2023抽水蓄能电站压力钢管设计导则.doc

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1、抽水蓄能电站压力钢管设计导则目 次1 总 则12 术语和符号22.1 术 语22.2 符 号33 基本规定64 布 置74.1 一般规定74.2 地下埋管84.3 岔 管95 材 料125.1 钢 材125.2 止水、焊材和混凝土166 水 力 计 算177 结 构 分 析187.1 一般规定187.2 地下埋管247.3 岔 管258 构 造 要 求298.1 一般要求298.2 地下埋管318.3 岔 管329 管 道 防 腐339.1 一般规定339.2 防腐涂装3310 水压试验3611 安全监测与运行检查3811.1 安全监测3811.2 运行检查39附录A 地下埋管结构分析方法40

2、A.1 钢管承受内压结构分析40A.2 钢管抗外压稳定分析44附录B 岔管结构分析方法49B.1 月牙肋岔管结构分析方法49B.2 贴边岔管结构分析方法61本标准用词说明64引用标准名录65条文说明6641 总 则1.0.1 为规范抽水蓄能电站压力钢管设计标准，保证设计质量，制定本标准。1.0.2 本标准适用于抽水蓄能电站输水系统的压力钢管设计。1.0.3 抽水蓄能电站压力钢管设计，除应符合本标准外，尚应符合国家现行有关标准的规定。632 术语和符号2.1 术 语2.1.1 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。2.1.2 岔管 br

3、anch 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。2.1.3 水击压力 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（正水击）及压力下降（负水击）。2.1.4 抗外压稳定临界压力 critical external compressive resistance 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。2.1.5 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。2.1.6 壁厚裕量 additional thickness考虑钢管锈蚀、

4、磨损和钢板轧制负偏差，在计算厚度之外另行增加的厚度。2.1.7 明管准则 exposed branch pipe criterion在不考虑与围岩联合作用条件下，按正常运行工况计算的钢岔管的局部膜应力与弯曲应力之和以及肋板的最大应力不大于其钢材的屈服强度。2.1.8 平均围岩分担率 average sharing ratio of bedrock管壳在埋管状态下环向应力的平均值与在明管状态下环向应力的平均值相比减少的百分比。2.2 符 号2.2.1 材料性能围岩弹性模量； 钢材弹性模量； 围岩单位抗力系数； 钢板抗拉、抗压、抗弯强度设计值； 围岩膨胀系数； 钢材线膨胀系数； 围岩重度； 钢材重

5、度； 钢材泊松比； 钢材屈服强度； 压力钢管结构构件的抗力限值。2.2.2 作用和系数作用水头；垂直于管轴的最小覆盖围岩厚度；截面上的弯矩； 截面上的轴向力； 截面上的剪力； 平均围岩分担率； 内水压力（实为内水压力压强）； 钢岔管分担的内水压力； 围岩分担的最大内压； 抗外压稳定临界压力（临界外压）； 径向均布外压力； 钢管轴向正应力； 钢管环向正应力； 钢管径向正应力； 、钢管剪应力；抗外压稳定安全系数 ； 焊缝系数。2.2.3 几何参数加劲环有效截面面积； 加劲环高度； 加劲环间距；钢管内半径；圆环中心半径；有效截面形心到所计算点的距离； 有效截面惯性矩； 钢管管壁计算厚度。3 基本规定

6、3.0.1 本标准根据现行国家标准水利水电工程结构可靠性设计统一标准GB 50199规定的原则制定。3.0.2 抽水蓄能电站压力钢管级别划分应按现行行业标准水电枢纽工程等级划分及设计安全标准DL 5180规定执行。3.0.3 抽水蓄能电站压力钢管设计，应满足压力钢管结构在制作、运输、安装、土建施工和使用过程中的承载能力、稳定性、刚度、防腐蚀性能等要求，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。3.0.4 明管、坝内埋管、钢衬钢筋混凝土管等其他管型不做详细规定，其布置、结构分析、构造要求等应按水电站压力钢管设计规范NB/T 35056执行。3.0.5 压力钢管基

