水压试验设计方案

刘家峡明联水电站压力钢管

水压闷头设计刘家峡明联水电站压力钢管明管段（桩号引0+032.900〜引0+214.465m）,共计长度181.565m。其中包括2#镇墩埋管（桩号引0+149.500〜引0+161.724m）和3#镇墩埋管（桩号引0+191.527〜引0+214.465m）,明管实际长度为146.403m,宜做全长整体水压试验。压力钢管正常工作情况最高内水压力即钢管水锤。钢管水锤：相应于水库正常蓄水位，由右岸电站与本电站钢管供水的机组突然丢弃全部负荷。在本试验中，水压试验内水压力值采用1.25倍正常工作情况最高内水压力，正常工作情况最高内水压力即正常蓄水位静水压力+水锤压力。上水压闷头设计位于取水口蝶阀后，与管节Z9连接，安装桩号引水0+033.750m。一、设计参数1、 水库正常蓄水位（静水压力线）：1735m2、 上弯段钢管水锤压力：30.7m（本工程压力钢管现场整体水压试验压力值按上弯段考虑。）3、 正常工作情况下最大内水压力线：1765.7m4、 与取水口蝶阀连接断面中点高程：1658.755m，标记为M点5、 与进厂蝶阀连接断面中点高程：1622m，标记为N点6、 钢管直径：①1800mm二、设计计算正常工作情况下M点内水压力计算。M点水头：HM=1765.7-1658.755=106.945mM点压强：PM=PgHM=1X103X10X106.945=1.0695X106Pa水压闷头所受压力：F上=(nD02XP)/4=(3.14X1.82X1.0695X106)/4=2.72X106N水压闷头设计。水压闷头设计参考水工钢闸门设计规范，采用普通式梁格，梁格采用等高连接。主梁等距布置，在各主梁之间设置若干横向次梁，将面板划分成较小的区格，以减少面板的厚度。水压闷头所受水压力传递形式:水压力——►水压力——►面板―-联接焊缝设计形式如下图所示:（三）面板设计根据钢闸门设计规范DL/T5013-95,验算面板厚度及面板与梁隔的连接计算。1、估算面板厚度作用在闷头上的水压力强度由上而下逐渐加大，计算时可近似的取面板区格中心的水压强作为该面板区格的均布载荷。区格W所收的压力最大，把区格^等似成正方形，计算出区格W的面板厚度为最大。面板厚度计算公式:t=aJkp圣0.9a[o]其中：a为区格短边；a/bW3,取a=1.5（a为弹塑性调整系数）;16Mn抗弯容许应力为220N/mm2（选用钢板厚度〉16〜25mm为第2组）；K为支撑长边弯应力系数，区格W为四边固定，查的K=0.308；区格中心压强：Po=pgHo=1X103X10X（106.945+0.675）=1.0762X106Pa；考虑到水压试验，设计压力为实际压力的1.5倍，P为1.6143X106Pa计算出面板厚度为t=18.4mm。选用面板厚度为22mm。2、面板与梁格的连接计算面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力：P=0.07tomax=0.07X22X198=304.9N/mm面板与主梁连接焊缝方向单位长度内剪力：VS 649750X405X22X125T=——= =695.8N/mm2I0 2X520000000（V、S和I0数值详见主梁设计）计算面板与主梁连接的焊缝厚度：hf=/P2+T2/0.7X［T七］=/304.92+695.82/0.7X147=7.4mm（［T七］为16Mn钢焊缝的容许应力，选用第2组147N/mm2）面板与梁格连接焊缝取hf=10mm。（四）主梁的设计1、截面选择（1） 荷载作用在主梁上的水压力：a上+a上q=p 2其中：a上=450mm，a下=450mm（2） 弯距和剪力：3号主梁压强P=pgH=1X103X10X（106.945+0.45）=1.0740X106Pa,考虑到水压试验，设计压强为实际压强的1.5倍，P为1.6110MPa。计算出q=724.95kN/mMmax=ql2/8=724.95X1.562/8=220.53kN.mVmax=ql/2=724.95X1.56/2=565.46KN2号主梁压强P=1.0695X106Pa，考虑到水压试验，设计压强为实际压强的1.5倍，P为1.6043MPa。