压力钢管毕业设计.doc
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隔界河水电站压力钢管初步设计
目录
第一章工程概况 1
一、流域概况 1
二、水文及气象 1
(一)气象概况 1
(二)水文特性 1
三、压力前池基本地质条件及评价 4
(一)基本地质条件 4
(二)前池工程地质评价 4
四、地震 4
五、工程总体布置 4
第二章压力钢管设计 5
一、工程的级别确定 5
二、压力管道的经济直径 5
三、压力钢管的布置 5
四、管壁厚度的确定 6
五、镇墩的稳定分析 7
(一)计算条件 8
(二)运行条件下作用在镇墩上的基本荷载 9
(三)检修条件下的基本荷载 11
(四)校核条件下(水压试验情况)作用在镇墩上的基本荷载 12
(五)运行条件下荷载组合后的水平、垂直分力 14
(六)检修条件下荷载组合后的水平、垂直分力 16
(七)校核条件下荷载组合后的水平、垂直分力 17
(八)镇墩尺寸的拟定 19
六、支墩的稳定分析 22
(一)计算条件 22
(二)荷载计算 22
(三)、抗滑、抗倾覆稳定及地基承载能力校核 23
七、管身应力分析 25
(一)抗外压稳定核算 25
(二)钢管受力计算 25
(三)轴向力计算 26
(四)管壁应力计算 26
八、管道附件 38
九、管道工程量 38
一、钢材工程量 38
二、土石方工程量计算 38
参考文献 39
致谢 40
第一章工程概况
一、流域概况
隔界河为怒江右岸支流,流域位于东经98°42′~98°51′50″、北纬26°19′14″~26°24′之间。
行政区划属云南省怒江州沪水县称杆乡。
电站取水口以上径流面积为64.02km2,多年平均流量2.51m3/s。
拟建的隔界河一级水电站位于高山峡谷区,除其下游建有隔界河二级水电站(目前二级水电站主体工程已基本完工)以及规划有泸水电站外,无其它水利设施。
电站所在下游无重大防洪对象,故不承担下游的防洪任务。
二、水文及气象
(一)气象概况
隔界河流域位于高黎贡山东麓,沪水县城以北,为低纬度北亚热带与北温带过渡带气候,夏季炎热,冬季偏暖湿润,四季分明,无霜期长。
区域内最高气温41.70C,最低气温-2.80C,多年平均气温17.00C。
多年平均日照1100h,多年平均蒸发量1018mm,最大风速12.0m/s,本流域西北部和西部处于多雨区及较多雨区,东北部处于较少雨区,流域降水量从上游至下游呈递减的趋势。
干季降水稀少,雨季(5月~10月)降水集中,占全年降水量的82.7%。
1号坝多年平均降水为2223.4mm,2号坝多年平均降水为1937.1mm。
多年平均气温为7℃左右,极端最高气温为25℃左右,极端最低气温为-10℃左右。
(二)水文特性
1.径流
对推求出的隔界河1、2号坝址1960年6月至1999年5月径流采用P—III型频率曲线适线,频率分析的统计参数为:
均值1号坝为2.60m3/s;2号坝为0.23m3/s,Cv=0.23,Cs=2Cv[5],隔界河电站坝址多年平均流量成果见表1-1。
表1-1隔界河水电站坝址径流成果及比较表(单位:
m3/s)
坝址
隔界河
亚目河
迪麻洛河干流
1号坝
2号坝
面积(km2)
74.25
7.5
181
161.7
资料长度
1960.6-1999.5
1960.6-1999.5
1960.6-1985.5
1960.6-1985.5
项目
流量
%
流量
%
流量
%
流量
%
1月
1.26
4.03
0.11
4
4.25
4.46
3.75
4.68
2月
1.37
4.39
0.12
4.36
4.68
4.91
3.36
4.19
3月
2.65
8.49
0.23
8.36
7.43
7.79
4.29
5.35
4月
3.29
10.53
0.29
10.55
10.5
11.0
9.49
11.83
5月
1.66
5.32
0.15
5.45
5.35
5.61
3.45
4.30
6月
1.94
6.21
0.17
6.18
6.23
6.53
6.03
7.51
7月
