.2.2。
表3.1.2.1
电站名
大井川
小见
长殿
大桥
丰满
镜泊湖
六郎洞
以礼河三级
国名、省名
日本
日本
日本
日本
中国、吉林省
中国、黑龙江省
中国、云南省
中国、云南省
建成年份
1936
1932
1937
1941
1942
1942
1960
1966
布置型式
明管
明管
明管(爆破处为回填管)
地下埋管
坝内管(厂内小段明管)
明管
明管
地下埋管
直径(m)
2.75
1.97~1.90
2.2
2.0~1.45
5.6~5.3
3.5~2.9
1.9
2.9~2.2
钢板厚(mm)
8~25
10~28
4.5~12
18~36
14~19
8~14
8~40
钢材
估计相当于A3F*
相当于A3F
相当于A3F,晶粒粗大,含氧量很高
大致相当于A3,估计为沸腾钢
相当于A3F
相当于A3F
材料很乱,估计多为A3F
A3F和镇静钢
最大设计内压(m)
186
有效水头154.5
245
最大水头67.5
97
81
160
720
母材
冲击值(kg·m/cm2)
1.24~2.01
E0=0.5
基岩风化,钢材锈蚀严重,深2.5mm
0℃,V形,0.6~1.0
0℃,V形,4.6~6.7
约0℃
爆破处为苏联A3镇静钢
无塑性转变温度NDT
焊缝
质量差,未焊透人孔加强板不起作用。
接缝内早有裂纹、锈蚀
质量差,未焊透有气孔、麻面,水渗入裂缝锈蚀
质量极差,有气泡裂缝,有的在切试样时散裂
质量差,未焊透有夹渣、成群气孔,抗拉强度为母材的3/4
质量差,未焊透,有气孔、裂纹、夹渣
质量差,有气孔、夹渣
一节沿焊缝旁旧的微裂纹爆破,有锈迹。
另一节低应力脆性破坏,其NDT5℃
混凝土
顶部有0.15m高的大空洞
应力(kg/mm2)
允许12.6
一般9.2~11.8人孔边23.3~25.9
实测最大环向10,轴向13.9
设计9(锅炉公式)
运行情况
1950年因蝶阀冲关,过压爆破并屈曲
1959年沿人孔边焊缝旧裂纹爆破
1959年沿厂房前法兰旁焊缝爆破
1959年斜井,环缝4处全周断裂,其他裂缝多处
迄今良好
经加固处理,运行基本良好
良好
1970年1月水锤超压两节爆破(以前曾多次超压)
破坏处
直径(m)
2.75
1.9
2.2
1.9
2.8
厚度(mm)
爆破21.2屈曲9~14加环
14、16
28
9
32、36
设计内压(m)
430
*屈服点40.7kg/mm2,试验知破坏前至少可承受30kg/mm2,再从允许应力看,疑为抗拉40.7。
从年代看估计相当于沸腾钢A3F。
表3.1.2.2
电站
刘家峡
龚嘴
碧口
凤滩
西洱河一级
乌江渡
白山
省名
甘肃
四川
甘肃
湖南
云南
贵州
吉林
投产年份
1969
1971
1976
1978
1979
1982
1983
钢号
14MnMoVN
15MnVN
15MnMoVCu
14MnMoVN
14MnMoNbB
调质
15MnVN
14MnMoVN
日本SPV
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