论文部分内容阅读
摘要：近年来，我国的水电工程项目逐渐增多，在水电工程中压力钢管的设计必不可少。压力钢管的直径选择是水电站压力钢管设计的主要内容之一，钢管直径变化使得钢管造价和发电效益同时发生变化。传统上只根据流速水头等经验公式经计算后确定，忽略了管长、水头损失等对管径选择的影响。鉴于此，本文对农村小水电压力钢管设计进行了探讨。
关键词：压力钢管；水电；农村
中图分类号：TV 335 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2013）-06-0257-1
0 前言
压力钢管的设计是水电工程设计的重点环节，它对水电工程运行的平稳性和安全性，有着重要的意义。压力钢管是水利水电工程中的重要建筑物之一，它是一种薄壳结构，长期承受高压水作用。此外还要承受温度变化、支座沉陷、地震、放空时的外压力以及围岩作用，一旦破裂，将造成严重后果。压力管道包括管道钢结构本体、支承部分、人孔、伸缩节、通气设备、闸阀、土建部分和支墩基础。管道设有各种保护系统，以预防管壳破裂时事故扩大。管道结构还有一些相邻建筑物如防护墙、调压室、水轮机蜗壳等。因此，事先周密的考虑和妥善设计至关重要。
1 小水电压力钢管设计原则
压力钢管设计时，除了从工程的总体设计中了解钢管的基本任务和主要参数（例如需通过的流量、承受的水头、管道的总长度等）外，还要充分调查了解当地的自然条件，特别是管道通过地区的地形、地质条件（包括地震、滑坡、泥石流等）、气象、水质腐蚀等条件，以及制造、运输、安装条件、材料等，水电站的运行工况和总体布局等都会影响到钢管型式和结构的选择。压力钢管设计时需要遵循的基本原则如下：必须保证管道和整个水电站工作可靠，运行方便；力求降低整个建筑物的总造价；力求节省管道结构的金属材料；尽量减少水电站管道的水头损失；方便施工，使工程尽快投入运行；采用定型结构和构件，力求结构通用；规定预防结构腐蚀和磨损的保护办法；方便運输安装和维修。
2 小水电压力钢管设计注意事项
2.1 压力钢管选型
小水电站压力管材的选择，是设计压力水管的重要内容之一，管材的选择一般要根据工程的规模、管道的工作压力、输水距离的长短、工程的进度与重要性，以及工程所在地的地形、地貌、地质情况，进行技术、经济、安全等方面论证综合比较后确定。（1）地下埋管与明管的选择。对于引水式电站，一般在管型选择时多进行明管和地下埋管的比较。明管和地下埋管相比，各有其优缺点，而且一种管型的优点往往就是另一种管型的缺点。明管的主要优点是：在运行中可以方便地进行检查维护，必要时可更换。其次，它受力明确，结构分析成果较为可靠。埋管的主要优点是：钢管不受气温变化、冰冻、岩石滑动、雪崩、泥石流等的影响，钢管是连续支承在介质中，对应力分布有利，利用围岩承载，可减薄钢管壁厚。万一发生破裂事故，其后果较轻，但检查维修困难，要十分重视外压失稳问题。为了克服明管的缺点，有些工程采用了钢衬钢筋混凝土管代替明管，可以防止发生爆管事故。（2）坝内埋管与坝后背管的选择。坝后背管在我国发展较快，这种管型具有以下优点：①和明管相比背管最突出的优点是显著提高了管道的安全度，可以避免发生类似明管的脆性破坏。②和明管相比，不需考虑厂房的防冲问题，因而不需要修建事故溢洪道。③可采用容易加工、塑性好和厚度小的钢板。④和坝坡明管相比，抗震性能也比较好。⑤对于坝体断面布置管道受限，如管径大，采用坝内埋管有裂穿坝体的可能，或坝体采用碾压混凝土等，背管将是一种可行的选择。
2.2 管道线路