3.10
9.93
0.27
9.82
9.43
9.89
8.54
10.64
8月
4.89
15.66
0.43
15.64
15.0
15.73
11.56
14.39
9月
4.29
13.74
0.38
13.82
12.3
12.9
13.69
17.05
10月
3.37
10.79
0.30
10.91
9.58
10.04
7.43
9.26
11月
1.92
6.15
0.17
6.18
5.90
6.19
4.70
5.85
12月
1.49
4.77
0.13
4.73
4.73
4.96
3.98
4.96
年
2.60
100
0.23
100
7.95
100
6.69
100
水量(亿m3)
0.820
0.073
2.51
2.11
径流深(mm)
1104.3
967.1
1385.1
1305.1
平均高程(m)
3210.5
2815.7
3030.6
3277.92
平均降水量(mm)
2223.4
1937.1
2768.8
2611.0
表1-2隔界河水电站坝址日平均流量保证率成果表
保证率(%)
流量(m3/s)
保证率(%)
流量(m3/s)
1号坝
2号坝
1号坝
2号坝
5
6.94
0.61
75
1.43
0.13
10
5.25
0.46
80
1.34
0.12
20
3.46
0.30
90
1.13
0.10
25
2.89
0.25
95
0.87
0.08
50
1.83
0.16
97
0.82
0.07
2.洪水
表1-3隔界河水电站坝址设计洪水成果比较表
频率(%)
推理公式法
暴雨径流查算法
水文比拟法
1号坝
2号坝
1号坝
2号坝
1号坝
2号坝
0.5
416.0
79.6
403.3
77.2
361.0
51.0
1
373.0
71.4
361.8
69.2
305.4
43.2
2
330.0
63.1
318.8
61
251.4
35.5
3.33
296.5
56.7
286.9
54.9
178.3
25.2
5
271.0
51.9
266.2
50.9
153.5
21.7
10
224.8
43.0
215.2
41.2
112.7
15.9
综合分析比较各方面,本次设计按SL44—93规范采用推理公式计算方法所得洪水成果较为合理,作为本次设计的推荐成果。
3.泥沙
隔界河电站坝址年平均悬移质输沙量为2.58万t。
年平均推移质沙量取悬沙量的30%估算为0.774万t,坝址年输沙总量为3.354万t。
4.装机规模
根据以上基本资料和调节原则对三组装机方案进行径流调节计算,计算结果见表1-4。
表1-4隔界河电站径流调节计算表
装机方案
Kw
9800
12600
15000
电站引用流量
m3/s
3.0
3.5
4.0
保证出力
Kw
3762
3762
3762
年发电量
万kw·h
5761
6272
6558
倍比系数
2.60
3.35
3.99
年利用小时
H
5878
4977
4372
水量利用率
%
82
86
89
年发电量差值
万kw·h
511
286
增量年利用小时
H
1825
1192
从水能指标及其特性的变化规律可明显看出,本电站较为合理的装机规模为12600kw,机组台数为2台,单机容量为6300kw。
三、压力前池基本地质条件及评价
(一)基本地质条件
前池布置在引水隧洞末端,山坡地面高程1970~2000m,地形相对较陡,总体地形坡度20~30°,无大的不良物理地质现象,整个岸坡为一单斜逆向坡。
(二)前池工程地质评价
前池山坡高程1970~2000m,地形相对较陡,总体地形坡度20°~30°,无大的不良物理地质现象,整个岸坡为一单斜逆向坡。
基岩为Є3t灰色白云质灰岩,强风化带埋深约15m,岩层倾向山内,倾角40°~60°。
四、地震
根据2001年版“中国地震动参数区划图”(GB18306—2001)确定工程区“动峰值加速度”为0.15g,相应地震烈度为Ⅶ度,地震设防烈度为Ⅶ度。
地震动反应谱特征周期值为0.40s。
五、工程总体布置