计算出q=721.94kN/mMmax=ql2/8=721.94X1.82/8=292.39kN.mVmax=ql/2=721.94X1.8/2=649.75KN选用2号主梁进行验算，计算出的梁截面为最大。（3） 需要截面模量：16Mn抗弯容许应力为220N/mm2（选用钢板厚度〉16〜25mm为第2组），考虑到闷头自重引起的应力影响，取容许弯应力为 [。]=0.9X220=198N/mm2,则需要截面抗弯距为：W=Mmax/[o]=292.39X106/198=1476.72cm3（4） 腹板高度选择：按刚度要求的最小梁高为：[O]L 19.8X180hm.n=0.208 =0.208X =27cmmm E[3/L] 2.06X104X（1/750）按船闸工作闸门和输水阀门的主梁取[3/L]=1/750经济梁高 hec=3.1W2/5=3.1X1476.722/5=57.4cm选用主梁梁高应比hec为小，而不小于hm.n，先选用腹板高度h0=40cm。（5） 腹板厚度的选择：按经验公式计算：tw=/一、/11=0.6cm,选用tw=1.6cm。（6） 翼缘截面选择：上下翼缘需要截面积为：A1=W/h0-twh0/6=26.25cm2下翼缘选用t1=2.0cm。需要b1=A1/t1=26.25/2.0=13.12cm，选用b1=13cm（在h0/2.5〜h0/5=7〜14cm之间）上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需要设置较小的翼缘，选用t1=2.0cm，b1=11cm。面板兼作主梁上翼缘的有效宽度：B=b1+50t=11+50X2.2=121cm。BWg1b（对跨间正弯距）

b=(b+b)/2=(45+45)/2=45cm。取l=l=180cm,l/b=180/45=41 2 0 0y1=EAy〃£A截面形心距:查得g广0.9,则B或1b=0.9X45=40.5cmy1=EAy〃£A截面形心距:部位截面尺寸(cmXcm)截面面积A(cm2)各形心离面板表面距离y/(cm)Ay/(cm3)各形心离中和轴距离y(cm)Ay2(cm4)面板40.5X2.289.11.19812.513922上翼缘11X2.0223.270.410.42380腹板38X1.660.823.21410.6-9.65603下翼缘13X2.02643.21123.229.622780合计198270244685(7)弯应力强度验算：主梁跨中截面的几何特性如下:顿5T-4T-4=2702/198=13.6cm。截面惯性距:1=tw截面惯性距:1=twh03/12+ZA乎=1.6X383/12+44685r--_iT-4b=52000cm4截面抗弯距:上翼缘顶边Wmax=I/y1=52000/13.6=3824cm3下翼缘底边Wm.n=I/y2=52000/30.6=1699cm3弯应力。=Mmax/Wmin=292.39X106/1699000=172N/mm2＜［。］=0.9X220=198N/mm2,满足要求。(8)整体稳定性和挠度验算：因为主梁上翼缘直接同面板连接，不必验算整体稳定性。又因为梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。2、翼缘焊缝翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。最大剪力vmax二649.75KN，截面惯性距10=52000cm4。上翼缘对中和轴的面积距81=89.1X12.5+22X10.4=1342.6cm3下翼缘对中和轴的面积距S2=26X29.6=769.8cm3<S1需要hf=VS1/(1.4I0[Twf])=649.75X1342.6/(1.4X52000X14.7)=0.8cm其中[Twf]为16Mn钢焊缝的容许应力，选用第2组147N/mm2)角焊缝最小厚度hf，1.5/—厂=1.5X/"2=7.0mm因此主梁上下翼缘焊缝都采用hf=10mm。横隔板设计1、 荷载和内力计算横隔板同时兼作竖直次梁，它主要承受面板传来的分布荷栽，计算时可把这些荷栽用三角形分布的水压来代替。