管道线路的选择是水电站设计中的一个重要阶段；线路总是力求短而直，以便减小水头损失，降低水锤压力。管道线路首先要考虑当地的地形、地质条件，以及各种天然和人造障碍物的影响。此外，还应符合枢纽总体布置要求以及施工、运输、安装等条件和运行安全方便的要求。管径可根据线路布置和内压变化自进水口起分段减小，但变径次数不宜太多。明管、坝内埋管、坝后背管以及水轮机前不设置进水阀的地下埋管，钢管首端必须设置检修闸门等设施。对于水轮机前设置进水阀的地下埋管，除了在管道首端设置必要的检修闸门外，还应根据工程具体情况决定是否在埋管首端设置事故阀门。操作装置必须有可靠电源。快速闸门和事故闸门下游必须设置通气孔或通气阀。紧靠快速闸门和事故阀门应设置充水阀或旁通管，并应满足钢管充水时间的要求。充水阀或旁通管的出水水流不得封堵通气孔下端孔口，通气孔上端孔口不应设在启闭室内，并应高于水库校核洪水位。
2.3 压力钢管的经济直径
压力钢管的根数确定后，每根钢管所通过的流量也随之确定，接着就要选择钢管的直径。显然，直径越小，钢材的用量及造价越低，但是管道中的流速越大，长期的水头损失也就越大。所以，钢管直径的选择是一个经济比较的问题。压力钢管的直径选择是确定其经济直径，即使系统年费用（或总费用）为最小的直径，目前尚无成熟的经济直径的通用计算公式。大中型水电站压力钢管的经济直径选择可以通过计算系统年费用（或总费用）予以解决。但对于小型水电站，由于设计资料不完备以及其他原因，无法进行系统年费用的计算，只能根据设计人员的经验确定压力钢管的直径，但往往达不到经济直径。因此，有必要探讨小型水电站，特别是引水式水电站压力钢管经济直径的选择方法。目前我国对小型水电站项目建设与否，应当根据项目的投资收益情况决定。压力钢管直径加大，则钢管的土建和金属结构造价增加；但同时会使钢管内的水流流速降低，水头损失减少，提高项目的收益。
总之，压力钢管设计对单个水电站经济效益的影响重大，对小型水电站压力钢管的设计不仅可以保证工程质量，也可以不同程度地提高工程的效益，需要设计人员认真对待。
参考文献
[1] 朱志坚.高强钢压力钢管制造安装过程中的质量控制.四川水力发电，2010（2）.
[2] 齐江鹏，李青.大型倒虹吸压力钢管安装监理质量控制.西北水电，2009（4）.
作者简介：丁鲜梅（1984-），女，河南虞城人，本科，新疆电力设计院助理工程师，研究方向：小型水电站。
关键词：压力钢管；水电；农村
中图分类号：TV 335 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2013）-06-0257-1
0 前言
压力钢管的设计是水电工程设计的重点环节，它对水电工程运行的平稳性和安全性，有着重要的意义。压力钢管是水利水电工程中的重要建筑物之一，它是一种薄壳结构，长期承受高压水作用。此外还要承受温度变化、支座沉陷、地震、放空时的外压力以及围岩作用，一旦破裂，将造成严重后果。压力管道包括管道钢结构本体、支承部分、人孔、伸缩节、通气设备、闸阀、土建部分和支墩基础。管道设有各种保护系统，以预防管壳破裂时事故扩大。管道结构还有一些相邻建筑物如防护墙、调压室、水轮机蜗壳等。因此，事先周密的考虑和妥善设计至关重要。
1 小水电压力钢管设计原则
压力钢管设计时，除了从工程的总体设计中了解钢管的基本任务和主要参数（例如需通过的流量、承受的水头、管道的总长度等）外，还要充分调查了解当地的自然条件，特别是管道通过地区的地形、地质条件（包括地震、滑坡、泥石流等）、气象、水质腐蚀等条件，以及制造、运输、安装条件、材料等，水电站的运行工况和总体布局等都会影响到钢管型式和结构的选择。压力钢管设计时需要遵循的基本原则如下：必须保证管道和整个水电站工作可靠，运行方便；力求降低整个建筑物的总造价；力求节省管道结构的金属材料；尽量减少水电站管道的水头损失；方便施工，使工程尽快投入运行；采用定型结构和构件，力求结构通用；规定预防结构腐蚀和磨损的保护办法；方便運输安装和维修。
2 小水电压力钢管设计注意事项
2.1 压力钢管选型