7、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工程经验时，应作专门研究。4 布 置4.1 一般规定4.1.1 管道线路应符合枢纽总体布置要求，考虑地形、地质、环境、水力学、施工、运行管理、既有地下设施等因素，经技术经济比较后确定。4.1.2 管道条数应根据机组台数、管线长短、地形和地质条件、机组安装的分期、制作安装和运输条件、电站运行方式及其在电力系统中的地位等因素，可采用“一管一机”或“一管多机”的布置形式，经技术经济比较后确定。4.1.3 管径可根据线路布置和内压变化情况分段拟定，并应经技术经济比较确定。4.1.4 钢管顶部应至少在最低压力线以下2m。

8、4.1.5 紧靠快速闸门和事故闸门应设置充水阀或旁通管，快速闸门和事故闸门下游应设置通气孔（井）或通气阀，并应符合下列要求：1 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。2 充水阀或旁通管的出水水流不得封堵通气孔下端孔口。通气孔上端应设在启闭室之外，孔口应高于设计最高运行水位，并应有防护设施。4.1.6 钢管转弯半径不宜小于2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。4.1.7 渐变段长度不宜短于1倍管径。渐变段进口断面与钢管圆形断面的面积比应根据布置、结构

9、、进水口流态、水头损失及启闭机规模等因素，综合比较后确定。大直径且进口埋深大的管道，该比值宜采用1.01.2。4.1.8 钢管穿过主厂房上游墙等过缝处，宜采取过缝措施。4.1.9 钢管最低点宜设排水设施。4.1.10 检修通道应利用通气孔、施工支洞等已有建筑物，合理设置，并符合下列要求：1 引水隧洞上平洞可将进/出水口，闸门后的通气孔作为检修通道，当上平洞较长时，可考虑在施工支洞预留检修通道；2 引水隧洞中平洞宜以施工支洞预留的检修进人洞作为检修通道；3 引水隧洞下平洞宜以蜗壳进人门作为检修通道；4 尾水隧洞宜以下水库进/出水口闸门后的通气孔和尾水管进人门作为检修通道，当尾水隧洞较长时，可考虑

10、在施工支洞预留检修通道。4.2 地下埋管4.2.1 地下埋管线路应优先选择地形、地质条件相对优良的地段，宜避开成洞条件差、活动断层、滑坡体、地下水位高和涌水量大的地段。计入围岩抗力的地下埋管，其顶部和侧向覆盖围岩应有足够厚度。4.2.2 多根管道线路布置，邻管间岩体应满足施工期和运行期的稳定及强度要求。宜避免出现一管已运行，邻管尚在开挖爆破的情况。4.2.3 洞井型式应根据布置要求、工程地质条件、施工条件、施工安全等因素，经技术经济比较确定。长度和高差过大的斜井与竖井，宜布置中间平段。4.2.4 在地下水位较高地区，应布置排水系统，并结合灌浆帷幕等措施，减小钢管的外水压力。防渗排水设施应可靠，

11、且便于检修。1 压力钢管首部应加设阻水环和环向高压帷幕灌浆；2 排水设施可采用排水洞及排水幕、管外岩壁排水、钢管外壁贴壁排水等排水方式。4.2.5 地下厂房前、后均应设置压力钢管段：1 地下厂房前的压力管道应至少设置一段压力钢管，其长度应根据地质条件和工程需要而定，一般不宜小于钢管最大静水压力水头的1/31/4。2 地下厂房尾水管后的尾水隧洞的压力钢管长度应根据地质条件和地下洞室群的布置而定。4.3 岔 管4.3.1 岔管布置和形式应结合岔管尺寸、内水压力和地质条件经技术经济比较确定，并应符合下列原则：1 运行安全可靠。2 结构合理，不产生过大的应力集中和变形。3 水流平顺，避免或减少涡流和振

