水电站压力钢管安装工艺研究

李作孝

(贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵阳 550002)

水电站压力钢管安装工艺研究

李作孝

(贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵阳 550002)

随着我国经济的快速增长，水电站工程建设越来越多，而水电站工程的立项大多是针对水电站工程投资的收益情况来决定水电站建设是否可行。压力钢管的设计和安装直接影响着整个工程造价的问题，因此，如何设计和安装好水电站的压力钢管是十分重要的，文章通过实例探讨研究了这一问题。

水电站；压力钢管；安装；管壁厚度；加重力环设置；受力计算；安装工艺

水电站压力钢管的设计和安装是整个水电工程里非常重要的内容，压力钢管的尺寸和压力计算，以及安装工艺都直接影响着水电站运行的经济性和稳定性。本文通过实际例子，针对水电站压力钢管的设计计算和安装工艺进行研究探讨。

1 工程概况

某水电站预采用明钢管，在3号镇墩与4号镇墩间共8跨，采用侧支承滚动支墩。支墩间距8.4m，管道轴线倾角45°，钢管内径1.9m，采用16mn钢，屈服强度34.3350kPa。

在3号镇墩以下2m处，设有套筒式伸缩节，填料沿钢管轴线方向长度0.20m。伸缩节填料厚度2.8cm，填料与管壁的摩擦系数u1=0.3，伸缩节断面包括水击升压在内的设计水头为106.63m。最下一跨跨中断面最大静水头123.08m，水击压力36.92m。计及安全系数后的外压力196.2kPa。支承环、伸缩节等附属部件重量约为钢管自身重量的10%。

支墩与管壁的摩擦系数f=0.1。要求按正常运行情况进行结构分析并拟定主要结构压力钢管尺寸后进行安装。

工程剖面图见图1。

图1 工程剖面图

2 压力钢管尺寸设计

2.1 初定管壁厚度

钢管设计的计算工况和荷载组合应根据运行条件，通过具体分析确定，主要计算工况为钢管充满水正常运行的情况，在钢管冲水和放空过程中，钢管可能处于部分冲水状态，此时管壁可能产生较大的弯曲应力，在管径较大、管壁较薄和倾角较小的明钢管需校核这种情况[1]。

由内水压力初估管壁厚度，膜应力区允许应力降低20%，所以：[σ]=0.8×0.55σs=0.8×0.55×343350=151074kPa。考虑单面对接焊，焊缝系数φ=0.90，故t0=PD0/2φ[φ]=9.81×(123.08+36.92)×1.9/(2×0.9×151074)=0.011m。取计算厚度t0=12mm。考虑锈蚀等因素，管壁结构厚度初定为t=14mm。

2.2 核算加劲环设置条件及间距

先考虑支承环兼加劲环，即加劲环间距l=8.4m，计及管壁厚度的钢管平均半径r=0.95+0.006=0.956m，由l/r=8.4/0.956=8.8，r/t0=0.956/0.012=80，查临界外压力曲线可得最小临界压力的波数n=3，Pcr=362.97kPa>P0=196.2kPa。

2.3 钢管受力和法向力的计算

地下埋管或钢衬钢筋混凝土管一般采用有限元法进行结构计算。要求钢管、混凝土衬砌和围岩共同承担内水压力，并考虑三者之间存在缝隙；混凝土衬砌承受山岩压力及传递围岩压力，参照水工隧洞进行分析；一切可能外压应全部由钢管(或管内设临时支撑)承担[2]。

跨中断面P=γH=9.81×160=1569.6kPa。法向力的计算：每米长钢管重qs，钢材容重γs=76.5kN/m3，钢管平均直径D=1.90+0.014=1.914m，则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 轴向力的计算

钢管自重的轴向分力A1=∑qsLsinα=7.1×(6×8.4-2)×sin45°=243.0kN；伸缩节端部内水压力A5。伸缩节内套管外径D1和内径D2分别取1.928m和1.9m，该截面设计水头106.63m，则：A5=π(D12-D22)γH/4=3.14×(1.9282-1.92)×9.81×106.63/4=88.1kN。

2.5 支承环旁膜应力区边缘断面

正常运行情况计算点选在θ=180°断面的管壁外缘。近似取跨中断面的水头为该断面的计算水头。环向应力σθ1=Pr/δ(1+r/Hcosα)=1569.6×0.956/0.012(1+0.956/160cos45°)=125573.1kPa。

3 水电站压力钢管安装工艺

在不同的外压作用下，有多种管壁稳定问题。对于水电站的钢管而言，明管在均匀径向外压作用下的稳定是一种主要的弹性稳定问题。

如不能满足抗外压稳定要求，设置加劲环一般比增加管壁厚度经济，加劲环的间距根据管壁抗外压稳定的要求确定。若管壁因压应力过大而丧失承载能力，会出现弹性稳定问题[3]。

