水电站压力钢管设计规范

水电站压力钢管设计 ICS27.140P50备案号:J147—2002 中华人民共和国电力行业 P DL,T 5141-2001 水电站压力钢管设计规范 Specifications for design of steel penstocks of hydroelectric stations 编写单 国家电力公司西北勘测设计研究 位: 院，国家 电力公司昆明勘测设计研究院，武 汉大学 批准部 中华人民共和国国家经济贸易委员 门: 会 批准文 国家经贸委 2001 年第 31 号公告 号: 2001-12-26 发布 2002-05-01 实施 中华人民共和国国家经济贸易委员会 发布 前 言 原电力工业部水电水利规划设计总院，按照原电力工业部技综 44〔1995〕 号文《关于下达 1995 年制定、修订电力行业标准项目第二批的通知》，下达水电规科〔1997〕0023 号文《关于水电站压力钢管设计规范修订任务的函》，本规范是根据该文件的要求组织修订的。其目的在于适应水电建设发展的需要，结合高水头、大直径压力钢管的实践，以及新管型、新结构、新材料、新工艺采用的成功经验， 对 《原水利电力部 1985 年 4 月颁发的 SD144—1985 水电站压力钢管设计规范试行》进行修订。 本规范在修订过程中，主编单位会同协编、参编单位开展了细致的专题研究，调查总结了近年来大中型工程实践的经验教训，在全国广泛征求了有关设计、施工、运行、科研、教学单位及管理部门和专家的意见，于 1999 年初提出征求意见稿、2000 年 6 月提出送审稿，并于2000 年 11 月在西安由国家电力公司水电水利规划设计总院组织审查。根据送审稿审查会议纪要要求于 2001 年 4 月完成报批稿。 本规范为推荐性行业标准，替代 SD144—1985。 本规范应与 GB,T 50199—1994《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》以及按其要求制订的其他水工结构设计规范配套使用。 本次修订的主要内容为:根据 GB,T 50199—1994 的原则和要求，将规范基本设计原则按可靠度理论和分项系数表达式进行“转轨、套改”;扩大规范的适用范围，增补坝后背管的布置形式、结构计算及构造要求等条文和附录;推荐新钢种并列出主要指标;增补抽水蓄能电站管道水力计算的特殊要求;其他如模型试验、原型观测、伸缩节等方面的成熟经验，本规范也作了适当增补和修改。 本标准的附录 A 是标准的附录。 本标准的附录 B、附录 C、附录 D、附录 E、附录 F、附录 G、附录 H、附录 J 都是提示的附录。 本标准由国家电力公司水电水利规划设计总院提出、归口并负责解释。 本标准负责起草单位:国家电力公司西北勘测设计研究院、国家电力公司昆明勘测设计研究院。 本标准参加起草单位:武汉大学土木建筑工程学院原武汉水利电力大学建筑工程学院。 本标准主要起草人:傅金筑，古瑞昌，干 城，侯建国， 诸葛睿鉴，黄 伟，蒋锁红，何英明，刘兴宁，孙君实，安旭文，傅少君。 目 次前 言1 范围2 引用标准3 总则4 术语、符号5 一般管段布置 5.1 一般规定 5.2 明管 5.3 地下埋管 5.4 坝内埋管 5.5 坝后背管6 材料 6.1 钢材 6.2 止水、垫层、混凝土和钢筋材料7 水力计算8 基本设计规定9 一般管段结构分析 9.1 明管 9.2 地下埋管 9.3 坝内埋管 9.4 坝后背管10 岔管布置、结构分析 10.1 布置 10.2 结构分析11 构造要求 11.1 一般要求 11.2 明管 11.3 地下埋管 11.4 坝内埋管 11.5 坝后背管 11.6 岔管12 模型试验、水压试验 12.1 模型试验 12.2 水压试验13 原型观测、运行检查 13.1 原型观测 13.2 运行检查附录 A标准的附录 明管结构分析附录 B 提示的附录 地下埋管结构分析方法附录 C 提示的附录 坝内埋管结构分析方法附录 D 提示的附录 坝后背管结构分析方法附录 E 提示的附录 三梁岔管结构分析方法附录 F 提示的附录 月牙肋岔管结构分析方法附录 G 提示的附录 球形岔管结构分析方法附录 H 提示的附录 无梁岔管结构分 析方法附录 J 提示的附录 贴边岔管结构分析方法条文说明 1 范 围1.0.1 本标准适用于水电站的 1、2、3 级发电引水钢管的设计。