混凝土岔管（精选6篇）
混凝土岔管 篇1
1 工程概况
华光潭一级水电站工程位于浙江省临安市的浙西大峡谷内, 电站装机2×30 MW, 发电引水建筑物按3级建筑物设计, 由进水口、引水隧洞、调压井、压力管道组成, 总长8 419 m, 所通过的地层为侏罗系黄尖组熔结凝灰岩, 并有花岗斑岩脉侵入。引水隧洞开挖洞径5.7 m, 衬后洞径4.9 m, 额定流量36.0 m3/s。由于是一洞两机布置形式, 须设置一个岔管将库水分别引入两台机组发电, 经过方案比选, 最终采用深埋在山体内的钢筋混凝土岔管。埋藏式钢筋混凝土岔管设计的关键问题包括:岔管位置的确定;岔管的体型设计;灌浆设计及围岩加固处理;对于大型工程还需进行安全监测设计、降低外水压力的排水措施等设计。
2 混凝土岔管位置的确定
2.1 岔管段地质条件
本工程岔管地段山体垂直厚约200 m, 围岩均为块状、坚硬的熔结凝灰岩, 未见断层, 节理裂隙较发育, 以近垂直洞轴、斜交洞轴陡倾角为主, 局部有平行洞轴中、陡倾角节理, 均为钙质及蚀变岩屑紧密填充, 洞室稳定～基本稳定, 为Ⅱ～Ⅰ类围岩, 地质条件较好, 适宜布置钢筋混凝土岔管。
2.2 围岩应力分析
通常情况下, 混凝土岔管的可行性及位置选择需要通过现场地应力测量或水力劈裂试验来确定。但华光谭水电站为中小型水电站, 不具备现场地应力测量或水力劈裂试验, 所以, 只能根据地质条件、“上抬理论”和“挪威准则”以及经验确定。本工程所在地区不存在大的地质构造运动, 地应力以围岩自重应力为主。根据华东地区同类地质条件实测地应力情况, 侧压力系数一般在0.55～0.8之间, 岩体侧压力系数取0.55, 岔管地段最小地应力可达2.8 MPa, 岔管承受最大静水压力为2.2 MPa, 最小地应力大于静水压力的1.2倍, 可见, 岔管地段的应力能满足岔管设置的应力要求。
2.3 岔管段位置复核
岔管位置主要依据“挪威准则”和地质条件确定。可利用岩面的最短距离采用以下公式[1,2]。
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式中:CRM为计算点至可利用岩面的最短距离, m;F为安全系数;β为山坡坡角, 度;γw为水容重, t/m3;γR为岩石容重, t/m3;hs为内水静水压力水头, m。
本工程岔管地段最小覆盖厚度为178 m, 调压井以下山坡平均坡度约32°, 岔管段承受最大静水头约220 m。计算式中, γw等于1.0 t/m3, γR等于2.6 t/m3。经复核计算, 安全系数F=1.78>1.1, 可见采用178 m的覆盖厚度, 能够满足规范中规定的安全性要求。由于本工程岔管段地质条件良好, 围岩抗渗性好, 无软弱夹层通过, 两侧山体雄厚, 满足钢筋混凝土岔管的布置要求。
另外, 从实际施工情况来看, 考虑到未进行水力劈裂试验和工程的重要性, 从安全角度出发, 在运用“挪威准则”和地应力经验值时, 设计应适当留有余度, 岔管位置不宜过多向下游移动, 以利安全。在运用“挪威准则”时, 地质构造是否有利, 围岩抗渗性能好坏, 比上覆岩体厚度大小更重要, 特别应注意有无走向平行于岸坡、倾向河谷的软弱构造。上覆岩体不仅要看纵剖面上的覆盖是否足够, 还要注意两侧山体是否单薄。
3 混凝土岔管体型设计
3.1 岔管尺寸及衬砌厚度
压力竖井后接钢筋混凝土岔管, 然后接两条压力钢管, 主管衬后洞径与竖井段一致, 为4.5 m, 支管衬后洞径2.5 m, 与压力钢管内径一致。岔管段采用C25W8钢筋混凝土衬砌, 衬砌厚度通过工程类比确定为1 m, 因此主管和支管开挖直径分别为6.5 m、4.5 m。
3.2 岔管体型设计
本工程岔管采用相对简单的对称“Y”型结构, 岔管相贯线部位特别是岔裆处应力较复杂, 为减小边界突变, 避免应力过于集中并使水流平顺, 在岔管转折部位均进行倒圆, 半径2 m, 裆部倒圆半径为50 cm。混凝土岔管体型应尽可能简单, 一方面有利于减小应力集中, 另一方面, 也有利于施工立模, 更容易保证浇筑质量。同时, 施工应采用光面爆破或预裂爆破开挖, 尽量减少对围岩的扰动[3,4]。
本工程岔管分岔角取60°, 在规范推荐的分岔角45°～60°范围内。分岔角大小应适中, 分岔角太小不仅会造成岔裆部开挖困难, 容易引起局部围岩失稳, 并且可能因为应力过分集中而发生岩爆。分岔角过大对水流流态不利, 也增加了开挖跨度, 不利于围岩稳定。广蓄一期、广蓄二期、天荒坪抽蓄电站分岔角均为60°。岔管宜做成平底结构, 施工和运行检修时洞内积水可自流排出, 不过施工立模略为复杂。本工程岔管平面布置见图1。
