導(dǎo)語：電站壓力明管計算分析論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1工程概況

某電站樞紐工程由水庫大壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及升壓站等組成。大壩為漿砌塊石雙曲拱壩，壩址以上集雨面積30km2，最大庫容150萬m3，是一座以發(fā)電為主的小（Ⅰ）型水庫電站。引水系統(tǒng)總長約3050m，其中隧洞總長2700m，開挖直徑2．2m，壓力明鋼管總長350m，內(nèi)徑1．0m，管壁厚度從鋼管進(jìn)口的6mm逐漸變厚至16mm。發(fā)電廠房由主、副廠房兩部分組成，主廠房面積8m×20m，副廠房面積5m×10m，內(nèi)安裝兩臺600kW水輪發(fā)電機(jī)組。為了增加發(fā)電效益，決定將原壩體加高，增加電站正常發(fā)電靜水頭至250m，比原增加約30m。同時，封堵隧洞末端調(diào)壓室，使得水錘壓力又有所增加。由于工程擴(kuò)建加上調(diào)壓室的封閉，壓力鋼管的實際荷載發(fā)生了變化，需要進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核以驗算鋼管承載能力能否滿足工程安全運行的要求。

2用結(jié)構(gòu)力學(xué)法復(fù)核壓力明管強(qiáng)度的內(nèi)容

2．1設(shè)計荷載的確定

作用在壓力明管上的荷載按作用力方向可分為徑向荷載、垂直管軸向荷載、平行管軸向荷載。其中徑向荷載有內(nèi)水壓力、水錘壓力（內(nèi)水壓力設(shè)計值和水錘壓力設(shè)計值合稱內(nèi)水總壓力設(shè)計值）；垂直管軸向荷載有鋼管自重和管內(nèi)水重分力；平行管軸向荷載有伸縮節(jié)端部的內(nèi)水壓力、彎管上的內(nèi)水壓力及離心力、漸縮管上的內(nèi)水壓力、鋼管結(jié)構(gòu)自重分力、關(guān)閉閥門及悶頭上的力、溫度作用力等。計算出各種荷載標(biāo)準(zhǔn)值后乘以相應(yīng)的荷載分項系數(shù)即為設(shè)計荷載值。除水錘壓力外，其它荷載均可直接求得，因此就管道內(nèi)的水錘壓力計算方法進(jìn)行簡要分析。

（1）水錘波傳播速度的確定。水錘波的傳播速度與管壁材料、厚度、管徑以及水的彈性模量等有關(guān)。其傳播速度可表示為：

式中：Ew—水的體積彈性模量，取2．1×105N／cm2；γ、r—分別表示水的容重、管道半徑；K—管道的抗力系數(shù)。

根據(jù)以上公式可以求出不同介質(zhì)中的水錘傳播速度，則在管道中的平均波速am=∑aiLi/L。式中：Li、L分別表示同種管道長度、串聯(lián)后管道總長。

（2）水錘形式的確定。水錘的產(chǎn)生形式有直接水錘和間接水錘。間接水錘是指當(dāng)閥門關(guān)閉過程結(jié)束前，水庫異號反射回的降壓波已到達(dá)閥門外，即Ts≥2L／a，這種水錘稱為間接水錘。經(jīng)計算，間接水錘為第一相。

（3）水錘計算。第一相水錘可以按以下公式進(jìn)行計算：

根據(jù)上述公式計算出，則水錘壓力設(shè)計值為ΔΗ＝式中γ為荷載分項系數(shù)。

若產(chǎn)生的水錘為末相水錘（極限水錘），則按下式計算水錘增加值：

式中字母意義同上。

2．2直管段計算斷面及應(yīng)力組合

（1）計算部位的選擇。根據(jù)明鋼管的受力特點，計算鋼管直管段應(yīng)力時，應(yīng)選取4個基本計算部位：即跨中（斷面①—①）；支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)邊緣（斷面②—②）；加頸環(huán)及其旁管壁（斷面③—③）；支承環(huán)及其旁管壁（斷面④—④）。如圖1所示：

（2）應(yīng)力組合。①跨中斷面應(yīng)力組合有σθ1、σx1、σx2，環(huán)向應(yīng)力軸向應(yīng)力由兩部分組成，一部分由軸向力引起的軸向應(yīng)力，另一部分由管重和管中水重的法向力引起的軸向應(yīng)力cosθ。上式中：P—均勻內(nèi)壓包括靜水壓力和水錘壓力；r—水管半徑；δ—管壁計算厚度；H—計算水頭；a、θ—分別表示管軸線傾角、環(huán)向任意點與管頂半徑的夾角；∑A—作用在鋼管上所有的軸向力的總和；M—管重和管中水重作用下的連續(xù)空心梁彎矩，以管底受拉為正。②支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)邊緣，斷面應(yīng)力組合有σθ1、σx1、σx2、τxθ，其計算式；其環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力計算式同上。式中：V—管重和水重法向分力作用下的連續(xù)梁剪力。③加勁環(huán)及其旁管壁斷面應(yīng)力組合有σθ2、τxθ、其軸向應(yīng)力增加一項局部軸向應(yīng)力其余方向應(yīng)力同上。式中：β—加勁環(huán)凈截面面積與有效截面面積的比值。④支承環(huán)及其旁管壁，斷面應(yīng)力組合有σθ2、，其中管壁應(yīng)的計算均同③，附加應(yīng)力σθ3＝。式中：NR—支承環(huán)橫截面上的軸力；F—支承環(huán)有效截面積；MR—支承環(huán)橫截面上的彎矩；WR—支承環(huán)有效截面對重心軸的斷面矩。