12、动，水头损失较小。4 制作、运输、安装方便。5 经济合理。4.3.2 岔管的布置可选用下列形式：1 非对称Y形，如图4.3.2-1所示。图4.3.2-1 非对称Y形布置1主管；2岔管；3支管；4机组中心线2 Y形，如图4.3.2-2所示。图4.3.2-2 Y形布置1主管；2岔管；3支管；4机组中心线3 三岔形，如图4.3.2-3所示。图 4.3.2-3 三岔形布置1主管；2岔管；3支管；4机组中心线4 上述各款布置形式的组合。4.3.3 岔管的主管、支管中心线宜布置在同一平面上。贴边岔管的主管、支管底部也可布置在同一高程上。4.3.4 抽水蓄能电站地下洞室布置应考虑岔管运输安装的影响。5 材

13、料5.1 钢 材5.1.1 钢管所用钢材的技术要求应符合现行国家标准或行业标准，当采用本规范未列出的其它牌号钢材或国外标准的钢材时，其化学成分和力学性能及焊接性能应满足现行国家标准中同级别钢材的各项指标。5.1.2 钢管所用钢材应根据钢管结构型式、钢管规模、使用温度、钢材性能、制作安装工艺要求以及经济合理性等因素选定，钢管主要受力构件（包括管壁、加劲环、支承环、岔管加强构件等）可采用国家现行标准低合金高强度结构钢GB/T 1591、锅炉和压力容器用钢板GB 713、低焊接裂纹敏感性高强度钢板YB/T 4137、高强度结构用调质钢板GB/T 16270、压力容器用调质高强度钢板GB 19189、

14、水电站压力钢管用钢板GB/T 31946中的有关牌号钢材，其质量等级不应低于C级。5.1.3 钢管主要受力构件所用钢材的保证条件，还应满足下列条件：1 需经冷弯的构件应作冷弯试验。2 需经焊接的构件应保证焊接性及焊接接头的韧性，包括所用的焊条、焊丝、焊剂应与母材及焊接方法相匹配，厚板焊前预热和焊后热处理方式等，并经焊接工艺评定合格。3 冲击韧性指标（冲击吸收能量或冲击吸收功指标）、冲击试验温度和取样部位及取样方向等，应按相应钢材国家标准或行业标准的规定执行，可根据各工程具体运行条件提出要求。4 根据具体运行条件，经论证后对用于钢管主要受力构件的钢材的应变时效敏感性系数或应变时效后的冲击吸收能量

15、可提出要求。5 对沿钢板厚度方向受拉的构件，钢材的技术要求应符合现行国家标准厚度方向性能钢板GB/T 5313的规定，且应对每一张原轧制钢板进行检验。6 钢板的超声波检测可根据工程实际情况提出具体要求。5.1.4 钢管所用钢板的强度标准值与设计值应按本规范表5.1.4的规定确定。表5.1.4 钢管所用钢板的强度标准值与设计值（N/mm2）钢种钢 号（标准）交货状态钢板厚度（mm）常温强度指标强度标准值强度设计值屈服强度抗拉强度抗拉抗压抗弯抗剪端面承压抗拉抗压抗弯抗剪端面承压低合金高强度结构钢Q355（GB/T 1591）热轧、控轧、正火、正火轧制或正火加回火、热机械轧制或热机械轧制加回火161

16、6404063638080100100150355345335325315295470470470470470450330330330325315295190190190185180170470470470470470450295295295290280265170170170165160150400400400400400380Q390（GB/T 1591）16164040636380801001001503903803603403403204904904904904904703403403403403403201951951951951951854904904904904904703053

17、05305305305285175175175175175165415415415415415400Q420（GB/T 1591）1616404063638080100100150420410390370370350520520520520520500365365365365365350210210210210210200520520520520520500325325325325325315190190190190190180440440440440440425Q460（GB/T 1591）161640406363808010010015046045043041041039055055055

18、0550550530385385385385385370220220220220220210550550550550550530345345345345345330195195195195195190465465465465465450续表 5.1.4钢种钢 号（标准）交货状态钢板厚度（mm）常温强度指标强度标准值强度设计值屈服强度抗拉强度抗拉抗压抗弯抗剪端面承压抗拉抗压抗弯抗剪端面承压低合金高强度结构钢Q500（GB/T 1591）热轧、控轧、正火、正火轧制或正火加回火、热机械轧制或热机械轧制加回火16164040636380801005004804704504406106106005905