水电站的 4、5 级发电引水钢管设计可结合具体情况参照使用。水电站发电引水钢管级别划分应按 SDJ12—1978《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》山区、丘陵区部分及其补充规定执行。 凡压力钢管基本参数管径 D、作用水头 H 或 HD 超出本标准在布置、材料、结构分析等有关条文的规定或限度者，应作专门研究。 若钢管兼有其他用水要求灌溉、供水等，其岔管及支管的设计亦应符合本标准的要求。1.0.2 发电引水钢管的结构型式可分为: 1 明管。 2 地下埋管。 3 坝内埋管。 4 坝后背管。 5 其他管型如回填管等。 本标准仅对前 4 种管型作出规定，其他管型可参照有关标准执行。 2 引用标准2.0.1 下列标准所包括的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。在标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。 GB 150—1998 钢制压力容器 GB , T 700 — 碳素结构钢 1988 GB 713—1997 锅炉用钢板 GB,T 3274— 碳素结构钢和低 T 4160— 钢的应变时效敏感性试验方法合金结构钢热轧厚钢板和钢带 1988 GB, 夏比冲击法 1984 GB,T 5313— 厚度方向性能钢板 1985 GB 6654 — 压力容器用钢板 1996 GB 11352 — 一般工程用铸造碳钢件 1989 GB , T 50199 水利水电工程结构可靠度设计统一标准 —1994GBJ 17—1988 钢结构设计规范GBJ 132 — 工程结构设计基本术语和通用符号1990GB , T 229 — 金属夏比缺口冲击试验方法 T 699 — 优质碳素结构钢1999GB,T 1591— 低合金高强度结构钢1994GB , 1994GB,T 2970— 中厚钢板超声波检验方法1991DL 5017 — 压力钢管制造安装及验收规范1993DL 5073 — 水工建筑物抗震设计规范2000DL 5077 — 水工建筑物荷载设计规范1997DL , T 709 — 压力钢管安全检测规程1999DL,T 5039— 水利水电工程钢闸门设计规范1995DL,T 5057— 水工混凝土结构设计规范1996DL,T 5058— 水电站调压室设计规范1996DL,T 5082— 水工建筑物抗冰冻设计规范1998SD 134—1984 水工隧洞设计规范SD 303—1988 水电站进水口设计规范SDJ 12—1978 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准山区、丘陵 区部分及其补充规定DL,T 5144— 水工混凝土施工规范2001SL 62—1994 水工建筑物水泥灌浆施工规范SL 105—1995 水工金属结构防腐蚀规范JB 4730 — 压力容器无损检测1994JB 4732 — 钢制压力容器——分析设计标准1995JGJ 99—1998 高层民用建筑钢结构技术规程YB T 10 — 桥梁用结构钢1981 3 总 则3.0.1 为贯彻执行国家的技术经济政策，统一水电站发电引水钢管设计标准，保证设计质量，做到运行安全、经济合理、技术先进，特制定本标准。3.0.2 本标准根据 GB,T 50199 规定的原则制定。