虾子河排洪泵站出水压力管道设计

冯剑英

（遵义市水利水电勘测设计研究院有限责任公司，贵州 遵义 563002）

1 工程概况

虾子河防洪治理工程排洪泵站工程由排洪泵站、出水管及附属建筑物等组成。出水管自排洪泵站接出后下穿凤新快线，然后沿天宇建材市场、河上坡、亚居·庭院、外环路灯具布艺市场、朱家湾（川黔线右侧）、首座汇金广场、万福钢材市场道路间隙埋设至湘江河（紧邻虾子河与湘江河汇合口下游侧），出水管总长2 040 m。

虾子河排洪泵站共装机4台，总装机功率4 480 kW，设计排洪流量16 m3/s，根据GB 50265—2010《泵站设计规范》的规定，排洪泵站规模为中型，排洪泵站工程等别为Ⅲ等，排洪泵站主要建筑物级别为3级。

2 管道工程布置

本工程采用钢管从虾子河排洪泵站提水至湘江河，出水管首端管径DN2400 mm、利用贴边岔管接4根DN1600 mm出水管，然后利用锥形管接DN2200 mm出水管，管道进、出口中心高程分别为829.35 m、805.14 m。

出水管总长2 040 m，其中壁厚12 mm的DN2400 mm钢管长30 m；锥形钢管（DN2400～DN2200 mm）壁厚22 mm、长4 m；DN2200 mm钢管壁厚分段采用12 mm（管身每隔1.6 m设一道加劲环）及22 mm（穿箱涵段、不设加劲环），其中壁厚12 mm的DN2200 mm钢管长1 896 m、壁厚22 mm的DN2200 mm钢管长110 m。出水钢管管材均采用Q355B钢。

3 钢管设计

3.1 水力学计算

钢管水力学计算包括水头损失计算和压力线计算。

水头损失分沿程水头损失和局部水头损失，沿程水头损失按下式计算：

局部水头损失按下式计算。

锥形管：ζ=（1-A1/A2）2。

锥形管由2 400 mm收缩至2 200 mm，收缩角1.43°，收缩角较小，局部水头损失系数查表得ζ=0.052。式中hj为局部水头损失，m；ζ为局部水头损失系数；d为管道直径，m；R1为管道中心线转弯半径，m；θ为管道中心线转角，m；A1为断面扩大前面积，m；A2为断面扩大后面积，m。

水头损失计算结果及相应水泵扬程详见表1。

表1 水头损失计算结果及相应水泵扬程表

压力管线的顶部均低于最低压力线以下2.0 m，满足规范要求。

3.2 管壁厚度计算

钢管承受内水压力所需管壁厚度。

根据最高压力线计算结果，按“锅炉公式”和SL/T 281—2020《水利水电工程压力钢管设计规范》构造要求初步拟定钢管壁厚：

式中t为管壁厚度，mm；γ为水容重，取值10 kN/m3；H为最大水头，单位m；D为钢管内径，mm；φ为焊缝系数，取0.9；[σ]为钢材设计允许应力。

钢管承受内水压力所需管壁厚度详见表2。

根据表2计算结果，考虑2 mm锈蚀厚度后，DN2400 mm出水管、DN2200 mm出水管壁厚不小于10 mm，DN1600 mm出水管出水管壁厚不小于8 mm。

表2 钢管承受内水压力所需管壁厚度计算结果表

3.3 钢管（光面管）抗外压所需管壁厚度

根据压力钢管规范要求，光面管抗外压稳定应满足下式计算：

式中Pcr为光面管临界外压强度，MPa；E为弹性模量，钢材取值E=2.06×105MPa；Kc为抗外压稳定安全系数，Kc=2.0；P0k为径向均布外压标准值，MPa。

钢管抗外压壁厚详见表3。

表3 钢管抗外压壁厚计算结果表

根据表3计算结果，考虑2 mm锈蚀厚度后，压力钢管满足抗外压稳定所需管壁最小厚度：DN2400 mm出水管管壁厚度为24 mm，DN2200 mm出水管管壁厚度为22 mm，DN1600 mm出水管管壁厚度为18 mm。可知DN2400 mm出水管、DN2200 mm出水管及DN1600 mm出水管管道承受内水压力与抗外压所需厚度差距较大（DN2400 mm出水管抗外压24 mm、承受内水压力10 mm，DN2200 mm出水管抗外压22 mm、承受内水压力10 mm，DN1600 mm出水管抗外压18 mm、承受内水压力8 mm，为节省工程投资及降低施工难度，本工程考虑DN2400 mm出水管、DN2200 mm出水管（非顶管段）、DN1600 mm出水管采用加劲环型式以满足压力钢管抗外压稳定要求。