3.3 岔管配筋设计
本工程混凝土岔管采用《水利水电工程设计计算程序集》中的《埋藏式钢筋混凝土岔管结构计算》程序进行配筋计算, 岔管体型为对称“Y”型结构, 分岔角60°, 内水压力220 m, 外水压力按地下水位的0.2倍折减, 即50 m, 围岩单位弹性抗压系数取60 MPa/cm, 岩石坚固系数取5, 水容重取1.0 t/m3, 岩石容重取2.6 t/m3, 采用C20混凝土, Ⅱ级钢筋, 选取接近岔档部位断面计算。设计工况取:①正常运行工况 (内水压力+衬砌自重+围岩荷载+满水重+外水压力) ;②初次充水工况 (内水压力+衬砌自重+围岩荷载+满水重) ;③放空工况 (外水压力+衬砌自重+围岩荷载) 。
根据计算, 混凝土岔管段须配双层钢筋网, 配筋主要起到限裂作用, 内水压力主要由围岩承担, 按照最小配筋率配筋即可, 即Φ22@20 cm, 这也符合“透水衬砌”的设计原则。考虑到岔管段后紧接埋藏式压力钢管, 减少因内水外渗形成对压力钢管的外压至关重要, 因此对岔管段进行限裂设计, 当配外层环向筋Φ22@15 cm、内层环向筋Φ28@15 cm时, 最大裂缝宽度为0.092 mm, 纵向筋按结构配筋均为Φ20@20 cm。考虑到转角部位应力集中的作用, 在裆部内外层各增加6Φ32的钢筋, 在与主管相交的转折处内外层各增加4Φ32的钢筋。
从三种工况计算结果上分析, 初次充水工况最不利截面总弯矩为正常运行工况的2.01倍, 放水工况为正常运行工况的-1.13倍, 虽然上述工况弯矩的变化对配筋影响不大 (配筋由裂缝宽度控制) , 但初次充水和放空比正常运行不利, 充放水应严格按设计要求进行, 即初次充水不大于10 m/h, 放空不大于4 m/h。
4 灌浆设计及围岩加固处理
4.1 岔管段灌浆设计
钢筋混凝土岔管主要依靠岩体抵抗内水压力, 因此对围岩进行高压固结灌浆加固并形成预压增强其抗渗能力是非常必要的[5,6]。灌浆压力不宜低于该处1.1倍动水压力, 也不应高于该处最小地应力, 以免水力劈裂, 灌浆深度可取1～2倍洞径。本工程岔管段动水压力为2.9 MPa, 根据华东地区同类地质条件实测地应力情况推测, 岔管地段最小地应力为2.8～4.1 MPa, 最终灌浆压力取4.0 MPa。固结灌浆孔每排6个, 间距1.5 m, 梅花形布置, 采用分段灌浆, 固结灌浆孔先深入围岩2 m, 灌浆压力1.0 MPa;封孔7天后再进行二次扫孔灌浆, 深入围岩5 m, 灌浆压力4.0 MPa。固结灌浆后围岩透水率要求低于1 Lu。待衬砌混凝土强度达70%后进行回填灌浆, 回填灌浆在衬砌顶部120°范围内进行, 灌浆压力0.3 MPa。
4.2 岔管段围岩锚固处理
系统锚杆不但可加固围岩, 使混凝土衬砌结构与周边围岩形成一个受力整体, 同时可通过锚杆增加衬砌结构的抗外压能力[7]。如天荒坪抽蓄电站混凝土岔管, 根据计算衬砌厚度120 cm抗外压能力仍感不足, 而通过在衬砌和围岩间设置系统锚杆60 cm厚衬砌即可。本工程岔管段布置Φ28系统锚筋, 间距1.5 m, 深入围岩3 m, 并外露与衬砌混凝土内层钢筋网主筋焊接, 共同承担外水压力。
5 结 语
埋藏式高压钢筋混凝土岔管在中小型水电站中应用越来越多, 本文根据地质条件和“挪威准则”对华光潭一级水电站混凝土岔管选址进行了优化, 确定了岔管的体型, 衬砌形式和局部应力的处理措施。该程于2005年6月3日下闸蓄水, 2006年9月25日隧洞放空检查, 岔管段完好无损, 未见裂缝、混凝土剥离等, 只有个别灌浆孔因封堵不严产生滴水, 至今经过3年多的运行无异常现象, 混凝土岔管的设计是成功的。本设计可为类似中小型水电站混凝土岔管设计提供参考。
参考文献
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三里坪压力钢管岔管放样技术 篇2
关键词：压力钢管,岔管,放样,制作,安装
1 概述
三里坪电站为引水式地下厂房, 安装两台水轮发电机组, 采用一洞两机布置型式。引水隧洞由上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下平段 (1) 、下平段 (2) 、岔管段、支管段组成。引水隧洞上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下平段 (1) 采用钢筋混凝土衬砌管, 直径5.50 m, 洞长227.69 m, ;下平段 (2) 、岔管段、支管段采用压力钢管。压力钢管布置从下平段 (2) 上游端口处起始, 末端两支管与机组蝴蝶阀相连接, 压力钢管长约为70 m。钢岔管前钢管长20 m, 直径5.5 m, 钢岔管后支管长37.52 m。钢管共约40节, 压力钢管单节最大轴线长度为2.2 m, 单节最小轴线长度为1.6 m。