隔界河水电站主要建筑物由1#拦河取水坝、2#拦河坝取水坝、引水隧洞、压力前池、压力钢管、主副厂房及升压站组成。
拦河坝坝型采用浆砌块石重力式溢流坝。
主引水隧洞布置于主坝取水口~前池之间,分三段组成折线型隧洞布置,全长3074.71m。
隧洞采用无压引水的方式,断面为直墙高1.9m,拱高0.6m的城门洞形。
隧洞进口布置在主坝前河道右岸,侧向进水。
进水口前设置沉砂池,进水口底板高程为1977.00m,出口接前池。
隧洞末端底宽度:
b=2.00m;隧洞底坡降:
i=0.002。
前池布置于主引水隧洞末端,位于厂区枢纽河对面山脊上,前池后接压力钢管。
压力管道位于隔界河右岸山脊上,为山麓斜坡地形,地形坡度22°~52°。
压力管道为单管双机供水方式,管道由主管、岔管、支管及附件构成,岔管为对称Y形布置。
电站厂址选定在距隔界河与怒江交汇处1100m隔界河左岸。
主厂房内布置两台冲击式水轮发电机组,水轮机型号为CJA475-w-140/2×12,机组间距为11.5m,进水管中心高程为1530.00m。
第二章压力钢管设计
一、工程的级别确定
水电站的装机容量为1.26万kw,利用水头为445m,故本工程等级为特高水头小一型水电站[1]。
二、压力管道的经济直径
本工程规模小,可按经济流速法计算管径[9],即
=(m)
压力管道管径模数为50mm,安全起见压力管道直径D取1m。
式中——设计引用流量,
——经济流速,明钢管和地下埋管为4~6(m/s),对高水头电站可取大值,因
此取6(m/s)计算。
支管管径与水轮机进口对应,即支管管径为0.65m。
则实际流速:
(m/s)
三、压力钢管的布置
前池布置于主引水隧洞末端,位于厂区枢纽河对面山脊上,前池后接压力钢管。
明钢管的路线选择在地形地质条件优越的隔界河右岸山脊上,为山麓斜坡地形,地形坡度22~52°,避开了滑坡、崩塌、坠石和地表水集中等不利地段。
明钢管常采用垂直等高线方向布置,以缩短管道长度,沿山脊布置,管槽开挖边坡为逆向坡。
为了避免局部管的产生负压,在地形凸起部分应进行开挖。
明钢管沿线应布置排水沟和设置交通通道,在钢管的最低处应设置排水管,在适当位置处应设置进人孔。
明钢管的转弯半径为3倍管径,底部高出地面0.6m,以利于安装和检修。
顶部低于最小压力线至少2m,以保证不出现真空。
由于发电引水单机流量不大,管道较长,因此压力管道采用单管双机供水方式,正向引进,管道由主管、岔管、支管及附件构成,岔管为对称Y形布置。
镇墩型式采用封闭式,支墩采用滑动式支墩,伸缩节位于管道转弯处下游2.5m。
四、管壁厚度的确定
压力钢管的材料和壁厚选择是水电站压力钢管设计的主要内容之一,钢管壁厚和材料变化使得钢管造价同时发生变化,因此需要在钢管的适当位置改变壁厚和材料,以降低工程造价。
根据《SL-2003.压力钢管设计规范》,钢管所用钢材的性能及技术要求必须符合国家现行有关标准的规定,因此选用Q235C、及Q345C钢材。
管道末端允许的最大水锤相对升压为[6]
H<40m,ζ=0.7~0.5
H=40~100m,ζ=0.5~0.3
H>100m,ζ<0.3
式中:
H为静水头,在ζ的变化范围中,低水头时取大值,本工程静水头为445m〉100m,故ζ取0.25。
沿线水击水头由公式计算确定。
管壁厚度的计算采用锅炉公式[1]:
式中——压力水头(m);
——钢管内半径(m),;
——材料容许应力(m),明钢管膜应力区容许应力降低20%,即;
——管壁计算厚度(m)。
——焊缝系数,本工程管径小,拟采用单面对接焊的方式,故
考虑磨蚀和钢板厚度误差等因素,管壁结构厚度应至少比计算值增加2mm。
本工程按增加2mm计。
结果如下表2-1:
表2-1压力钢管管壁厚度计算表
标号
桩号
工作水头H(m)
钢材型号
屈服强度
σs(MPa)
容许应力
[σ](MPa)
计算厚度
t0(mm)
结构厚度
t(mm)
1
G1+00.000
71.892
Q234C
235
103.4
4(3.78)
6
2
G1+46.505
104.000
Q234C
235
103.4
6(5.48)
8
3
