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月牙肋岔管及其安全監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)研究

文檔作者：曹敏文檔來(lái)源：甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年03月03日
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第52卷第9期
2016年9月
甘肅水利水電技術(shù)
GANSU WATER砌璐oURaEs心m HⅥ峨0POWER T1刪OLOGY V01．52，No．9
Sep．，2016
·設(shè)計(jì)與研究·
月牙肋岔管及其安全監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)研究
曹日7敏隊(duì)
(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州730000)
摘要：結(jié)合工程實(shí)際論述了月牙肋岔管體型、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)月牙肋岔管的安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索性設(shè)計(jì)研究。
●
關(guān)鍵詞：月牙肋岔管；體型；結(jié)構(gòu)類(lèi)型；安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)；設(shè)備選擇
中圖分類(lèi)號(hào)：TV732+．41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095-0144(2016)09-0028-04
1 概述
水電站壓力鋼管一般由主管、岔管和支管三大
部分組成。岔管部分主要起分流作用，由于體形內(nèi)
部為空間結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，是整個(gè)壓力鋼管的技術(shù)關(guān)
鍵點(diǎn)。岔管的主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型有月牙肋岔管、三梁岔
管、球形岔管、無(wú)梁岔管、貼邊岔管等。月牙肋岔管
結(jié)構(gòu)流態(tài)良好，水頭損失小，結(jié)構(gòu)可靠，受力科學(xué)合
理而又材料節(jié)省，此結(jié)構(gòu)類(lèi)型近年來(lái)在國(guó)內(nèi)一些
HD(H是管道所承受的水頭p是管道內(nèi)徑；liD值是
衡量壓力管道規(guī)模及技術(shù)難度的重要參考值)較大
的工程中已逐漸成為首選方案。
水電站壓力鋼管是水電站的重要建筑物。壓力
鋼管若發(fā)生破壞，則對(duì)發(fā)電廠(chǎng)房和下游村鎮(zhèn)會(huì)造成
巨大財(cái)產(chǎn)損失和人身危害。《工程建設(shè)強(qiáng)制性條
文——水利工程部分》【I和《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)
范滬均要求對(duì)滿(mǎn)足條件的壓力鋼管應(yīng)做安全監(jiān)測(cè)，
但對(duì)壓力鋼管岔管部分的監(jiān)測(cè)并無(wú)明確表述和詳細(xì)
說(shuō)明。岔管部分作為壓力鋼管的重要部位，受力復(fù)
雜，體形變化異常，設(shè)計(jì)制造難度大，應(yīng)是安全監(jiān)測(cè)
的重要部位。因此，對(duì)月牙肋岔管安全監(jiān)測(cè)的研究
具有十分重要的意義。結(jié)合某水電站工程實(shí)例，對(duì)月
牙肋岔管的安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)進(jìn)行探索性設(shè)計(jì)研究。
2月牙肋鋼岔管的體型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
某水電站工程引水發(fā)電隧洞通過(guò)調(diào)壓井后，在
隧洞出口處接壓力鋼管主管，主管經(jīng)上彎管段、斜管
段、下彎管段、水平直管段后接入1。、∥號(hào)月牙肋鋼
岔管段，岔管分流后由3個(gè)支管分別接入廠(chǎng)房?jī)?nèi)的
3臺(tái)水輪機(jī)組。引水發(fā)電系統(tǒng)壓力鋼管按3級(jí)建筑
物設(shè)計(jì)。抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，設(shè)計(jì)烈度確定為Ⅷ
度。主管內(nèi)徑8．0 m，電站設(shè)計(jì)引水流量150．60 m3，s；
支管內(nèi)徑3．8 m，單管引用流量50．2 m3／s；最大水頭
42．46 m；總裝機(jī)容量51 Mw(3×17 Mw)。主管、岔
管及支管外包C25鋼筋混凝土，鋼管主管及月牙肋
岔管主材材質(zhì)為Q345B。施工完成后表面回填平