单元格W中横隔板受力最大，中心压强P=1.0762X106Pa,考虑到水压试验，设计压强为实际压强的1.5倍，P为1.6143X106Pa。则隔板上的最大负弯距为：1.6143X450 450M= X450X =24.52kN.m2 32、 横隔板截面选择和强度计算选用腹板与主梁腹板同高，采用400X16mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用100X20mm的钢板。上翼缘可利用面板的宽度B=g2bo其中：b=450mm，按l0/b=2X450/450=2查得有效宽度系数g=0.51则B=g2b=0.51X450=230mm。隔板截面的几何特性如下：部位截面尺寸(cmXcm)截面面积A(cm2)各形心离面板表面距离y/(cm)Ay/(cm3)各形心离中和轴距离y(cm)Ay2(cm4)面板23X2.250.61.155.716.213280腹板40X1.66422.21420.8-4.91537下翼缘10X2.02043.286425.913416合计135234128233截面形心距：yi=ZAy//ZA=2341/135=17.3cm。截面惯性距：I=twh03/12+ZAy2=1.6X403/12+28233=36766cm4也173 ,269221■碰20横隔板截面图截面抗弯距W=36766/26.9=1367cm3min验算弯应力弯应力。=M/Wmin=24.52X106/1367000=17.9V[O]=0.9X220=198N/mm2，满足要求。由于横隔板截面高度较大，剪切强度不必验算。横隔板翼缘焊缝采用采用hf=10mm。（六） 边梁设计边梁的截面形式采用钢管式，截面高度与主梁高度相同；腹板厚度与主梁腹板厚度相同。边梁与面板的连接焊缝为对接焊缝。（七） 闷头与钢管连接焊缝计算初步设计闷头与钢管连接焊缝为对接焊缝，对接焊缝受轴心力F=1.5X2.72X106=4.08X106N（拉）作用，验算强度如下：Fa= 忍fwt1wt其中：Iw为焊缝计算长度，Iw=5699mmt为焊缝的计算厚度，t=14mmfwt为对接焊缝的抗拉强度，fwt=300N/mm2则F 4.08X106a= = =51-1N/mm2^fwtIwt 5699X14此外，水压闷头与钢管连接焊角不小于8mm。同时在闷头外缘与钢管管壁用16块86X86的筋板连接，筋板焊角不小于8mm。（八）闷头设计图见水压闷头设计图（LDML-SYSY-01）。下水压闷头设计下水压闷头安装在进厂蝶阀前，与管节C3连接，安装桩号：引水0+214.465m。（一） 正常工作情况下N点内水压力计算。N点水头：HN=1765.7-1622=143.7mN点压强：PN=pgHN=1X103X10X143.7=1.4370X106Pa水压闷头所受压力：F下=（nD02XP）/4=（3.14X1.82X1.4370X106）/4=3.65X106N（二） 水压闷头设计。同上水压闷头设计。（三） 面板设计根据钢闸门设计规范DL/T5013-95,验算面板厚度及面板与梁隔的连接计算。1、估算面板厚度区格W所收的压力最大，把区格^等似成正方形，取面板区格中心的水压强作为该面板区格的均布载荷，计算出区格W的面板厚度为最大。面板厚度计算公式：t=aJkp\/'0.9a[o]其中：a/bW3,取a=1.5（a为弹塑性调整系数）；16Mn抗弯容许应力为220N/mm2（选用钢板厚度〉16〜25mm为第2组）;K=0.308；区格中心压强：Po=pgHo=1X103X10X（143.7+0.675）=1.4438X106Pa；考虑到水压试验，设计压力为实际压力的1.5倍，P为2.1657X106Pa计算出面板厚度为t=21.3mm。选用面板厚度为24mm。2、面板与梁格的连接计算面板局部挠曲时产生的垂直于焊缝长度方向的横拉力：P=0.07tomax=0.07X24X198=332.6N/mm面板与主梁连接焊缝方向单位长度内剪力：VS 872980X405X24X158T=——= =796N/mm2I0 2X842190000（V、S和I0数值详见主梁设计）计算面板与主梁连接的焊缝厚度：hf=/P2+T2/0.7X［T七］=/332.62+796.02/0.7X147=8.4mm（［T七］为16Mn钢焊缝的容许应力，选用第2组147N/mm2）面板与梁格连接焊缝取hf=10mm。