G2+12.881
149.826
Q234C
235
103.4
8(7.89)
10
4
G2+50.000
178.027
Q234C
235
103.4
10(9.37)
12
5
G2+92.337
218.000
Q234C
235
103.4
12(11.48)
14
6
G3+30.976
255.529
Q234C
235
103.4
14(13.45)
16
7
G3+69.179
299.826
Q234C
235
103.4
16(15.78)
18
8
G4+54.479
441.234
Q345C
325
143
16(15.66)
18
9
G4+80.744
454.683
Q345C
325
143
18(17.31)
20
10
G5+93.153
518.192
Q345C
325
143
20(19.73)
22
11
G7+00.000
556.25
Q345C
325
143
22(21.17)
24
由表2-1中计算数据确定钢管的钢材和壁厚如表2-2:
表2-2钢管的钢材和壁厚选用表
标号
桩号
钢材型号
结构厚度t(mm)
1
G0+00.000~G1+00.000
Q234C
6
2
G1+00.000~G1+46.505
Q234C
8
3
G1+46.505~G2+12.881
Q234C
10
4
G2+12.881~G2+50.000
Q234C
12
5
G2+50.000~G2+92.337
Q234C
14
6
G2+92.337~G3+30.976
Q234C
16
7
G3+30.976~G3+69.179
Q234C
18
8
G3+69.179~G4+54.479
Q345C
18
9
G4+54.479~G4+80.744
Q345C
20
10
G4+80.744~G5+93.153
Q345C
22
11
G5+93.153~G7+00.000
Q345C
24
五、镇墩的稳定分析
按《SL-2003.压力钢管设计规范》,镇墩布置在管道的转弯处,长度超过150m的直线管道设置中间镇墩,以承受管道因改变方向而产生的轴向不平衡力,固定管道不允许管道在镇墩处有任何位移。
本工程在直管线段大致每隔100m设置一个镇墩,转弯处设置镇墩,共设置了9个封闭式镇墩,支墩每隔6m设一个,共设了115个滑动式支墩。
伸缩节布置在镇墩下游2.5m处,以改善镇墩受力条件。
镇墩设计根据管道的满水、放空、压水试验、温升和温降等情况分析各力的最不利组合,计算确定镇墩所需的形状和尺寸。
镇墩根据满足抗滑稳定和地基承载能力的条件拟定尺寸,并以满足抗倾覆稳定条件进行校核。
这里以3#镇墩为例,其他镇墩计算方法相同。
(一)计算条件
根据钢管的布置情况,3#镇墩的稳定计算已知条件如表2-3:
表2-33#镇墩的稳定计算已知条件
1、
钢管内径(D0):
1
平均直径Dm(m):
1.012
2、
计算管壁厚(t0):
0.01
实际厚度t(m):
0.012
3、
计算水头:
上游伸缩节中心水头H1(m):
111.493
镇墩上游端管轴水头H2(m):
167.495
镇墩下游端管轴水头H3(m):
169.95
下游伸缩节中心水头H4(m):
172.147
4、
管内计算流速(V):
4.459
m³/s
5、
伸缩节止水盒宽(b2):
0.3
平均摩擦系数(μ2):
0.3
6、
支墩摩擦系数(f):
0.1
7、
镇墩上游端至伸缩节轴长(L1):
91.86
m
镇墩下游端至伸缩节轴长(L2):
2.5
m
8、
支墩间距(l):
6
m
9、
地基与镇墩摩擦系数(f1):
0.5
10、
地基容许承载力(【σ】):
294
kPa
11、
镇墩上游段管轴敷设角(α):
29°
12、
镇墩下游段管轴敷设角(β):
38°
13、
钢管外径(D1):
1.024
m
14、
抗滑稳定安全系数(K):
1.3
15、
混凝土容重:
γ=
2.2
t/m3
16、
镇墩与上游侧第一个支墩间距(L3):
6.93
m
17、
镇墩上游侧支墩间距数量(n):
14
个