2．3進(jìn)人孔與伸縮節(jié)校核部位選擇及應(yīng)力

（1）進(jìn)人孔。為便于鋼管的安裝、檢修，一般需在進(jìn)口和出口部位設(shè)置進(jìn)人孔，進(jìn)人孔的鋼板厚度一般與鄰近直管管壁厚度相同或略厚。因此，在復(fù)核強(qiáng)度時，可只復(fù)核進(jìn)人孔蓋板周圍的螺栓抗拉強(qiáng)度是否滿足要求。其計算方式如下：①受力計算：作用于螺栓上的力有內(nèi)水壓力、水錘壓力P1和橡皮止水環(huán)安裝壓力P2。

式中：P0--內(nèi)壓；D1—人孔蓋板內(nèi)緣直徑：D2—人孔蓋板外緣直徑；k—壓強(qiáng)比，安裝壓力與P0的比值，取1．25。②螺栓應(yīng)力計算：

式中：n—螺栓個數(shù)；A—每個螺栓計算面積。

（2）伸縮節(jié)。由于伸縮節(jié)為單套管伸縮節(jié)，計算時選取相對薄弱的壓環(huán)進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核，作用在壓環(huán)根部的力近似地可表示為式中：D1、D2—分別表示壓環(huán)法蘭螺母內(nèi)邊緣、外邊緣直徑。計算出作用力P后，按偏心受壓公式：（式中：M、W—分別表示P的彎矩、壓環(huán)抗彎截面模量），即可求得壓環(huán)內(nèi)外緣應(yīng)力。

2．4強(qiáng)度判別方法

根據(jù)強(qiáng)度理論有最大拉應(yīng)力理論、最大伸長線應(yīng)變理論、最大剪應(yīng)力理論、形狀改變比能理論及莫爾強(qiáng)度理論等。在復(fù)核壓力鋼管管壁應(yīng)力時采用第四強(qiáng)度理論即形狀改變比能理論并按平面問題計算，其表達(dá)式為：

式中：γ0、ψ、γd分別表示結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、設(shè)計狀況系數(shù)、結(jié)構(gòu)系數(shù)；f表示鋼管材料的強(qiáng)度設(shè)計值。

在復(fù)核進(jìn)人孔、伸縮節(jié)部位的強(qiáng)度時可采用第一強(qiáng)度理論即最大拉應(yīng)力理論。其表達(dá)式為：σ1≤［σ］；［σ］為材料的允許拉應(yīng)力［σ］＝σjx／K，σjx為極限拉應(yīng)力，K為安全系數(shù)。

3采用鍋爐公式復(fù)核管壁厚度

采用鍋爐公式估算管壁厚度時，只考慮明管僅受內(nèi)水總壓力的作用，即內(nèi)水總壓力與管壁的環(huán)向拉力相平衡，建立平衡方程。根據(jù)平衡條件，由內(nèi)水總壓力引起的管壁環(huán)向拉力為（式中P—內(nèi)水總壓力，D—明管直徑），則管壁環(huán)向拉應(yīng)力為。根據(jù)鋼管應(yīng)力應(yīng)小于材料允許應(yīng)力［σ］的條件σθ＜［σ］，即管壁厚度估算值?？紤]焊縫的強(qiáng)度降低，允許應(yīng)力應(yīng)乘<1的焊縫系數(shù)φ，當(dāng)為單面焊時φ取0．9，雙面焊時φ取0．95。此外，考慮銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差，管壁厚度應(yīng)至少比計算值厚2mm，即

按上述鍋爐公式復(fù)核壓力明管的厚度時，當(dāng)明管管壁實際厚度δ實≥δ計時，則認(rèn)為明管強(qiáng)度滿足要求。

4結(jié)語

（1）按上述結(jié)構(gòu)力學(xué)方法對某電站壓力明管進(jìn)行了直管管壁、進(jìn)人孔、單套管伸縮節(jié)強(qiáng)度復(fù)核計算。發(fā)現(xiàn)0＃～2＃鎮(zhèn)墩間直管管壁支承環(huán)及加頸環(huán)局部最大應(yīng)力均大于跨中斷面應(yīng)力，這說明在受力基本一致的前提下，由于支承環(huán)和加頸環(huán)處管壁變形受到約束產(chǎn)生了較大的局部應(yīng)力，且部分支墩處的支承環(huán)處管壁應(yīng)力σ＞σR，需要加大管壁厚度以滿足強(qiáng)度要求。同時按鍋爐公式δ＝PD／2φ［σ］＋2（mm）對上述支承環(huán)處管壁進(jìn)行厚度校核，可知管壁厚度仍滿足要求，而其它部位當(dāng)按強(qiáng)度復(fù)核滿足時，管壁厚度也滿足要求。因此，在進(jìn)行一般鋼管計算時對于明管的局部結(jié)構(gòu)應(yīng)采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法較為可靠。

（2）通過實例進(jìn)一步論證了對一般明管或HD值較小的明管采用鍋爐公式進(jìn)行近似計算是較為可靠的，但局部受力部位應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析或適當(dāng)加大鋼板厚度以滿足強(qiáng)度要求。

（3）就如何復(fù)核進(jìn)人孔、伸縮節(jié)等重要部位的強(qiáng)度提出的一些看法可供類似工程參考。