压力钢管总重量约250 t, 主管直径5.5 m, 岔管主管直径4.9 m, 支管直径3.2 m, 压力钢管采用16MnR钢材, 管壁厚度为20、24、3 mm;岔管采用16MnR钢材, 管壁厚度为32～36 mm (内加强板厚度为75mm) 。加劲环的间距约2.0～4.0 m, 采用Q345C钢材。在钢管首端设有2道阻水环。
2 岔管展开放样 (画图法)
2.1 岔管放样
从压力钢管布置图中截取岔管部分并取出, 旋转90°, 做上标记1#、2#、3#、4#等。岔管是由锥管、肋板 (梁) 焊接而成, 是一种板壳组合结构。1#、2#、3#为正锥管, 4#为经过变形后也是锥管。2个4中间夹的部分为肋板。这里着重介绍3#、4#的画图方法。图1为截取后的岔管内壁图, 放样时应取板中, 两边各放大半个板厚。
2.2 3#锥管放样
将3#锥管从岔管内壁图中取出, 两边各增加半个板厚, 以顶点M为圆心画出底圆直径, 并延长两边母线与底圆直径相交A、B点, 将母线沿相反方向延长并相交于O点见图2, 计算出直径AB的周长, 以O点为圆心, 以OA为半径, 计算出AB周长所对应的圆心角的度数见图3。在图2上画出附视图底圆, 并将底圆分成48等分, 并以第四象线为例, 做上标记1、2、3、4、………11、12。将附视图上的点投影至主视图AB上, 做上标记1’、2’、3’、4’、5’、………11’、12’。连接O至1’、2’、3’、4’、5’、………11’、12’, 与MC相交于1〃、2〃、3〃、4〃、5〃、………11〃、12〃, 将各交点投影至1-1’的延长线上, 量取O至1-1’延长线交点的距离 (见图2) 。
圆心角的计算:
其中:а—圆心角度数:
ι—圆心角所对的弧长:
r—半径:
画出圆心角40.5°的两条母线。在图2上以O点为圆心, 以OA长度为半径, 在图3上画出圆弧 (以两条母线的交点为圆心O, 取两条母线之间部分) , 并将此段圆弧平均分成48等分, 连接O至每个平分点距离, 在图2上量取O1〃、O2〃、O3〃、O4〃……O11〃、O12〃的长度, 在图3上依次找出在图2上所量的距离, 并连接这48点, 所得曲线为3#锥管外圆MCD曲线。在图2上以O点为圆心, 以OE为半径, 在图3上以O为圆心, 以图2的OE为半径画出圆弧, 为3#锥管内圆的曲线。详见图3。
2.3 4#锥管放样
从图1中将4#锥管取出来, 旋转, 大头朝下, 小头朝上。详见图4。
将图4 AB、DC边延长并交于一点M, 过M点做一条与DE平行线且与EA延长线交于N点, O点为直线MN的中垂线, 详见图5。
同样按照图2、图3方法可以画出图5多边形ABCDE的展开图, 详见图6。
2.4 注意事项
(1) 画展开图时平分点越多, 展开图的曲线就越标准, 工人尽可能多。
(2) 画图时多使用图层, 用不同的颜色来区别平分点, 会发现曲线越来越光滑, 焊缝间隙越来越小。
(3) 从锥管布料图看, 锥管使用的材料为16MnR, 钢板规格36 mm×1 800 mm×9 500 mm, 下料时两边均要增加18 mm。否则制作出来的岔管比设计时小。
4 结语
混凝土岔管 篇3
缅甸克钦邦太平江 (DAPEIN) 上游在中国境内称大盈江, 在八莫 (Bhamo) 附近汇入伊洛瓦底江。为开发缅甸太平江流域水能资源, 兴建卡隆卡 (KALUNGHKA) 水电站作为DAPEIN水电站施工电源电站。电站从太平江中游的支流卡隆卡河 (KALUNGHKA) 内引水, 电站尾水注入太平江, 水位落差约461.6 m。工程规模为小⑴型, 引水永久建筑物为4级。
水电站为无压引水隧洞与压力钢管相结合的引水冲击式水电站, 引用流量5.4 m3/s, 安装3台发电机, 电站装机20 MW。主要建筑物有:进口滚水坝、引水隧洞、前池挡水坝、有压进水口、露天引水压力钢管、厂房及升压开关站等。
引水压力钢管上游端口与进水口闸室门后锥管段相接, 末段与发电机组进水管相连, 采用单根主管引水, 在发电厂房上游附近设置两个岔管将主管分成三条支管分别向三台机组供水。主钢管外径1.4 m, 管内流速约4 m/s, 最大设计水头约550 m (含水锤值) 。主管全长约1 514 m, 支管长约23.5 m, 总工程量约850 t。
2 岔管形式的选择