19、40425425420410375245245240240220610610600590540380 380 375 370 340 220 220 220 215 195 520520510500460Q550（GB/T 1591）1616404063638080100550530520500490670670620600590470470430420410270270250240240670670620600590420 420 390 375 370 245 245 225 220 215 570570525510500Q620（GB/T 1591）1616404063638062060

20、0590570710710690670495495480470285285280270710710690670445 445 435 420 260 260 250 245 600600585570Q690（GB/T 1591）16164040636380690670660640770770750730540540525510310310300295770770750730485 485 470 460 280 280 270 265 655655635620高强度结构用调质钢板Q460（GB/T 16270）调质（淬火加回火）505010010015046044040055055050038

21、5385350220220200550550500345 345 315 200 200 180 465465425Q500（GB/T 16270）5050100100150500480440590590540410410375240240220590590540370 370 340 215 215 195 500500460Q550（GB/T 16270）5050100100150550530490640640590445445410260260240640640590400 400 370 230 230 215 545545500Q620（GB/T 16270）505010010015

22、0620580560700700650490490455280280260700700650440 440 410 255 255 235 595595550Q690（GB/T 16270）5050100100150690650630770760710540530495310305285770760710485 480 445 280 275 260 655645600压力容器用调质高强度钢板07MnMoVR（GB 19189）调质1060490610425245610380220520续表 5.1.4钢种钢号（标准）交货状态钢板厚度（mm）常温强度指标强度标准值强度设计值屈服强度抗拉强度抗拉

23、抗压抗弯抗剪端面承压抗拉抗压抗弯抗剪端面承压锅炉和压力容器用钢板Q345R（GB 713）热轧、控轧或正火3161636366060100100150345325315305285510500490490480345325315305285200185180175165510500490490480310290280275255180165160155145435425415415405Q370R（GB 713）正火101616363660370360340530530520370360340210205195530530520330325305190185175450450440低焊接裂纹敏

24、感性高强度钢Q460CF（YB/T 4137）控轧/控轧加回火或淬火加回火5050100460440550385220550345195465Q500CF（YB/T 4137）5050100500480610425245610380220520Q550CF（YB/T 4137）5050100550530670470270670420240570Q620CF（YB/T 4137）5050100620600710495285710445 260 600Q690CF（YB/T 4137）5050100690670770540310770485 280 655Q800CF（YB/T 4137）5050

25、100800协议880615355880550315745续表 5.1.4钢种钢号（标准）交货状态钢板厚度（mm）常温强度指标强度标准值强度设计值屈服强度抗拉强度抗拉抗压抗弯抗剪端面承压抗拉抗压抗弯抗剪端面承压水电站压力钢管用钢Q345S（GB/T 31946）热轧、控轧或正火125050100100150345305285490490480345305285200175165490490480310275255180160145415415405Q490S（GB/T 31946）淬火回火或TMCP回火1250501001001504904704506105905704254154002452

26、40230610590570380375360220215205515500485Q560S（GB/T 31946）125050100560540690670485470280270690670435420250240585570Q690S（GB/T 31946）125050100690670780760545530315305780760490480280275660645优质碳素结构钢30354045（GB/T 699）正火、淬火或回火250295315335355490530570600295315335355170180190205490530570600270290305325155

27、1651751854254604955205.1.5 钢板的弹性模量可采用2.06105 N/mm2，泊松比可采用0.3，线膨胀系数可采用1.210-5/，重度可采用7.8510-5N/mm3。5.2 止水、焊材和混凝土5.2.1 法兰及进人孔止水材料可选用橡胶、夹布型止水橡胶、金属垫片等。5.2.2 钢管结构所用的焊条、焊丝和焊剂应与母材相匹配。特殊钢种所用焊接材料应通过试验确定。5.2.3 钢管外回填混凝土强度等级应不低于C20，经研究可采用膨胀性掺和料或干缩较小的混凝土，并应符合现行行业标准水工混凝土结构设计规范DL/T 5057的有关规定。6 水 力 计 算6.0.1 输水系统水力设计

