莲花河水电站压力明管强度复核计算分析
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇莲花河水电站压力明管强度复核计算分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
一、工程概况
莲花河水电站枢纽工程由水库大坝、引水系统、发电厂房及升压站等组成。大坝为浆砌块石单曲拱坝，坝址以上集雨面积42km2，最大库容230万m3，是一座以发电为主的小（Ⅰ）型水库水电站。引水系统总长约1365m，其中隧洞总长1315m，开挖断面2.2m×2m，压力明钢管总长50m，内径1.2m，管壁厚度从钢管进口的6mm（伸入洞内，为钢筋混凝土埋管）变至8mm（水平段，为明管）。厂房面积9m×12m，内安装一台1280kw水轮发电机组。为了增加发电效益，降低工程造价决定将原坝体加高6.8m（即：由原23.2m增高至现30m，已经过设计复核），增加水电站最大发电静水头至82m，比原增加6.8m。同时取消隧洞末端调压井(还未施工)，使得水击压力又有所增加。压力钢管的运行荷载较原设计发生较大变化，需要进行强度复核以验算原设计钢管水平直管段承载能力能否满足工程的安全运行的要求。
二、压力明管复核方法的选定
（一）、水平直管段1、复核方法
按第四强度理论即形状改变比能理论并按平面问题计算复核压力钢管管壁应力，其表达式为： 式中：、、、、分别表示焊缝系数、轴向正应力、环向正应力、剪应力、相应计算工况允许应力（N/mm2）。
2、计算部位的选择
根据明钢管的受力特点，计算钢管直管段应力时，选取四个部位：跨中(断面1―1)、支承环旁膜应力区边缘(断面2―2)、加劲环及其旁管壁(断面3―3)、 支承环及其旁管壁(断面4―4)，如下图所示：
3、应力组合。①跨中断面应力组合有、、， 环向应力轴向应力由两部分组成，一部分由轴向力引起的轴向应力，另一部分由管重和管中水重的法向力引起的轴向应力。上式中：―均匀内压包括静水压力和水击压力；―水管半径；―钢管壁厚；H―计算水头(至计算截面中心)；、―分别表示管轴线倾角、环向任意点与管顶半径的夹角；―作用在钢管上所有的轴向力的总和；―管重和管中水重作用下的连续空心梁弯矩，以管底受拉为正。②支承环旁管壁膜应力区边缘，断面应力组合有、、、，其计算式；其环向应力、轴向应力计算式同上。式中：―管重和水重法向分力作用下的连续梁剪力。③加劲环及其旁管壁断面应力组合有、、、、、(=)。环向应力；其轴向应力增加一项局部轴向应力；其余方向应力同上。式中：―加劲环净截面面积与有效截面面积的比值。④支承环及其旁管壁，断面应力组合有、、、、、、、(=)，其中管壁应力、、、、的计算均同③，附加应力、。式中：―支承环横截面上的轴力；―支承环有效截面积；―支承环横截面上的弯矩；―支承环有效截面对重心轴的断面矩。
（二）、进人孔、伸缩节校核部位选择及应力部位
1、复核方法
采用第一强度理论即最大拉应力理论。其表达式为：；为材料的允许拉应力，为极限拉应力，为安全系数。
2、进人孔与伸缩节校核部位选择及应力（1）进人孔。为便于钢管的安装、检修，一般需在进口和出口部位设置进人孔，进人孔的钢板厚度一般与邻近直管管壁厚度相同或略厚。因此，在复核强度时，可只复核进人孔盖板周围的螺栓抗拉强度是否满足要求。其计算方式如下：①受力计算：作用于螺栓上的力有内水压力、水击压力和橡皮止水环安装压力。 ；。式中：―内水压力；―进人孔盖板内缘直径：―进人孔盖板外缘直径；―压强比，安装压力与的比值，取1.25。②螺栓应力计算：。式中：―螺栓个数；―每个螺栓计算面积。（2）伸缩节。由于伸缩节为单套管伸缩节，计算时选取相对薄弱的压环进行强度复核，作用在压环根部的力近似地可表示为：。式中：、―分别表示压环法兰螺母内边缘、外边缘直径。计算出作用力后，按偏心受压公式：（式中：、―分别表示的弯矩、压环抗弯截面模量），即可求得压环内外缘应力。（三）、管壁厚度复核因明管仅受内水总压力的作用，即以内水总压力与管壁的环向拉力相平衡，建立平衡方程。根据平衡条件，由内水总压力引起的管壁环向拉力为（式中―钢管内总水头，―钢管直径，―水的比重），则管壁环向拉应力为。根据钢管应力应小于材料允许应力的条件，即管壁厚度估算值。考虑焊缝的强度降低，允许应力应乘以焊缝系数，单面焊时取0.85。此外，考虑锈蚀、磨损及钢板厚度误差，管壁厚度再加上2mm，即。
三、作用在钢管上的荷载分析
根据本工程实际运行条件，作用在压力明管上的计算荷载按作用力方向可分为径向荷载、垂直管轴向荷载、平行管轴向荷载。其中径向荷载主要为内水压力；垂直管轴向荷载有钢管自重和管内水重分力；平行管轴向荷载有伸缩节端部的内水压力、弯管上的内水压力及离心力、渐缩管上的内水压力、钢管结构自重分力、关闭阀门及闷头上的力、温度作用力等。
计算出各种荷载标准值后乘以相应的荷载分项系数即为设计荷载值。以上除水击压力外，其它荷载均可直接求得，因此只简要分析管道内的水击压力计算方法进行。（1）首先确定水击波传播的速度。
水击波的传播速度与管壁材料、厚度、管径以及水的弹性模量等有关。其传播速度可表示为： 式中：―声波在水中的传播速度，取1435m/s；―水的体积弹性模量，取2.1×103MPa；―表示管道半径；―管道的抗力系数。 根据以上公式可以求出不同介质中的水击传播速度，则在管道中的平均波速。式中：、分别表示同种管道长度、串联后管道总长。（2）确定水击形式。水击的产生形式有直接水击和间接水击。间接水击是指当阀门关闭过程结束前，水库异号反射回的降压波已到达阀门外，即，这种水击称为间接水击。第一相水击按下式计算：。式中:、-管道特性系数，，，经计算，本工程不发生第一相水击。 （3）水击计算。按以下公式计算极限水击：，若产生的水击为末相水击（极限水击），则按下式计算水击增加值： ，则，，式中字母意义同上。
四、结语（1）按上述结构力学方法对莲花河水电站压力明管进行了直管管壁、进人孔、单套管伸缩节强度复核计算。发现镇墩间直管管壁支承环及加颈环局部最大应力均大于跨中断面应力，这说明在受力基本一致的情况下，由于支承环和加颈环处管壁变形受到约束产生了较大的局部应力，且部分支墩处的支承环处管壁应力，需要加大管壁厚度以满足强度要求。同时按锅炉公式（mm），对上述支承环处管壁进行厚度校核，可知管壁厚度也不能满足要求，也需要加大管壁厚度以满足强度要求，而其它部位当按强度复核时，能满足强度要求。（2）按以上计算、复核结果，对钢管进行加固处理，加大了钢板厚度，经过压水试验和半年的运行，其效果满足工程安全运行要求。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。