从国内岔管的应用情况看, 过去多采用贴边补强式及三梁式岔管, 但随着PD值的增大, 贴边式岔管已难以满足工程的要求;而三梁式岔管由于其加强梁在结构上受弯为主, 受力非常不合理, 当岔管PD值很大时, 梁的断面尺寸急剧增加, 给设计、制作、安装都带来很大困难;而球岔由于成型困难, 需要整体退火, 故一般只用于高水头的小直径岔管。内加强月牙肋岔管是由三梁式岔管发展起来的一种新型岔管, 由于它具有受力明确、结构合理和制作安装简单等特点, 因此确定为本工程的岔管形式[1]。
由于该工程引水压力钢管内水压力较大, 管线较长, 设计工作周期较短, 因此, 采用武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室压力管道课题组编制的月牙肋岔管体形设计和有限元网格自动剖分程序, 优化设计了该工程的两个岔管, 为最终的工程设计提供可靠依据, 以便确保工程经济和安全。岔管体形结构优化程序框图如图1所示。
3 岔管体形设计成果
根据缅甸 DAPEIN (Ⅰ) 水电站工程施工电源电站压力引水管道的布置情况, 在已知主管进口直径、支管出口直径以及分岔角等的情况下, 采用上述计算程序中的体形结构优化设计模块, 适当选取岔管公切球半径和主支锥管的半锥角, 校核各管节之间的腰线转折角和腰线长度是否满足规范的基本要求。如不满足要求, 则重新设计, 否则画出岔管的基本轮廓线, 接着进行管壁厚度计算。如果相邻管壁厚度差超出规定要求, 输出其具体位置和警告语句;如满足要求则进一步进行肋板厚度和最大断面宽度的计算, 最后输出初步优化后的岔管体形和肋板尺寸设计成果。
岔管最终优化后的主要体形参数详见表1, 体形、关键点位置如图2所示。
4 管材及允许应力
卡隆卡两个岔管均采用Q390钢材, 其弹性模量E=206.0 GPa, 泊松比μ=0.3, 根据规范[3]规定, 如果屈强比大于0.7时, 就取0.7倍的抗拉强度作为屈服应力, Q390抗拉强度为490 MPa, 因此按此规定得到的屈服强度为343 MPa, 钢材允许应力见表2和表3。焊缝系数取φ=0.9。
5 钢岔管三维有限元分析
5.1 计算模型
该岔管有限元计算采用ANSYS软件, 计算基于以下基本假定:①结构材料符合线弹性假定且各向同性;②按明岔管设计。模型在主管和支管端部取固端全约束, 为了减小约束端的局部应力影响, 主、支管段轴线长度从公切球球心向上、下游分别取最大公切球直径的1.5倍以上。
月牙肋钢岔管管壳网格剖分全部采用ANSYS中四节点板壳单元, 月牙肋由于厚度较厚, 为分析肋板Z向 (厚度方向) 的应力情况, 故采用八节点实体单元模拟。直管或锥管段沿圆周划分成36等分, 为了提高建模工作的效率, 在优化后的体形基础上利用上述计算程序中的网格自动剖分模块进行网格剖分, 并将自动剖分所得到的节点和单元信息按照有限元前处理格式输出, 并读入有限元计算程序中, 根据该工程相应的允许应力校核岔管应力, 如不满足要求, 则不断地调整各管节厚度及肋板厚度, 直至满足要求, 并最终选用调整后的管壁厚度和肋板厚度, 调整后的管壁和肋板厚度见表1。
有限元模型建立在笛卡尔直角坐标系坐标 (X, Y, Z) 下, 坐标原点位于主锥管与支锥管公切球球心处, XOY面为水平面, 竖直方向为Z轴, 向上为正, 坐标系成右手螺旋。
5.2 荷载及计算工况
设计时考虑以下2种工况:① 正常运行工况:最高设计内水压力P=5.5 MPa (静水压力+全部机组丢弃负荷水锤) ;②水压试验工况:水压试验压力为1.25倍设计压力, 即P=6.875 MPa。
5.3 计算结果分析
由于钢岔管往往在母线转折处出现应力集中, 因此根据计算, 整理了图1所示各关键点的Mises应力 (即合成应力) , 两个岔管的Mises应力值列于表4。根据规范[3]的规定, 钢岔管的合成应力应满足以下条件:
由计算结果及表4可作如下分析:
(1) 在满足允许应力及经济的条件下, 两个岔管所选管壁厚度是合适的。从应力分布看, 管壳膜应力区主要发生在直管段, 应力水平不高; 肋旁管壳受刚度较大的肋板的约束影响, 应力水平不高, 这说明肋旁管壳区从应力大小来看不是岔管最薄弱的环节;钢岔管管壳部分 (包括主支管的基本管节和过渡管节) , 各管节折角处应力较大, 最大Mises应力出现钝角区母线转折处, 与直管节处应力比较, 应力集中现象不严重, 应力分布均匀, 说明岔管体型设计比较合理。
MPa
(2) 月牙肋板最大应力出现在最大横截面内缘处, 且内缘应力明显大于外缘应力, 说明内加强月牙肋岔管要做到肋板轴心受拉是比较困难的, 但仍然明显好于三梁岔管。
