李作孝

(貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴陽 550002)

水電站壓力鋼管安裝工藝研究

李作孝

(貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴陽 550002)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，水電站工程建設(shè)越來越多，而水電站工程的立項(xiàng)大多是針對水電站工程投資的收益情況來決定水電站建設(shè)是否可行。壓力鋼管的設(shè)計(jì)和安裝直接影響著整個(gè)工程造價(jià)的問題，因此，如何設(shè)計(jì)和安裝好水電站的壓力鋼管是十分重要的，文章通過實(shí)例探討研究了這一問題。

水電站；壓力鋼管；安裝；管壁厚度；加重力環(huán)設(shè)置；受力計(jì)算；安裝工藝

水電站壓力鋼管的設(shè)計(jì)和安裝是整個(gè)水電工程里非常重要的內(nèi)容，壓力鋼管的尺寸和壓力計(jì)算，以及安裝工藝都直接影響著水電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。本文通過實(shí)際例子，針對水電站壓力鋼管的設(shè)計(jì)計(jì)算和安裝工藝進(jìn)行研究探討。

1 工程概況

某水電站預(yù)采用明鋼管，在3號(hào)鎮(zhèn)墩與4號(hào)鎮(zhèn)墩間共8跨，采用側(cè)支承滾動(dòng)支墩。支墩間距8.4m，管道軸線傾角45°，鋼管內(nèi)徑1.9m，采用16mn鋼，屈服強(qiáng)度34.3350kPa。

在3號(hào)鎮(zhèn)墩以下2m處，設(shè)有套筒式伸縮節(jié)，填料沿鋼管軸線方向長度0.20m。伸縮節(jié)填料厚度2.8cm，填料與管壁的摩擦系數(shù)u1=0.3，伸縮節(jié)斷面包括水擊升壓在內(nèi)的設(shè)計(jì)水頭為106.63m。最下一跨跨中斷面最大靜水頭123.08m，水擊壓力36.92m。計(jì)及安全系數(shù)后的外壓力196.2kPa。支承環(huán)、伸縮節(jié)等附屬部件重量約為鋼管自身重量的10%。

支墩與管壁的摩擦系數(shù)f=0.1。要求按正常運(yùn)行情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并擬定主要結(jié)構(gòu)壓力鋼管尺寸后進(jìn)行安裝。

工程剖面圖見圖1。

圖1 工程剖面圖

2 壓力鋼管尺寸設(shè)計(jì)

2.1 初定管壁厚度

鋼管設(shè)計(jì)的計(jì)算工況和荷載組合應(yīng)根據(jù)運(yùn)行條件，通過具體分析確定，主要計(jì)算工況為鋼管充滿水正常運(yùn)行的情況，在鋼管沖水和放空過程中，鋼管可能處于部分沖水狀態(tài)，此時(shí)管壁可能產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，在管徑較大、管壁較薄和傾角較小的明鋼管需校核這種情況[1]。

由內(nèi)水壓力初估管壁厚度，膜應(yīng)力區(qū)允許應(yīng)力降低20%，所以：[σ]=0.8×0.55σs=0.8×0.55×343350=151074kPa。考慮單面對接焊，焊縫系數(shù)φ=0.90，故t0=PD0/2φ[φ]=9.81×(123.08+36.92)×1.9/(2×0.9×151074)=0.011m。取計(jì)算厚度t0=12mm?？紤]銹蝕等因素，管壁結(jié)構(gòu)厚度初定為t=14mm。

2.2 核算加勁環(huán)設(shè)置條件及間距

先考慮支承環(huán)兼加勁環(huán)，即加勁環(huán)間距l(xiāng)=8.4m，計(jì)及管壁厚度的鋼管平均半徑r=0.95+0.006=0.956m，由l/r=8.4/0.956=8.8，r/t0=0.956/0.012=80，查臨界外壓力曲線可得最小臨界壓力的波數(shù)n=3，Pcr=362.97kPa>P0=196.2kPa。

2.3 鋼管受力和法向力的計(jì)算

地下埋管或鋼襯鋼筋混凝土管一般采用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。要求鋼管、混凝土襯砌和圍巖共同承擔(dān)內(nèi)水壓力，并考慮三者之間存在縫隙；混凝土襯砌承受山巖壓力及傳遞圍巖壓力，參照水工隧洞進(jìn)行分析；一切可能外壓應(yīng)全部由鋼管(或管內(nèi)設(shè)臨時(shí)支撐)承擔(dān)[2]。