小水电站压力管材的选择，是设计压力水管的重要内容之一，管材的选择一般要根据工程的规模、管道的工作压力、输水距离的长短、工程的进度与重要性，以及工程所在地的地形、地貌、地质情况，进行技术、经济、安全等方面论证综合比较后确定。（1）地下埋管与明管的选择。对于引水式电站，一般在管型选择时多进行明管和地下埋管的比较。明管和地下埋管相比，各有其优缺点，而且一种管型的优点往往就是另一种管型的缺点。明管的主要优点是：在运行中可以方便地进行检查维护，必要时可更换。其次，它受力明确，结构分析成果较为可靠。埋管的主要优点是：钢管不受气温变化、冰冻、岩石滑动、雪崩、泥石流等的影响，钢管是连续支承在介质中，对应力分布有利，利用围岩承载，可减薄钢管壁厚。万一发生破裂事故，其后果较轻，但检查维修困难，要十分重视外压失稳问题。为了克服明管的缺点，有些工程采用了钢衬钢筋混凝土管代替明管，可以防止发生爆管事故。（2）坝内埋管与坝后背管的选择。坝后背管在我国发展较快，这种管型具有以下优点：①和明管相比背管最突出的优点是显著提高了管道的安全度，可以避免发生类似明管的脆性破坏。②和明管相比，不需考虑厂房的防冲问题，因而不需要修建事故溢洪道。③可采用容易加工、塑性好和厚度小的钢板。④和坝坡明管相比，抗震性能也比较好。⑤对于坝体断面布置管道受限，如管径大，采用坝内埋管有裂穿坝体的可能，或坝体采用碾压混凝土等，背管将是一种可行的选择。
2.2 管道线路
管道线路的选择是水电站设计中的一个重要阶段；线路总是力求短而直，以便减小水头损失，降低水锤压力。管道线路首先要考虑当地的地形、地质条件，以及各种天然和人造障碍物的影响。此外，还应符合枢纽总体布置要求以及施工、运输、安装等条件和运行安全方便的要求。管径可根据线路布置和内压变化自进水口起分段减小，但变径次数不宜太多。明管、坝内埋管、坝后背管以及水轮机前不设置进水阀的地下埋管，钢管首端必须设置检修闸门等设施。对于水轮机前设置进水阀的地下埋管，除了在管道首端设置必要的检修闸门外，还应根据工程具体情况决定是否在埋管首端设置事故阀门。操作装置必须有可靠电源。快速闸门和事故闸门下游必须设置通气孔或通气阀。紧靠快速闸门和事故阀门应设置充水阀或旁通管，并应满足钢管充水时间的要求。充水阀或旁通管的出水水流不得封堵通气孔下端孔口，通气孔上端孔口不应设在启闭室内，并应高于水库校核洪水位。
2.3 压力钢管的经济直径
压力钢管的根数确定后，每根钢管所通过的流量也随之确定，接着就要选择钢管的直径。显然，直径越小，钢材的用量及造价越低，但是管道中的流速越大，长期的水头损失也就越大。所以，钢管直径的选择是一个经济比较的问题。压力钢管的直径选择是确定其经济直径，即使系统年费用（或总费用）为最小的直径，目前尚无成熟的经济直径的通用计算公式。大中型水电站压力钢管的经济直径选择可以通过计算系统年费用（或总费用）予以解决。但对于小型水电站，由于设计资料不完备以及其他原因，无法进行系统年费用的计算，只能根据设计人员的经验确定压力钢管的直径，但往往达不到经济直径。因此，有必要探讨小型水电站，特别是引水式水电站压力钢管经济直径的选择方法。目前我国对小型水电站项目建设与否，应当根据项目的投资收益情况决定。压力钢管直径加大，则钢管的土建和金属结构造价增加；但同时会使钢管内的水流流速降低，水头损失减少，提高项目的收益。
总之，压力钢管设计对单个水电站经济效益的影响重大，对小型水电站压力钢管的设计不仅可以保证工程质量，也可以不同程度地提高工程的效益，需要设计人员认真对待。
参考文献
[1] 朱志坚.高强钢压力钢管制造安装过程中的质量控制.四川水力发电，2010（2）.
[2] 齐江鹏，李青.大型倒虹吸压力钢管安装监理质量控制.西北水电，2009（4）.
作者简介：丁鲜梅（1984-），女，河南虞城人，本科，新疆电力设计院助理工程师，研究方向：小型水电站。