(3) 水压试验工况下, 由于闷头产生的轴向水压力作用, 肋板最大截面上应力分布比运行工况更均匀, 最大应力值减小;管壳仍然在母线转折处产生一定的应力集中, 但数值上都小于各自的允许应力, 说明岔管设计符合设计要求。
6 结 语
分岔管是一种由薄壳和刚度较大的加强梁组成的复杂空间组合结构, 受力状态比较复杂。由于钢岔管各管节折角处容易产生应力集中现象, 应力值往往较大, 钝角区应力往往是决定管壁厚度的控制值, 因此在设计岔管体形时, 要不断地调整各管节腰线转折角, 使应力分布均匀, 岔管体型设计合理。本文在研究过程中, 采用自己编制的计算机辅助设计程序, 对卡隆卡电站分岔管进行体形优化, 使得以上区域应力集中现象得到较大改善, 在正常运行工况和水压试验工况下, 两个岔管的应力都满足要求。同时, 最大管壁厚度为32 mm, 与直径的比值为2.3%, 分别小于规范规定的36 mm和t/d值为2.5% (Q390钢) , 可以满足钢材冷加工的要求。
摘要：根据卡隆卡水电站的工程规模和特点, 选用内加强月牙肋钢岔管, 利用自行编制的计算机辅助设计程序进行岔管体形的优化设计, 并采用三维有限元法对所设计的岔管进行计算分析。计算结果表明, 经过优化设计的钢岔管结构安全、合理, 不仅可以满足运行要求, 而且使最大管壁厚度减小为32 mm, 与直径的比值为2.3%, 分别小于规范规定的36 mm和t/d值为2.5% (Q390钢) , 可以满足钢材冷加工的要求, 解决了高水头、小直径钢岔管加工工艺上的困难。
关键词：月牙肋岔管,体形优化,计算机辅助设计,施工工艺
参考文献
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混凝土岔管 篇4
1 工程概况
某电站发电引水洞及电站地面厂房布置于右岸。由进口引渠、闸井段、发电引水洞、调压井、岔管段和水电站厂房组成。采用一管四机的布置方式,装机容量220 MW,装机4台(2×80 MW+2×30 MW)。设计引水流量365.62 m3/s,最大水头78.8 m。其中进水口为岸塔式,发电洞是内径为11 m的圆形断面,长604 m。调压井布置在低压引水洞末端,为阻抗式,阻抗孔为圆形断面,直径为4.5 m,井深40.222 m。主管接岔管,采用一管四机的布置型式,通过3次分岔,将1根主管分为4根支管接入主厂房内。1#～3#岔管型式采用卜形月牙肋岔管。1#岔管前设渐变管,内径由10.0 m渐变为9.0 m,1#岔管主管内径9.0 m,1#、2#的支管内径为3.2 m,3#、4#的支管内径为5.2 m。
肋板与管壳的相交线为椭圆,称为相贯线,肋板外缘为与相贯线同心平行的椭圆曲线,内缘为抛物线。肋板腰部外缘与相贯线之间的距离为肋板的外伸宽度,初步定为100 mm。肋板结构图如图1所示。
2 计算模型
2.1 材料特性
(1)钢岔管材质:本工程水头值并不很大,且岔管最初设计考虑采用埋藏式布置,计算拟考虑采用Q390C钢材。钢材弹性模量Es=2.06×105MPa,线膨胀系数αs=1.2×10-5/℃,泊松比μs=0.3。
(2)围岩:围岩为4级,弹性模量Ed=46.2(GPa,单位弹性抗力K0=35～40 MPa/cm,膨胀系数αd=1.0×10-6/℃,泊松比μd=0.25。
(3)钢材力学性能见表1。
2.2 运行工况
(1)流量:4台满发的(Q=360.46 m3/s;大机组发1台的(Q=130.89 m3/s;小机组发1台的Q=49.34m3/s。
(2)内水压力:净水头(考虑调压井最高涌浪水位)92 m;设计内水压力水头(加水锤压力)118.4 m;水压试验压力水头130.3 m。
2.3 有限元模型
本文以1#岔管为例,分岔角70°,主锥、支锥各由3节锥管过渡,岔管的设计内水压力1.18MPa(包括调压室最高涌浪水位+压力钢管的水击压力),与1#岔管相连接的主管内径9.0 m,1#岔管公切球内半径5.269 m,与1#岔管相连接的主支管内径8.0 m,支管内径3.2 m。月牙肋岔管分岔角宜用55°～90°,钝角区的腰线转折角以10°～15°为宜,主锥管腰线转折角以10°～15°为宜,支锥管腰线转折角以不大于20°为宜。1#岔管结构图如图2所示。
对1#岔管结构离散划分有限元单元,共产生1 720个单元,4 442个单元结点,岔管整体和肋板单元划分如图3所示。