本标准未予规定的其他问题，应符合相关标准的规定。3.0.3 发电引水钢管设计，应从工程实际情况出发，选用合理的布置、结构型式、材料、结构计算方法和构造措施，以满足压力钢管结构在制作、运输、安装和使用过程中的承载能力、稳定性、刚度、防腐蚀性能和正常使用等要求。 4 术语、符号4.0.1 术语及其定义 1 明管 exposed penstock 暴露在大气中的压力钢管。 2 地下埋管 underground penstock 埋入岩体中，钢管与围岩之间充填混凝土的压力钢管。 3 坝内埋管 embedded penstock within dam 埋设在混凝土坝体内的压力钢管。 4 坝后背管 penstock laid on downstream face of dam 敷设在混凝土坝下游坝面，外包钢筋混凝土的压力钢管。 5 岔管 branch pipe 压力钢管分岔处的管段，包括岔管主体及部分主管和支管。 6 三梁岔管 three—girders reinforced branch pipe 分岔处用 U 形梁及腰梁加强的岔管。 7 月牙肋岔管 crescent—rib reinforced branch pipe 分岔处用插入管内的月牙形肋板加强的岔管。 8 球形岔管 spherical branch pipe 主管和支管用球壳连接，连接处用补强环加强的岔管。 9 无梁岔管 shell type branch pipe 分岔处用多节锥管和部分球壳组成的岔管。 10 贴边岔管 hem reinforced branch pipe 分岔破口边缘用贴焊的补强板加强的岔管。 11 镇墩 anchor block 靠混凝土自重或其他措施保证钢管段不致发生位移、倾覆和扭转的支承结构物。 12 支墩 support 在钢管布置中，布置在镇墩间允许钢管有限量轴向位移及翘转的支承结构物，称为支墩。通常又把其中支承和传递荷载的钢结构及移动结构，称为支座。 13 鞍形滑动支座 saddle support 钢管支承在马鞍形垫板上的滑动支座。 14 平面滑动支座 sliding ring girder support 支承环支柱底部与支墩之间设有滑动垫板的一种支承环式支座。 15 滚动支座 rolling ring girder support 支柱底部装有辊轮的一种支承环式支座。 16 摇摆支座 rocking ring girder support 支柱为双铰连接或带弧面工字形结构的一种支承环式支座。 17 水锤 water hammer 管道中流速突然变化时，惯性力所引起的内水压力升高正水锤及压力下降负水锤。 18 抗外压稳定临界压力 critical external compressiveresistance of buckling 钢管设计计算中，抵抗外压仍能保持钢管稳定的最大压力值。 19 加劲环 stiffener ring 为提高钢管抗外压稳定能力，而焊接在钢管外壁的环状加强结构。 20 支承环 supporting ring 钢管与支柱间起支承和径向约束作用的环状结构。 21 阻水 thrust collar 环 cut-off collar 钢管或钢衬始端起截水作用的环状结构。 22 止推环镇墩内或大体积混凝土内起阻止钢管轴向移动作用的环状结构。 23 内圈外圈钢筋 hoop reinforcement nearinsideoutsideof concrete lining 钢管外围混凝土中靠近管壁布置的环筋统称为内圈钢筋，靠近混凝土外侧布置的环筋统称为外圈钢筋。 24 锚筋 anchorage bar 为提高钢管抗外压稳定能力，而焊接在钢管外壁且埋设于外围混凝土内的加强钢筋。 25 管壁等效翼缘宽度 equivalent flange width of pipeshell 按 T 形截面计算时，环肋一侧参与计算的管壁宽度。 