（六）主梁的设计1、截面选择（1）荷载作用在主梁上的水压力：a上+a上q=p 2其中：a上=450mm，a下=450mm（2） 弯距和剪力：3号主梁压强p=pgH=1X103X10X（143.7+0.45）=1.4415X106Pa,考虑到水压试验，设计压强为实际压强的1.5倍，P为2.1623MPa。计算出q=973.04kN/mMmax=ql2/8=973.04X1.562/8=296kN.mVmax=ql/2=973.04X1.56/2=758.97KN2号主梁压强P=1.4370X106Pa，考虑到水压试验，设计压强为实际压强的1.5倍，P为2.1555MPa。计算出q=969.98kN/mMmax=ql2/8=969.98X1.82/8=392.84kN.mVmax=ql/2=969.98X1.8/2=872.98KN选用2号主梁进行验算，计算出的梁截面为最大。（3） 需要截面模量：16Mn抗弯容许应力为220N/mm2,考虑到闷头自重引起的应力影响，取容许弯应力为［。］=0.9X220=198N/mm2，则需要截面抗弯距为：W=Mmax/[o]=392.84X106/198=1984.04cm3腹板高度选择：按刚度要求的最小梁高为：[O]L 19.8X180hm.n=0.208 =0.208X =27cmmm E[3/L] 2.06X104X(1/750)按船闸工作闸门和输水阀门的主梁取[3/L]=1/750经济梁高 hec=3.1W2/5=3.1X1984.042/5=64.6cm选用主梁梁高应比hec为小，而不小于hmin，先选用腹板高度h0=44cm。腹板厚度的选择：按经验公式计算：tw=/一虹/11=0.6cm,选用tw=2.0cm。翼缘截面选择：上下翼缘需要截面积为：A1=W/h0-twh0/6=30.4cm2下翼缘选用t1=2.0cm。需要b1=A1/t1=30.4/2.0=15.2cm，选用b1=16cm(在h0/2.5〜h0/5=16.8〜8.4cm之间)上翼缘的部分截面积可利用面板，故只需要设置较小的翼缘，选用t1=2.0cm，b1=12cm。面板兼作主梁上翼缘的有效宽度：B=b1+50t=12+50X2.4=132cm。BWg1b(对跨间正弯距)b=(b+b)/2=(45+45)/2=45cm。取l=l=180cm，l/b=180/45=412 0 0查得g1=0.9，则B或1b=0.9X45=40.5cm。(7)弯应力强度验算：主梁跨中截面的几何特性如下:部位截面尺寸(cmXcm)截面面积A(cm2)各形心离面板表面距离y/(cm)Ay/(cm3)各形心离中和轴距离y(cm)Ay2(cm4)面板40.5X2.4971.211615.824215上翼缘12X2.0243.48213.64439腹板44X2.08826.42323-9.47776下翼缘16X2.03249.4158132.433592合计241410270022截面形心距：y1=ZAy//ZA=4102/241=17cm。截面惯性距：I=twh03/12+ZAy2=2.0X443/12+70022=84219cm4截面抗弯距： 主梁截面圈上翼缘顶边Wmax=I/y1=84219/17=4954cm3下翼缘底边Wm.n=I/y2=84219/33.4=2522cm3弯应力。=Mmax/Wmin=392.84X106/2522000=156N/mm2＜［。］=0.9X220=198N/mm2,满足要求。(8)整体稳定性和挠度验算：因为主梁上翼缘直接同面板连接，不必验算整体稳定性。又因为梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。2、翼缘焊缝翼缘焊缝厚度hf按受力最大的支承端截面计算。最大剪力Vmax二872.98KN，截面惯性距10=84219cm4。上翼缘对中和轴的面积距S]=97X15.8+24X13.6=1859cm3下翼缘对中和轴的面积距S2=32X32.4=1037cm3<S]需要hf=VS1/(1.4I0[Twf])=872.98X1859/(1.4X84219X14.7)=0.94cm其中[Twf]为16Mn钢焊缝的容许应力，选用第2组147N/mm2)角焊缝最小厚度hf，1.5/L厂=1.5X/N=7.3mm因此主梁上下翼缘焊缝都采用hf=10mm。