为了整体了解1#岔管及肋板的应力分布情况,给出1#岔管(肋板厚度为60 mm,肋宽比为0.30)及肋板的最大等效应力。岔管管壳应力控制点如图4所示,肋板主要应力控制点如图5所示,其计算结果如表2所示。PO、DO表示管壳PO、DO线上的峰值应力。KO21表示肋旁管壳21#一侧的峰值应力,K031同,K21表示岔管裆部肋旁管壳21#一侧K点应力。
3 结论与建议
(1) 1#岔管主管一侧由于管径大,应力最高,A、B、C、D点应力集中程度高,其膜应力值高于管壳其他腰线转折部位,因而在结构优化过程中应考虑降低这些点的应力集中程度,并尽可能使其均匀化。1#岔管顶点O点附近DO、PO,K021、K031线上高应力区及裆部K31点中面膜应力不高,但峰值应力较高,且其部分峰值应力已超过Q390C钢材的抗拉强度,应考虑降低该处的峰值应力。
(2)肋板由于1#岔管结构左右不对称,肋板承受侧向弯曲作用,沿厚度方向应力不相同。由于肋板厚度过薄,肋板腰部内缘LB1点应力较高,而改变肋板厚度或肋宽比会显著影响肋板特别是肋板腰部的应力,后续结构优化应考虑。
(3)岔管的各个腰线转折处和肋板内缘是设计必须关注的应力控制部位。为使各控制点处应力相对均匀化,在第2主曲率半径大的腰线转折部位取较小的折角有利于降低该处的应力集中程度。而且随着管壁厚度的增加,管壁应力也会降低,但是肋板应力变化不大,说明管壁厚度变化对肋板应力的影响不大。然而增加管壁厚度会增加岔管的加工制作成本和难度。
(4)受到肋板的加强约束,岔管顶点处的应力并不高,相对腰线转折处和肋板腰部内缘处,该处不是岔管设计的关键应力控制部位,但由于其峰值应力较高,岔管的结构优化过程需关注该部位应力的变化情况。
(5)对于非对称的月牙肋岔管,其水流条件不利,为减少水头损失,肋板的肋宽比不宜过高,从计算角度控制在0.26,但考虑到肋板有拼接焊缝,过于单薄狭窄的肋板在焊接时易产生扭曲变形,建议适当增加肋宽比,肋板的肋宽比取值可在0.27～0.28。
(6)本工程岔管平面结构形式为卜形,结构不对称,岔管在裆部存在不对称的侧向弯曲应力,由于该处及其附近拘束度大,焊接困难,需特别关注,避免产生焊接开裂。
参考文献
[1]SL 281—2003水电站压力钢管设计规范[S].
混凝土岔管 篇5
一、项目简介
龙江水电站压力钢管分为一条主管和四条支管, 主管和支管之间通过月牙肋钢岔管和弯管相连。其中1#岔管长度为20.62m, 最大宽度为15.63m, 共有8个单节组成, 总重263.3吨 (含月牙肋重量) 。单节最大直径为φ12.8 m, 是目前国内直径最大的月牙肋岔管, 由70多个瓦片组成。岔管用材料为Q390C高强度低合金调质钢, 板厚40mm, 母材屈服强度400-410MPa。月牙肋钢板厚度为72mm。岔管的焊接方法为手工电弧焊, 焊条采用大西洋焊材公司生产的CHE507, 融敷金属的屈服强度420MPa。岔管的焊缝有环缝、纵缝、邻近月牙勒的角缝, 环缝Y型坡口, 纵缝X型不对称双面坡口, 角缝V型单面坡口, 钝边2mm, 55-50°±5°;根据现场条件制定相应的爆炸施工工艺及组织方案。
二、爆炸施工前的准备
1. 场地布置及安全措施
现场实施爆炸处理前, 需详细勘察爆炸区周围的地形环境。根据现场实际条件, 合理布置作业区、引爆点、警戒区、安全区位置。按照人员和设备的爆破安全距离经验计算公式, 对建筑物玻璃的安全距离 (Rm) :Rm=k Q1/2, Q—装药量, 单位kg;k—与装药条件和爆破程度有关的系数, 可取10m;对人员的安全距离 (Rh) :Rh=25Q1/3, 按每次最大装药量为3kg计算, 则对建筑物的安全距离Rm为18m, 对人员的安全距离Rh为36m。当在构件内部进行爆炸时, 上述距离可以适当减少。
特别注意附近的厂房玻璃等易碎品在多次冲击波作用下, 可能出现松动和脱落避免发生不必要的事故。爆炸处理前应通知并警示现场附近的生产和施工单位做好防护措施, 合理地选择错开作业高峰期, 避免造成不良影响。爆炸施工是特殊作业, 需要与当地公安机关联系购买爆炸物品事宜, 按规定准备好各种炸药购买、存放和施工的所有相关手续。在实际爆炸处理前, 应针对购买的炸药和钢岔管的结构形式进行必要的爆炸工艺确认, 确定具体的工艺参数, 提前备好焊接试样需要的材料及器具。
2. 爆破工艺的试验评定
试验采用钢岔管相同的钢板材料、坡口形式、焊接工艺、焊条规格型号、焊角焊缝大小焊接。焊接前利用履带式加热器对焊缝两侧100mm进行100~150℃的焊前预热;分段多层焊接, 每段每层焊接完毕后, 立即采用CH6型风铲进行“锻打消应”处理;焊缝完成后用加热片后热, 消氢温度为200~230℃, 保温一小时后慢慢冷却。严格依照钢岔管制作时实际条件与工况进行。