18、
上游侧伸缩节与第一个支墩间距(L4):
0.93
m
19
钢材容重(γs):
78.5
KN/m3
20
水容重(γw):
9.8
KN/m3
21
钢管附件增重系数k1
25%
(二)运行条件下作用在镇墩上的基本荷载
1.上游侧钢管自重的轴向分力(考虑进人孔、伸缩节等附件增重25%):
下游侧钢管自重的轴向分力(考虑进人孔、伸缩节等附件增重25%):
2.镇墩上下游端内水压力:
上游端:
下游端:
3.伸缩节管端水压力:
上游伸缩节:
下游伸缩节:
4.温度变化时伸缩节止水盘根对管壁摩擦力:
(压缩力取水压力的1.25倍)
上游伸缩节:
下游伸缩节:
5.温度变化时,支墩对管壁摩擦力:
式中:
——单位管长钢管自重,钢管附件的附加重量按钢管自重的25%考虑。
——单位管长管内水重
支墩对管壁总摩擦力:
6.镇墩中弯管水流离心力:
7.镇墩前、后钢管对镇墩的法向力:
镇墩前半跨管的法向力:
镇墩后管段长的法向力:
运行条件下各力汇总见表2-4:
表2-4运行条件下作用在镇墩上的各项力汇总表(单位:
KN)
A1
A11
A3
A31
A5
A51
A6
A61
∑A7
A8
Q1
Q2
166.72
5.76
1289.19
1308.09
41.69
64.36
395.44
610.56
88.45
15.60
34.67
22.54
(三)检修条件下的基本荷载
1.上游侧钢管自重的轴向分力(考虑进人孔、伸缩节等附件增重25%):
下游侧钢管自重的轴向分力(考虑进人孔、伸缩节等附件增重25%):
2.温度变化时伸缩节止水盘根对管壁摩擦力:
(压缩力取水压力的1.25倍)
上游伸缩节:
下游伸缩节:
3.温度变化时,支墩对管壁摩擦力:
式中:
——单位管长钢管自重,钢管附件的附加重量按钢管自重的25%考虑。
支墩对管壁总摩擦力:
4.镇墩前、后钢管对镇墩的法向力:
镇墩前半跨管的法向力:
镇墩后管段长的法向力:
检修条件下各力汇总见表2-5:
表2-5检修条件下作用在镇墩上的各项力汇总表(单位:
KN)
A1
A11
A6
A61
∑A7
Q1
Q2
166.72
5.76
395.44
610.56
28.95
11.64
8.74
(四)校核条件下(水压试验情况)作用在镇墩上的基本荷载
1.上游侧钢管自重的轴向分力:
下游侧钢管自重的轴向分力(考虑进人孔、伸缩节等附件增重):
2.镇墩上下游端内水压力:
上游端:
下游端:
3.伸缩节管端水压力:
上游伸缩节:
下游伸缩节:
4.镇墩前、后钢管对镇墩的法向力:
镇墩前半跨管的法向力:
镇墩后管段长的法向力:
校核条件下各力汇总见表2-6:
表2-6校核条件下作用在镇墩上的各项力汇总表(单位:
KN)
A1
A11
A3
A31
A5
A51
∑A7
Q1
Q2
166.72
5.76
1611.49
1635.11
52.11
80.45
110.56
34.67
22.54
(五)运行条件下荷载组合后的水平、垂直分力
1.温升情况
(1)自上游方向指向镇墩的轴向力:
水平方向分力:
垂直方向分力:
(2)自下游方向指向镇墩的轴向力:
水平方向分力:
垂直方向分力:
(3)法向力:
的水平方向分力:
的垂直方向分力:
的水平方向分力:
的垂直方向分力:
水平总推力:
垂直力:
2.温降情况
(1)自上游方向指向镇墩的轴向力:
水平方向分力:
垂直方向分力:
(2)自下游方向指向镇墩的轴向力:
水平方向分力:
垂直方向分力:
(3)法向力:
的水平方向分力:
的垂直方向分力:
的水平方向分力:
的垂直方向分力:
水平总推力:
垂直力:
(六)检修条件下荷载组合后的水平、垂直分力
1.温升情况
(1)自上游方向指向镇墩的轴向力:
水平方向分力:
垂直方向分力:
(2)自下游方向指向镇墩的轴向力:
水平方向分力:
垂直方向分力:
(3)法向力:
的水平方向分力:
的垂直方向分力:
的水平方向分力:
的垂直方向分力:
水平总推力:
垂直力:
2.温
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