跨中斷面P=γH=9.81×160=1569.6kPa。法向力的計(jì)算：每米長鋼管重qs，鋼材容重γs=76.5kN/m3，鋼管平均直徑D=1.90+0.014=1.914m，則qs=1.1πDt0γs=1.1×3.14×1.914×0.014×76.5=7.1kN/ m。每跨管重和水重的法向分力Qcosα=(qs+qw)Lcosα=(7.1+27.8)×8.4×cos45°=207.3kN。

2.4 軸向力的計(jì)算

鋼管自重的軸向分力A1=∑qsLsinα=7.1×(6×8.4-2)×sin45°=243.0kN；伸縮節(jié)端部內(nèi)水壓力A5。伸縮節(jié)內(nèi)套管外徑D1和內(nèi)徑D2分別取1.928m和1.9m，該截面設(shè)計(jì)水頭106.63m，則：A5=π(D12-D22)γH/4=3.14×(1.9282-1.92)×9.81×106.63/4=88.1kN。

2.5 支承環(huán)旁膜應(yīng)力區(qū)邊緣斷面

正常運(yùn)行情況計(jì)算點(diǎn)選在θ=180°斷面的管壁外緣。近似取跨中斷面的水頭為該斷面的計(jì)算水頭。環(huán)向應(yīng)力σθ1=Pr/δ(1+r/Hcosα)=1569.6×0.956/0.012(1+0.956/160cos45°)=125573.1kPa。

3 水電站壓力鋼管安裝工藝

在不同的外壓作用下，有多種管壁穩(wěn)定問題。對于水電站的鋼管而言，明管在均勻徑向外壓作用下的穩(wěn)定是一種主要的彈性穩(wěn)定問題。

如不能滿足抗外壓穩(wěn)定要求，設(shè)置加勁環(huán)一般比增加管壁厚度經(jīng)濟(jì)，加勁環(huán)的間距根據(jù)管壁抗外壓穩(wěn)定的要求確定。若管壁因壓應(yīng)力過大而喪失承載能力，會(huì)出現(xiàn)彈性穩(wěn)定問題[3]。

3.1 壓力鋼管運(yùn)輸

鋼板的運(yùn)輸和存放應(yīng)避免變形、銹蝕、損壞等。所有到貨的鋼板應(yīng)按鋼種、厚度分類堆放，墊離地面，鋼板疊放與支撐墊條間隔設(shè)置應(yīng)避免產(chǎn)生變形。戶外堆放時(shí)，應(yīng)有遮蓋措施以防雨水，并注意通風(fēng)防潮，以免銹蝕。堆放好的鋼板還應(yīng)注意防止灰塵、油脂以及酸性有機(jī)物的污染[4]。

3.2 鋼管制造

加勁環(huán)、阻水環(huán)與鋼管外壁的局部間隙≤3mm。加勁環(huán)、支承環(huán)、止推環(huán)和阻水環(huán)的對接焊縫應(yīng)與鋼管縱縫錯(cuò)開200mm以上 。加勁環(huán)及止推環(huán)與鋼管的連接焊縫(貼角或組合焊縫)和鋼管縱縫交叉處，應(yīng)在加勁環(huán)及止推環(huán)內(nèi)弧側(cè)開半徑25～50mm的避縫孔[5]。

本工程中建議采用拔管法進(jìn)行接縫灌漿，盡量避免在鋼板上開孔。如檢查后脫空范圍和程度不滿足設(shè)計(jì)要求，則應(yīng)在現(xiàn)場開孔。

3.3 鋼管焊接

異種鋼焊接時(shí)，應(yīng)按強(qiáng)度低的一側(cè)鋼板選擇焊接材料，按強(qiáng)度高的一側(cè)鋼板選擇焊接工藝。Q345R鋼板與600mPa級鋼板焊接，應(yīng)按Q345R鋼板選擇焊接材料，按600mPa級鋼板選擇焊接工藝。Q235C和Q345R鋼板焊接，應(yīng)按Q235C鋼板選擇焊接材料，按Q345R鋼板選擇焊接工藝。

600mPa級鋼焊前必須按工藝要求進(jìn)行預(yù)熱和焊后熱處理。溫度由焊接試驗(yàn)確定，預(yù)熱約100～150℃，后熱約150～200℃。加熱寬度為焊縫每側(cè)至少100mm的范圍，后熱持續(xù)時(shí)間至少1h。加熱過程需記錄。

定位焊和固定工卡具焊接應(yīng)在其周圍至少150mm寬的范圍預(yù)熱，其預(yù)熱溫度比焊縫預(yù)熱溫度高20～30℃，進(jìn)行碳弧氣刨時(shí)也要同焊接一樣進(jìn)行預(yù)熱；外側(cè)加勁環(huán)與鋼管焊接時(shí)其焊縫應(yīng)與正式焊縫相同的預(yù)熱溫度進(jìn)行預(yù)熱[6]。