试板450×500×40mm外形尺寸, 对接焊缝、环缝、角缝要分别制作试样, 条件允许时制作两套, 分别进行标识编号。采用KJS-3+型压痕应变法应力测试设备, 无损压痕应变法测量残余应力, 以避免损伤构件表面, 压痕直径约1.1mm, 压痕深度0.2mm。测应点位于试板中心部位焊缝表面上分布两点, 垂直方向分布4点, 分别检测焊缝方向与垂直于焊缝方向的双向应力值。测量时将应变片的两向应变栅分别沿着和焊缝平行及垂直方向粘贴, 打击压痕后获得应变输出值, 按照相应公式自动计算出残余应力大小。对上下面、爆炸前后测得的残余应力值列表比对, 应力实测的结果应能达到设计提出的要求, 即爆炸后的残余应力应能降低50%以上, 最大剩余应力应不超过被测材料屈服强度的50%。达到预期效果后的爆破工艺再用于钢岔管的实际作业。
三、爆破施工控制要点
1. 炸药及使用量
本次爆炸处理由于工程地点的特殊性和工程的紧迫性, 不能采用常规专用特种橡胶炸药异地运输, 只能因地制宜采用当地购买工业导爆索作为爆炸用药。根据以往工程经验和爆破工艺试验, 不同的钢板厚度, 采用不同的药量, 确定每米焊缝用药量80~120g。炸药爆速范围6500~7500m/s。在药条与钢板之间事先布置防烧蚀缓冲垫后, 爆炸处理的用药总量为35kg, 需要瞬发电雷管40支。
每次引爆的炸药用量:一次爆炸焊缝长度为15~20m, 一次用药量最大不超过3kg。两次爆炸处理的接头处理:为防止漏炸, 两次爆炸处理之间应有100~200mm的重叠段。
2. 药线布置与爆破顺序
在粘贴药条和防烧蚀垫之前, 应彻底清除焊缝附近的水渍、油污和灰尘等, 保证炸药和衬垫贴紧钢板表面。使用电雷管引爆炸药, 雷管头部不得直接对着钢板, 以防烧伤钢板。雷管应背对钢板, 并包在药条中, 离开钢板的距离为100mm左右。药条布置原则:为获得合适的消除应力效果, 同时避免结构产生宏观变形。以焊缝为中心对称布置。
岔管爆炸作业顺序 (见右图) 。10月30日, 第一次燃爆中午时间12:30至13:00, 内部Z2缝及临近纵缝, 外侧J1、J2交接缝及Z1缝;第二次燃爆中午时间18:30至19:00, 内部Z1、J1、J2及肋板角缝, F1-1、F1-2缝及相邻纵缝。
10月31日, 第三次燃爆中午时间12:30至13:00, 内外部F2-1、F2-2及相邻纵缝;第四次燃爆中午时间18:30至19:00, 外部F1-1、F1-2缝及相邻纵缝, 外部Z2缝及相邻纵缝。
爆炸作业必须按顺序进行, 不得漏炸。同一场所用两支以上雷管引爆时, 应使用同一批次瞬发雷管同时引爆。爆炸以后应认真检查, 发现是否存在拒爆或被冲掉等情况, 如有应及时补贴炸药重炸。
3. 过程中安全控制
爆炸消除应力处理不同于一般的热处理, 其主要特点是焊缝的分段、多次爆炸。每次爆炸时产生的冲击波可能对邻近的人员和设备产生一定的影响, 所以在实施爆炸处理过程中, 焊缝布药时现场附近的各类人员可以在一定范围小心交叉作业, 但引爆瞬间其它近距离人员必须撤离现场。
爆炸施工的进度主要受现场条件制约。理论上, 每小时可处理焊缝10m左右, 考虑到炸药的准备、现场的工作交叉等因素, 有时爆炸作业只能安排在中午休息或晚上进行。当然, 根据现场施工条件, 两台岔管的爆炸作业也可以交叉进行, 以保证整体施工进度的实现。
每次爆炸前与现场有关单位联系, 通知警戒范围、警戒标志、警戒信号以及施工开始与结束的时间。爆炸时的人员安全距离为30米, 爆炸时警戒半径50米。爆炸后及时派安全员检查效果, 检查有无爆炸残留物。所有作业人员进入现场必须戴好安全帽, 穿防滑鞋。施工现场严格禁止动火、吸烟。若需夜间作业, 照明光线要充足, 以保证作业质量和安全。雷雨天、环境温度低于0℃禁止进行爆炸作业。
四、消除应力效果的验证
依据 (GB/T26078-2010) 中的爆炸处理效果的评定要求, 按10%~20%的数量抽检。测试结果作为此类构件爆炸处理的验收依据。爆炸处理前后应在相似的典型部位进行应力测试。典型的部位包括处理表面的对接焊缝、安装焊缝等。每条环缝不少于一个点, 纵缝不少于一个点, 靠近裤衩部位焊缝部位适当增加, 月牙板不低于六个。依据现场的具体情况适当调整测点位置。下面对钢岔管的几个典型部位爆炸处理后的残余应力进行比对, 以此说明其处理效果 (见下图) 。
混凝土岔管 篇6
关键词：水压试验,设计温度要求,加温措施,防风防雨防雪棚
1 概况