3.1 压力钢管运输

钢板的运输和存放应避免变形、锈蚀、损坏等。所有到货的钢板应按钢种、厚度分类堆放，垫离地面，钢板叠放与支撑垫条间隔设置应避免产生变形。户外堆放时，应有遮盖措施以防雨水，并注意通风防潮，以免锈蚀。堆放好的钢板还应注意防止灰尘、油脂以及酸性有机物的污染[4]。

3.2 钢管制造

加劲环、阻水环与钢管外壁的局部间隙≤3mm。加劲环、支承环、止推环和阻水环的对接焊缝应与钢管纵缝错开200mm以上 。加劲环及止推环与钢管的连接焊缝(贴角或组合焊缝)和钢管纵缝交叉处，应在加劲环及止推环内弧侧开半径25～50mm的避缝孔[5]。

本工程中建议采用拔管法进行接缝灌浆，尽量避免在钢板上开孔。如检查后脱空范围和程度不满足设计要求，则应在现场开孔。

3.3 钢管焊接

异种钢焊接时，应按强度低的一侧钢板选择焊接材料，按强度高的一侧钢板选择焊接工艺。Q345R钢板与600mPa级钢板焊接，应按Q345R钢板选择焊接材料，按600mPa级钢板选择焊接工艺。Q235C和Q345R钢板焊接，应按Q235C钢板选择焊接材料，按Q345R钢板选择焊接工艺。

600mPa级钢焊前必须按工艺要求进行预热和焊后热处理。温度由焊接试验确定，预热约100～150℃，后热约150～200℃。加热宽度为焊缝每侧至少100mm的范围，后热持续时间至少1h。加热过程需记录。

定位焊和固定工卡具焊接应在其周围至少150mm宽的范围预热，其预热温度比焊缝预热温度高20～30℃，进行碳弧气刨时也要同焊接一样进行预热；外侧加劲环与钢管焊接时其焊缝应与正式焊缝相同的预热温度进行预热[6]。

本工程钢板最大厚度为14mm，焊接难度不大，主要是引水钢管的安装，需做好和厂房部位混凝土施工的衔接。和门槽衔接部位应先埋入混凝土，否则后期无法处理。

另外关于探伤，由于本项目重要性很强，因此射线探伤量比较大，现场检测时施工干扰较大，目前国内有一些较先进的探伤技术，如TOFT探伤，建议在本工程进行对比试验。

3.4 水压试验。

首次使用新钢种制造的岔管、新型结构的岔管、高水头岔管和高强钢制造的岔管应进行岔管水压试验。明管应作水压试验，可作整条或分段水压试验，分段长度和试验压力由设计单位提供。

3.5 交接验收

压力钢管工程竣工后，应进行工程验收，制造与安装的质量应符合图样和规范的规定。

4 水电站压力钢管安装需注意的问题

水电站压力负管安装时需注意以下7点：

1)钢管安装时，纵向焊缝不能布置在钢管横断面的水平轴线和铅垂轴线上。

2)与上述轴线夹角应>10°。

3)钢管内支撑须在钢管外包混凝土浇注完成且初凝后，接触灌浆结束并检查合格后方可拆除。

4)在钢管外包混凝土浇注过程中，应采取可靠措施防止钢管上浮。

5)引水压力钢管及冲沙钢管全包垫层段不允许外侧支撑与钢管外壁焊接。

6)焊缝内部损探伤采用射线探伤方法。

7)对于预留焊缝，应全长采用超声波及磁粉探伤。

5 结 语

随着水电站规模的增大，大量使用高强钢是压力钢管的发展趋势。它能够提高水电站的安全性和稳定性。由于高强钢对焊接技术、制造安装水平要求非常高高，因此在实际设计中一定要仔细计算相关数据，并合理进行钢管安装，规范钢管焊接操作，提高水电站工作的整体性能。

[1]黄开继.沉降缝部位压力钢管相对变位的危害及应对办法探讨[J].西北水电，2010(02)：51-53.

[2]潘耀林.压力钢管整体水压试验的尝试[J].沿海企业与科技，2007(09)：48-53.

[3]但东.彭水电站超大型压力钢管的制造安装[J].四川水力发电，2007，26(06)：4-7.

[4]郑杰.雅玛渡水电站压力钢管安装过程中的钢管变形控制[J].黑龙江水利科技，2012,40(11)：41-42.

[5]刘文峰.水电站压力钢管安装工艺介绍[J].海河水利，2011(03)：63-65.

[6]刘旻，谢守斌，李金明.大岗山水电站压力钢管安装工艺[J].四川水力发电，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，贵州遵义人，工程师，从事水利工程金属结构的制造与安装工作。

TV547.2

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