28、应适应抽水蓄能电站运行工况转换频繁，双向水流运动特点，过渡过程应满足输水发电系统调节稳定性和电站快速响应能力。6.0.2 水力计算应包括水头损失和水击压力计算，其成果应包括钢管各控制断面最高、最低压力。6.0.3 各项水头损失计算宜按现行行业标准水电站调压室设计规范NB/T35021的有关规定执行，并应对发电、抽水两种工况分别计算。6.0.4 水击压力计算应根据设计阶段、工程规模等选用解析法、数值分析法等，必要时，进行模型试验。在计算分析、试验基础上应根据工程重要性及输水系统布置特点，结合工程实践经验综合分析后确定。6.0.5 水击压力计算工况分为设计工况和校核工况，具体应根据电站输水系统布置

29、及电力系统的运行情况确定：1 设计工况为在电站正常运用范围内不利的水力过渡过程计算边界条件下，电站正常运用（包括开停机、增减负荷、正常工况转换以及稳定运行等状态）或正常运用时考虑一个偶发事件（设备故障、电力系统故障）引起的过渡工况。2 校核工况为在上述条件下考虑两个互相独立的偶发事件引起的过渡工况。6.0.6 水击压力应在水力过渡过程计算值的基础上，考虑压力脉动裕量修正和计算误差修正，留一定的裕度。6.0.7 钢管末端水击压力值，不应小于正常蓄水位钢管静水压力的10%。7 结 构 分 析7.1 一般规定7.1.1 本标准采用概率极限状态设计原则，按分项系数设计表达式进行设计。7.1.2 本标准

30、钢管结构按承载能力极限状态设计：钢管主要结构构件均应进行承载能力计算，管壁和加劲环还应进行抗外压稳定计算。7.1.3 钢管结构设计中，钢管的结构安全级别应按现行国家标准水利水电工程结构可靠性设计统一标准 GB 50199执行，相应的结构重要性系数不应小于表7.1.3所列数值。表7.1.3 钢管的结构安全级别及结构重要性系数水工建筑物级别钢管的结构安全级别结构重要性系数 11.1 2、31.07.1.4 钢管结构设计分为持久状况、短暂状况、偶然状况三种设计状况。三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计。按承载能力极限状态设计，设计状况系数的取值如下：1 持久状况，；2 短暂状况，；3 偶然状况，

31、。7.1.5 按承载能力极限状态设计，设计表达式中的结构系数应根据管型、应力区域及所在部位和应力种类等因素按表7.1.5-1或表7.1.5-2的规定确定。表7.1.5-1 不同管型的结构系数管 型应力种类内力种类结构系数（）明 管整体膜应力轴 力1.6局部应力局部膜应力轴 力1.3局部膜应力+弯曲应力轴力+弯矩1.1地下埋管整体膜应力轴 力1.25注：1 表中适用于焊缝系数的情况，若，则应乘以；2 主厂房内的明管，宜增大10%20%； 3 水压试验情况，应降低10%。表7.1.5-2 岔管结构系数管 型应力种类部 位结构系数（）地下埋藏式岔管整体膜应力膜应力区的管壁1.50局部膜应力肋板、补强

32、环1.35距承受弯矩的加强构件以内及转角点处管壁中面、加强梁1.20局部膜应力+弯曲应力距承受弯矩的加强构件以内及转角点处管壁表面、补强板1.10 注：1 表中适用于焊缝系数的情况，若，则应乘以； 2 水压试验情况，值应降低10%。 7.1.6 焊缝无损探伤抽查率和焊缝系数值，应按表7.1.6的规定确定。表7.1.6 焊缝无损探伤抽查率及焊缝系数无损探伤方法射线探伤（%）超声波探伤（%）焊缝类别一类二类一类二类钢种低合金钢251010050高强钢4020100100焊缝系数双面对接焊0.95单面对接焊、有垫板0.90注：1 根据工程具体情况，设计所提探伤要求不应低于本表列标准；焊缝无损探伤可选