内蒙古呼和浩特抽水蓄能电站所采用的两个引水高压钢岔管的体型尺寸、所用材料、工作状态等完全相同。岔管采用对称“Y”型内加强月牙肋结构, 主管直径4.6m, 支管直径3.2m, 最大公切球直径5.2m, 分岔角70°, 岔管最大外形尺寸约为6.07×7.10×5.51m。设计内水压力9.06MPa, 采用790MPa级宝钢厂生产的B780CF钢材制造, 岔管本体由6节和1个月牙肋构成, 管壳厚度为70mm, 岔管月牙肋厚度为140mm。
2 控制措施
2.1 水温控制措施
内蒙古呼和浩特抽水蓄能电站2#高压钢岔管水压试验, 于2012年11月9日凌晨00:37开始, 按照设计单位要求, 水压试验时环境温度和试压水温都应在5℃。但钢岔管水压试验阶段, 正处于呼蓄现场降温阶段, 全天平均温度在-11℃左右, 全天最低温度为-20℃, 在这种恶劣的自然条件下, 正常的施工作业完全没有办法实施, 由于工地条件的限制, 业主单位也没有为我们建设施工厂房进行施工, 只有我们自己利用简单的彩钢瓦和防雨布制作了简单的防风防雨棚, 保证雨雪天气的正常施工, 但这远不能达到水压试验所规定的环境条件。为满足高压钢岔管水压试验能按照设计要求顺利进行, 我们积极采取有效水压试验温控措施, 以确保钢岔管水压试验能顺利平稳安全的完成。首先就考虑水压试验过程中的注水温度的控制, 具体措施如下:
如上图1图所示, 我们自主设计的水温加热装置, 其设计思路就是参考了现在很常见的家用即热热水器原理及工作特点:不需预热, 无需等待, 随时都可以用上热水。一般市面上的即热式电热水器普遍功率较大, 用时只要打开水龙头, 数秒中便可有温度适宜的热水供应, 十分快捷方便。但我们选择的加热棒的功率还要远大于家用的, 一般家用的即热热水器的功率在6~8k W, 可以保证热水温度在42℃左右, 但其输出的热水量仅为2.5L左右。显然这种出水量难以满足水压试验钢岔管近150m3的容量要求, 我们设计的水温加热装置的水箱容量为0.27m3, 我们按照这一比例进行计算, 设计了五根加热棒, 每根加热棒的功率为12k W, 整个水温加热装置所用的加热棒功率加起来总和为60k W, 可以将我自主设计水箱内的即热温度预留在30℃左右, 也满足了正常的室温要求, 而实验结果也正如我们所预期的那样, 注水温度达到了27℃。当然我们这个装置的安全性能, 也是我们一个重要考虑环节, 在容积为270L的金属箱子里面装置60k W的加热棒, 很可能会烧毁线路, 很可能会使水箱的水温过热 (如果不及时排水, 或给水量不足的情况下) , 以妨碍我们水压试验的正常进行, 我们派专职人员, 时刻对温控箱表面温度进行检测, 一旦发现温度过热, 就立刻断电检修, 幸而整个实验过程, 均没有出现类似事件。整个装置的使用性能也得到了实验验证, 也为我们今后在恶劣的低温条件下进行水温控制提供了可取借鉴。另外我们还在取水管外表面均包裹上保温橡胶海绵 (如下图2所示) 。
通过这一措施, 我们做过实验表明, 基本可以保证从水压试验供水处引出的水到水温加热装置处的水温基本保持不变, 在5℃左右, 但最重要的是, 我们可以预防在极端低温的外部环境中, 细内径小流量的取水管在室外结冰冻结不能正常工作, 耽误水压试验进度及岔管交货进度。经过我们采用的双层温控措施以后, 高压钢岔管水压试验注水水温温度在27℃ (如下图3所示:为钢岔管水压试验注水水温测温仪) 。
2.2 环境温度控制措施
在环境温度控制方面, 搭设彩钢结构防风、防雨雪棚, 外面包裹上防雨油布, 保证棚子不透风、不透雨、不漏雪, 处于一个封闭式状态, 以便于整个棚内的环境温度能得到控制, 将外部恶劣的自然环境隔开。为了能够将棚内的环境温度提高到适宜温度, 我们同时在搭好的防风棚内的岔管底部平台上铺上6组加热板 (6*6=36块) , 棚子顶部设置9块加热板, 一共45快加热板, 对水压试验施工环境进行提温, 棚内上下各布置1块测温计, 在这种条件下, 底部环境温度稳定在12℃, 顶部离加热板更近, 测量温度在20℃, 通过这一措施已经满足了水压试验对环境温度的要求。为防止长时间工作, 导致加热板过热烧坏, 我们购买了热电偶, 使得环境温度可以设置在一个数值上, 方便我们对环境温度进行控制, 同时又可以避免加热板不间隙工作, 导致电路疲劳工作引起线路烧毁, 更让造作人员减少控温工作量。同时安排维护电工定时检查电路安全状态, 保证水压试验全过程的环境温度控制环节不出现故障。
3 结束语
我们通过上述几项温度控制措施, 保证钢岔管水压试验时的环境温度及水的温度满足设计要求, 从而保证了钢岔管水压试验得以顺利进行。
参考文献
[1]DL/T 5017-2007[M].中国电力出版社, 2007.