3.4 钢管（设加劲环后）抗外压稳定分析

经过“锅炉公式”初步拟定钢管壁厚及光面管抗外压稳定分析，在DN2400 mm出水管、DN2200 mm出水管、DN1600 mm出水管上考虑设置加劲环（加劲环间距1.6 m），环高200 mm，厚20 mm，设置加劲环后初步拟定DN2400 mm出水管和DN2200 mm出水管管壁厚度为12 mm，结构计算采用10 mm，DN1 600 mm出水管管壁厚度为12 mm，结构计算采用8 mm。

根据以上拟定的钢管壁厚和加劲环进行钢管抗外压稳定分析、加劲环抗外压稳定分析及加劲环抗外压强度分析，分别有以下3个验算内容。

3.4.1 加劲环间管壁抗外压稳定验算

验算公式：Pcr≥KcP0k，

式中Kc为明管抗外压稳定安全系数，Kc=2.0；P0k为径向均布外压标准值，N/mm2；Pcr为加劲环间管壁抗外压稳定临界压力计算值，N/mm2。采用下式计算：

式中E为钢材弹性模量，N/mm2；t为钢管管壁厚度，不含锈蚀层厚度，mm；n为最小临界压力的波数，取相邻的整数；l为加劲环间距，mm；r为钢管半径，mm；μ为钢材泊松比，0.3。

DN2400 mm出水管、DN2200 mm出水管、DN1600 mm出水管上加劲环间管壁抗外压稳定验算结果详见表4。

表4 压力钢管加劲环间管壁抗外压稳定验算表

由以上计算结果可知，压力钢管加劲环间管壁抗外压稳定满足要求。

3.4.2 加劲环抗外压稳定分析

根据压力钢管规范要求，排洪压力钢管主管及支管上加劲环抗外压取下列两式中的最小值：

式中Pcr1、Pcr2为加劲环临界外压强度，N/mm2；E为钢材弹性模量，2.06×105MPa；FR为支承环或加劲环有效截面面积（包括管壁等效翼缘面积），mm2；JR为支承环或加劲环有效截面对中心轴的惯性矩，mm4；R为支承环或加劲环有效截面重心轴处的半径，mm；l为环间间距；r为钢管半径；其余符号意义同前。

根据初步拟定的加劲环尺寸，DN2400 mm出水管、DN2200 mm出水管、DN1600 mm出水管上加劲环抗外压稳定验算结果详见表5。

表5 加劲环抗外压稳定验算表

由以上计算结果可知，DN2400 mm出水管KcP0k

3.5 岔管的结构设计

3.5.1 岔管布置

根据泵站出水管及出水管的布置，在泵站厂区布置岔管将4根出水管接入出水管。岔管结构型式为贴边岔管，分岔角为80°，出水管管径D=2 400 mm，岔管管径d=1 600 mm。

3.5.2 分岔管结构设计

根据岔管的布置及结构型式，对岔管进行结构设计，主要采用岔管管壁厚度公式、锅炉公式、光面管抗外压公式计算管壁厚度，按规范要求的锐角贴边外缘应力公式计算最大主应力，锅炉公式及光面管抗外压公式如前一小节所述，此处主要为岔管管壁厚度公式及锐角贴边外缘应力计算公式，如下。

岔管管壁厚度公式：

式中t0为管壁厚度，mm；r为岔管半径，为800 mm；P为内水压力，N/mm2；K1为应力计算系数，查《水利水电工程压力钢管设计规范》可知，取为1.5；[σ]1为允许应力取值，对于膜应力区基本荷载组合为0.5σs，特殊荷载组合为0.7σs；φ为焊缝系数，取0.9；α为岔管分岔角，为80°。

岔管特性及主要计算成果详见表6。

由表6计算可知，加上2 mm的锈蚀厚度，岔管壁厚需达到18 mm，岔管考虑设置加劲环，设置加劲环后计算同上，计算壁厚8 mm，加上2 mm的锈蚀厚度，壁厚10 mm，每隔1.6 m设置一加劲环。岔管特性及外缘最大主应力计算成果详见表7。

表6 岔管特性及主要计算成果表

由表7计算可知，加上2 mm的锈蚀厚度，岔管及该段主管壁厚为12 mm时，岔管处外缘最大主应力满足管道局部应力区允许应力要求。

表7 岔管特性及主要计算成果表

4 结束语

针对低扬程、大流量、大管径的压力钢管结构设计，难点主要在于加劲环的设置，计算钢管抗外压所需的管壁厚度一般较厚，需要考虑设置加劲环来减少钢管壁厚以达到节省工程投资及降低施工难度的目的。加劲环的设置后加劲环间管壁抗外压稳定分析、加劲环抗外压稳定分析、加劲环抗外压强度验算需要重点关注。