26 垫层 cushion 在混凝土埋管中，为使钢管按一定比例向外围混凝土包括钢筋传递内水压力，而在钢管与外围混凝土之间设置的能提供所需压缩变位的径向传力层。 27 伸缩节 expansion joint 为适应温度变化和基础不均匀沉降等因素所产生的变位，而在钢管上设置的允许适量变位的接头部件。 28 伸缩管 expansion pipe 用以替代伸缩节并允许适量变位的管段。 29 预留环缝 preformed circumferential welding seam 环缝外侧设有套环或称围带的，在管外混凝土浇筑后，于管内最后施焊的环缝。 30 止水填料止水材料 packing material 为防止伸缩节和入孔漏水，所采用的起密封作用的止水充填物。 31 焊缝系数 welding seam coefficient 考虑焊缝焊接质量、成型误差和热影响等，所采用的小于或等于 1.0 的钢材强度折减系数。 32 焊接应力 welding stress ?蚝附邮焙覆挠肽覆牟幌嗤 ?鼙诟鞑课焕淙床痪 取?驴谛褪讲欢猿啤?植闶?腹ひ沼胁钜臁?际 纯鲇星 鸬榷嘀忠蛩厮 鸬牟写嬗诤讣 诘挠αΑ?33 钢管圆度偏差 penstock roundness tolerance 在钢管同一个横断面中，任意选定的相互垂直的两直径的差值。 34 壁厚裕量 additional thickness 考虑钢管锈蚀、磨损和钢板轧制负偏差，在计算厚度之外另行增加的厚度。 35 水压试验 hydrostatic pressure test 为保证钢管安全运行，对设计、材料、施工质量等方面进行检验，并起钝化缺陷处应力和削减构件应力峰值作用的充水加压试验。 36 防腐蚀措施 anti—corrosive measure 为 保证钢管的耐久性，所采取的减轻锈蚀和磨损的防护措施。4.0.2 符号及其含义1 材料性能Ec——混凝土弹性模量;Er——围岩弹性模量;Es——钢材弹性模量;K0——围岩单位弹性抗力系数;fs——钢板抗拉、抗压、抗弯强度设计值;ft——混凝土抗拉强度设计值;fy——钢筋抗拉强度设计值;αr——围岩膨胀系数;αs——钢材线膨胀系数;γr——围岩重度重力密度;γs——钢材重度;γw——水重度;υc——混凝土泊松比;υr——围岩泊松比;υs——钢材泊松比;σb——钢材抗拉强度;σct——判别混凝土开裂的拉应力取值;σR——压力钢管结构构件的抗力限值;σRy——钢筋受拉的抗力限值;σs——钢材屈服点。 2 作用和作用效应 H——作用水头以水柱计的压力; M——截面上的弯距; N——截面上的轴向力; V——截面上的剪力; p——内水压力实为内水压力压强; p1——钢管传至混凝土层的内水压力; p2——围岩分担的最大内压; pcr——抗外压稳定临界压力临界外压; p0——径向均布外压力; σx——钢管轴向x向正应力; σθ——钢管环向正应力; σr——钢管径向正应力; τθx、τθr、τxr——钢管剪应力。 3 几何参数 AR——支承环、加劲 间的管环有效截面面积包括支承环、加劲环面积，管壁等效翼缘面积， 等效翼缘之壁面积; D——钢管内径、主管内径; IR——支承环、加劲环有效截面对重心轴的惯性矩; R——支承环、加劲环有效截面重心轴处的半径; SR——支承环、加劲环有效截面上，计算点以外部分截面对重心轴的面积矩; WR——支承环、加劲环有效截面对重心轴的抗弯截面模量; ZR——支承环、加劲环有效截面上，计算点至重心轴的距离; a——支承环、加劲环与管壁间的接触宽度或腹板厚度; h——加劲环截面高度; l——加劲环间距; r——钢管内半径、主管内半径; rb——支管内半径; rs——球壳内半径; t——钢管管壁厚度; ts——球壳厚度。 4 其他 αct——混凝土拉应力限制系数; ——焊缝系数。 5 一般管段布置 5.1 一 般 规 定5.1.1 钢管布置中的线路、结构型式、引水方式、管径均应符合枢纽总体布置要求，并应综合考虑地形地质、施工、制作运输安装等条件以及运行安全方便的要求，经技术经济比较确定。 