33、用射线探伤或超声波探伤；当采用超声波探伤时，应记录缺陷波形备查；对于重要工程的重要部位，宜用衍射时差法超声检测（TOFD）；2 一类焊缝若采用超声波探伤，还应采用射线探伤复验，复验长度不应小于焊缝总长度的5%，每条纵缝不应少于一张片；3 二类焊缝经超声波探伤有可疑波形、不能准确判断时，则应采用射线探伤复验，复验长度不应小于焊缝总长度的5%；4 高强钢系指440 N/mm2，且550 N/mm2的调质或非调质钢； 5 焊缝系数取值应符合相应探伤要求，经论证有可靠技术保证措施时，亦可取； 6 焊缝分类见本标准8.1.7； 7 加劲环、阻水环、止推环的角焊逢的探伤比例可适当降低。7.1.7 钢管结构

34、设计中，永久作用、可变作用的标准值和偶然作用的代表值以及相应的作用分项系数，除本标准已有规定外，应按现行行业标准水工建筑物荷载设计规范DL 5077执行。各种管型结构设计应计入的作用以及按承载能力极限状态设计的作用分项系数，按表7.1.7确定；表7.1.7 作用分类及按承载能力极限状态设计的作用分项系数序 号作 用 名 称明管地下埋管地下埋藏式岔管作用分项系数 （1）（1a）内水压力正常蓄水位的静水压力静水压力=1.0水击压力=1.1（1b）正常运行情况最高压力（静水压力+水击压力）（1c）特殊运行情况最高压力（静水压力+水击压力）静水压力=1.0水击压力=1.1（1d）水压试验内水压力=1.

35、0（2）管道结构自重=1.05（=0.95）（3）管道满水重=1.0（4）灌浆压力=1.3（5）管道放空时通气设备造成的气压差=1.0（6）外水压力=1.0注：1 作用（1b）和（1c）的计算工况分别对应6.0.3的设计工况和校核工况；2 序号（2）中作用分项系数括号内数值在自重作用效应对结构有利时采用；3 序号（5）中管道放空时通气设备造成的气压差不应小于0.05 N/mm2，亦不应大于0.1N/mm2；4 表中、分别为永久作用、可变作用、偶然作用的分项系数；5 抗外压稳定计算时，表中的作用分项系数均取1.0。7.1.8 钢管结构构件吊装验算时，自重应计入动力系数，动力系数可取为1.2，也可

36、根据实际情况适当增减。7.1.9 钢管结构设计按承载能力极限状态设计的要求，对不同设计状况下可能同时出现的作用组合按表7.1.9-1的规定确定。各种管型按承载能力极限状态设计的设计状况及作用组合按表7.1.9-2的规定确定。表7.1.9-1 作用组合的一般规定极限状态设计状况作 用 组 合组 合 类 别组 成承载能力极限状态持久状况基本组合永久作用+可变作用短暂状况偶然状况偶然组合永久作用+可变作用+一种偶然作用表7.1.9-2 按承载能力极限状态设计的设计状况及作用组合管型设计状况作 用 组 合计 算 情 况组合类别组 合 项 次明管持久状况基本组合（1b）+（2）+（3）正常运行情况一（1

37、a）+（2）+（3）正常运行情况二短暂状况（1d）+（2）+（3）水压试验情况（5）放空情况偶然状况偶然组合（1c）+（2）+（3）特殊运行情况地下埋管持久状况基本组合（1b）正常运行情况短暂状况（4）施工情况（5）+（6）放空情况偶然状况偶然组合（1c）特殊运行情况地下埋藏式岔管持久状况基本组合（1b）正常运行情况短暂状况（1d）水压试验情况（4）施工情况（5）+（6）放空情况偶然状况偶然组合（1c）特殊运行情况注：组合项次中的作用序号及作用分项系数按表7.1.7确定。 7.1.10 按承载能力极限状态，各计算点的应力应符合下列要求： （7.1.10-1）对于基本组合，的一般表达式为： （7.1.10-2） 对于偶然组合，的一般表达式为： （7.1.10-3）各计算点的应力应按第四强度理论计算，其计算式为：（7.1.10-4）按平面问题计算，亦可简化为下列公式：