横隔板设计1、 荷载和内力计算横隔板同时兼作竖直次梁，它主要承受面板传来的分布荷栽，计算时可把这些荷栽用三角形分布的水压来代替。单元格W中横隔板受力最大，中心压强P=1.4438X106Pa,考虑到水压试验，设计压强为实际压强的1.5倍，P为2.1657X106Pa。则隔板上的最大负弯距为：2.1657X450 450M= X450X =32.89kN.m2 32、 横隔板截面选择和强度计算选用腹板与主梁腹板同高，采用460X16mm，上翼缘利用面板，下翼缘采用100X20mm的钢板。上翼缘可利用面板的宽度B=g2bo其中：b=450mm，按l0/b=2X450/450=2查得有效宽度系数g=0.51

则B=g2b=0.51X450=230mm。隔板截面的几何特性如下：截面形心距："=£截面形心距："=£Ay//ZA=2923/148.8=19.6cm。截面惯性距：I=twh03/12+ZAy2=1.6X463/12+38926=51904cm4i一 5闻 一i _ 196 .24. 4JL114J1部位截面尺寸(cmXcm)截面面积A(cm2)各形心离面板表面距离y/(cm)Ay/(cm3)各形心离中和轴距离y(cm)Ay2(cm4)面板23X2.455.21.26618.418689腹板46X1.673.625.41869-5.82476下翼缘10X2.02049.498829.817761合计148.8292338926横隔板.截而图截面抗弯距W=51904/30.8=1685cm3min验算弯应力弯应力。=M/Wmin=32.89X106/1685000=19.5V[O]=0.9X220=198N/mm2,满足要求。由于横隔板截面高度较大，剪切强度不必验算。横隔板翼缘焊缝采用采用hf=10mm。（八）边梁设计边梁的截面形式采用钢管式，截面高度与主梁高度相同；腹板厚度与主梁腹板厚度相同。边梁与面板的连接焊缝为对接焊缝。（七）闷头与钢管连接焊缝计算初步设计闷头与钢管连接焊缝为对接焊缝，对接焊缝受轴心力F=1.5X3.65X106=5.48X106N（拉）作用，验算强度如下：Fa= 忍fwt1wt其中：Iw为焊缝计算长度，Iw=5711mmt为焊缝的计算厚度，t=18mmfwt为对接焊缝的抗拉强度，fwt=300N/mm2则F 5.48X106a= = =53-3N/mm2^fwtIwt 5711X18此外，水压闷头与钢管连接焊角不小于8mm。同时在闷头外缘与钢管管壁用24块82X150的筋板连接，筋板焊角不小于8mm。（八）闷头设计图见水压闷头设计图（LDML-SYSY-01）。刘家峡明联水电站压力钢管

水压试验实施方案•水压泵选择引水压力钢管引0+034m〜引0+214.465m,总长180.465m,钢管直径为1800mm，此段钢管水容量约为460m3。用取水口蝶阀排污阀向钢管内充满水后，换成水压泵进行打压，水压泵参数选择：流量：150m3/h泵进出口直径： 150mm最高工作压力N1.6MPa•水压表选择水压表1安放在上闷头与压力钢管Z9管节连接处钢管顶部，其实际工作压力为1.25X1.0605=1.3256MPa；水压表2安放在蜗壳前蝶阀与压力钢管管节C3连接处钢管顶部，其实际工作压力为1.25X1.4280=1.7850MPa水压表参数选择：最高工作压力：2.0MPa(即20kg/cm2)压力分度值：W0.02MPa压力表接头直径：精度等级：不小于1.5级•截止阀选择在水压泵和1#镇墩处闷头之间设置一截止阀，当钢管水压达到设计压力时，关闭阀门，使钢管内水压保持稳定。截止阀与水压泵的连接为法兰连接。在1#镇墩处蝶阀排污阀上连接引水钢管，并串联截止阀，口径为108mm，发兰连接。.水源水压试验用水源，由取水口蝶阀排污阀引入，为保证取水安全，取水口蝶阀排污阀上串一截止阀。蜗壳前钢管闷头上安装排水管与截止阀，试验结束后通过外置式抽水泵将水移除到右岸黄河中。.水压试验方法水压试验装置流程见图LDML-SYSY-02。水压试验步骤：1、 明