参与引水方式比较的因素还应包括水力学条件、进水口布置、管线长短、机组台数、分岔布置、安装分期、电站运行方式及其在电力系统运行中的地位等。 管径可根据线路布置和内压变化自进水口起分段减小，但变径次数不宜过多。5.1.2 钢管顶部至少应在最低压力线以下 2m。5.1.3 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，在管道首端必须设置快速闸门阀和必要的检修闸门等设施。水轮机前设置进水阀的地下埋管，除应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闸门阀，若布置事故闸门阀，宜布置必要的通道，以便检修、更换闸门阀。 钢管宜设置过流保护装置。5.1.4 钢管首端的快速闸门阀和事故闸门阀必须有远方中央控制室和现地操作装置。操作装置必须有可靠电源。5.1.5 紧靠快速闸门阀和事故闸门阀应设置充水阀或旁通管，快速闸门阀和事故闸门阀下游必须设置通气孔井或通气阀。 充水阀或旁通管面积不宜超过通气孔面积的五分之一，不应超过通气孔面积的三分之一，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。5.1.6 钢管转弯半径可采用2,3倍管径。位置相近的立面弯管和平面弯管宜合并为空间弯管;位置相近的进口渐变段或变径渐缩管和弯管宜合并为渐变弯管或渐缩弯管。5.1.7 进口渐变段长度不宜短于 1 倍管径。渐变段进口矩形断面面积与钢管圆断面面积的比值，应 经技术经济比较确定。大直径且进口埋深大的管道，该比值宜采用 1.0,1.2。设有钢衬的渐变段，应采取措施防止钢衬失稳。5.1.8 在钢管最低点宜设排水设施。5.1.9 抽水蓄能电站压力钢管应根据水流的双向性，确定管道布置，尤其是进出口、渐变段渐缩段、岔管和弯管的选型。 5.2 明 管5.2.1 明管线路布置宜选择在地形、地质条件优越的地段，并与进水口大坝、调压室或压力前池等和主厂房等建筑物相协调。 宜避开可能发生滑坡、崩塌、沉降量很大的地段和村镇居民区及交通道路等。若避不开村镇居民区，应考虑工程对环境的影响。 部分管段若避不开山洪、坠石等的影响，应采取其他管型如洞内明管、地下埋管或外包钢筋混凝土管通过。若遇有河沟，可用倒虹吸管或管桥等型式通过，应考虑洪水和泥石流等对这些建筑物的影响。 水头高、线路长的管线，还应满足钢管运输安装及运行管理维修等交通方面的要求。5.2.2 为避免钢管一旦发生意外事故时，危及电站设备和人身的安全，应设置事故排水和防冲工程设施。与水渠、道路、输电线、通信线等交叉时，应设置必要的交叉建筑物和防护设施。5.2.3 沿管线应设置交通道路，并宜设置照明设施。根据工程具体情况，可在交通道路沿线设置休息平台、扶手栏杆、越过钢管的爬梯或管底通道。 沿管线应设置排水沟。5.2.4 布置在洞内和室内的明管应布置通风防潮设施;为满足管道安装和检修要求，还应预留必要的空间和埋设必需的埋件。5.2.5 明管宜作成分段式。转弯处宜设置镇墩。镇墩间设支墩以支承和架空钢管，并设置伸缩节。伸缩节宜放在镇墩的下游侧。管轴线坡度很陡的明管，伸缩节的位置应综合考虑钢管轴向应力、钢管轴向稳定及安装条件等因素确定。 若直线管段长度在 150m 以上，宜在其间加设镇墩和伸缩节。若直线管段纵坡很缓且管段长度不超过 200m，也可不加设中间镇墩，而将伸缩节置于管段中部。 镇墩的布置应与水压试验方式相协调，镇墩宜设在较好的地基上。5.2.6 支墩间距应通过钢管应力分析，并考虑安装条件、支座型式、地基条件等因素，经技术经济比较选定。在两相邻镇墩之间的支墩宜按等距离布置;但设有伸缩节的一跨，间距宜缩短。 若地基可能产生不均匀沉降或冻涨，应采取相应结构措施。 在地震多发区，宜选定较短的镇墩间距和支墩间距。5.2.7 支座型式可按管径等因素选择鞍型滑动支座、平面滑动支座、