本工程鋼板最大厚度為14mm，焊接難度不大，主要是引水鋼管的安裝，需做好和廠房部位混凝土施工的銜接。和門槽銜接部位應(yīng)先埋入混凝土，否則后期無法處理。

另外關(guān)于探傷，由于本項(xiàng)目重要性很強(qiáng)，因此射線探傷量比較大，現(xiàn)場檢測時(shí)施工干擾較大，目前國內(nèi)有一些較先進(jìn)的探傷技術(shù)，如TOFT探傷，建議在本工程進(jìn)行對比試驗(yàn)。

3.4 水壓試驗(yàn)。

首次使用新鋼種制造的岔管、新型結(jié)構(gòu)的岔管、高水頭岔管和高強(qiáng)鋼制造的岔管應(yīng)進(jìn)行岔管水壓試驗(yàn)。明管應(yīng)作水壓試驗(yàn)，可作整條或分段水壓試驗(yàn)，分段長度和試驗(yàn)壓力由設(shè)計(jì)單位提供。

3.5 交接驗(yàn)收

壓力鋼管工程竣工后，應(yīng)進(jìn)行工程驗(yàn)收，制造與安裝的質(zhì)量應(yīng)符合圖樣和規(guī)范的規(guī)定。

4 水電站壓力鋼管安裝需注意的問題

水電站壓力負(fù)管安裝時(shí)需注意以下7點(diǎn)：

1)鋼管安裝時(shí)，縱向焊縫不能布置在鋼管橫斷面的水平軸線和鉛垂軸線上。

2)與上述軸線夾角應(yīng)>10°。

3)鋼管內(nèi)支撐須在鋼管外包混凝土澆注完成且初凝后，接觸灌漿結(jié)束并檢查合格后方可拆除。

4)在鋼管外包混凝土澆注過程中，應(yīng)采取可靠措施防止鋼管上浮。

5)引水壓力鋼管及沖沙鋼管全包墊層段不允許外側(cè)支撐與鋼管外壁焊接。

6)焊縫內(nèi)部損探傷采用射線探傷方法。

7)對于預(yù)留焊縫，應(yīng)全長采用超聲波及磁粉探傷。

5 結(jié) 語

隨著水電站規(guī)模的增大，大量使用高強(qiáng)鋼是壓力鋼管的發(fā)展趨勢。它能夠提高水電站的安全性和穩(wěn)定性。由于高強(qiáng)鋼對焊接技術(shù)、制造安裝水平要求非常高高，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中一定要仔細(xì)計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，并合理進(jìn)行鋼管安裝，規(guī)范鋼管焊接操作，提高水電站工作的整體性能。

[1]黃開繼.沉降縫部位壓力鋼管相對變位的危害及應(yīng)對辦法探討[J].西北水電，2010(02)：51-53.

[2]潘耀林.壓力鋼管整體水壓試驗(yàn)的嘗試[J].沿海企業(yè)與科技，2007(09)：48-53.

[3]但東.彭水電站超大型壓力鋼管的制造安裝[J].四川水力發(fā)電，2007，26(06)：4-7.

[4]鄭杰.雅瑪渡水電站壓力鋼管安裝過程中的鋼管變形控制[J].黑龍江水利科技，2012,40(11)：41-42.

[5]劉文峰.水電站壓力鋼管安裝工藝介紹[J].海河水利，2011(03)：63-65.

[6]劉旻，謝守斌，李金明.大崗山水電站壓力鋼管安裝工藝[J].四川水力發(fā)電，2013,32(06)：24-26.

StudyonInstallationTechnologyofSteelPenstocksforHydroelectricStations

LI Zuo-xiao

(Guizhou Province Water Conservancy Investment (Group) Co.，Ltd，Guiyang 550002，China)

With the rapid growth of national economy，more and more hydropower stations are constructed.Setting up the hydropower station project usually is determined by comparing the hydropower station project investment and income which will decide if the project is feasible.Design and installation of penstock directly affects the whole project cost.Therefore，design and installation of the penstock are very important for a hydropower station.This paper studies the problem through a real case.

Hydropower station；penstock；installation；tube wall thickness；aggravate the ring set；Force calculation；installation technology

1007-7596(2014)01-0011-03

2013-09-27

李作孝(1976-)，男，貴州遵義人，工程師，從事水利工程金屬結(jié)構(gòu)的制造與安裝工作。

TV547.2

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