整。主管、1。月牙肋岔管和∥月牙肋岔管及支管平
面布置如圖1所示。
1”月牙肋岔管結(jié)構(gòu)：主管半徑4．0in，接秒岔管
的左支管直徑6．5 m，右支管直徑3．8 in接水輪機(jī)
組。最大公切球半徑R=4．5 m，滿(mǎn)足規(guī)范關(guān)于R宜為
(1．1—1．2)倍主管半徑的規(guī)定；放大率1．125倍。分
岔角肛52．50。鈍角區(qū)腰線(xiàn)折角ao=12．50，主椎管腰
線(xiàn)折角0cl-50 9支椎管腰線(xiàn)折角a2=17．5。。主、支椎管
管壁厚度20ram。1。月牙肋板體型見(jiàn)圖1所示。肋板
內(nèi)緣為拋物線(xiàn)曲線(xiàn)，方程為：：盧5 888．93(3 266．83-x)，
肋板厚度t=44 raino
2。月牙肋岔管結(jié)構(gòu)：主管半徑3．25 m，左、右支
管直徑3．8 m接水輪機(jī)組。最大公切球半徑R=3．7 m，
滿(mǎn)足規(guī)范關(guān)于R宜為(1．1—1．2)倍主管半徑的規(guī)
定；放大率1。138倍。分岔角肛：55。。鈍角區(qū)腰線(xiàn)折角
oto=12．50，主椎管腰線(xiàn)折角al-7．50，左支椎管腰線(xiàn)折
角啦左=17．5。，右支椎管腰線(xiàn)折角嗡=10。。主、支椎
管管壁厚度20 nLrfl?！卧卵览甙弩w型如圖2所示。肋
板內(nèi)緣為拋物線(xiàn)方程為：仁：4 398．99(2 964．21-x)，肋
板厚度t--44 rain。
收稿日期：2016--09—13
作者簡(jiǎn)介：曹敏(1984-)，男，甘肅天水人，工程師，學(xué)士，主要從事水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，E—mail：260890858@qq．corn。
·28·
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第9期曹敏：月牙肋岔管及其安全監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)研究第52卷
1。、2”月牙肋岔管管壁厚度按近似柱(錐)殼應(yīng)
用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算且取大值。
①岔管膜應(yīng)力區(qū)的管壁厚度計(jì)算
。KIn ‘曠—㈣,4,—cosol 式中：K．——岔管蚴區(qū)應(yīng)力計(jì)算系數(shù)，取1．0。1．1；
卜內(nèi)水壓力(N／mm2)；
r{亥節(jié)鋼管最大內(nèi)半徑(mm)；
[盯]?！试S膜應(yīng)力(N／mm2)；
西——焊縫系數(shù)；
a——該節(jié)鋼管半錐頂角(。)。
②局部應(yīng)力區(qū)的管壁厚度
．一K斗
“廣㈦加osⅡ 式中：K廠(chǎng)岔管局部應(yīng)力區(qū)應(yīng)力集中系數(shù)；
【盯]：一允許局部應(yīng)力(N／ram2)。
3壓力鋼管月牙肋岔管的安全監(jiān)測(cè)
3．1 月牙肋岔管安全監(jiān)測(cè)研究的意義
由于月牙肋岔管由空間薄殼和內(nèi)加強(qiáng)月牙肋構(gòu)
成，其傳力體系復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)繁瑣，對(duì)于制造安裝
質(zhì)量要求較高?，F(xiàn)行設(shè)計(jì)方法是在多個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)
上進(jìn)行的，難于準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，岔管通常
靠近廠(chǎng)房布置，一旦發(fā)生事故將會(huì)危及人身安全、造
成重大財(cái)產(chǎn)損失。鑒于月牙肋岔管的重要性和復(fù)雜
性，對(duì)其進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)非常必要。經(jīng)檢索目前對(duì)壓力
鋼管安全監(jiān)測(cè)的研究主要集中在規(guī)整的圓形鋼管方
面，鋼岔管安全監(jiān)測(cè)的工程實(shí)踐及相關(guān)研究和研究
資料較少。工程實(shí)例是在已有規(guī)整的圓形鋼管安全
監(jiān)測(cè)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)月牙肋岔管結(jié)構(gòu)安全監(jiān)
測(cè)設(shè)計(jì)的一種延伸性探討。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2016年第9期甘肅水利水電技術(shù)第52卷
3．2壓力鋼管月牙肋岔管安全監(jiān)測(cè)的依據(jù)和項(xiàng)目
《工程建設(shè)強(qiáng)制性條文——水利工程部分》llJ和
《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范滬列出了應(yīng)做安全監(jiān)測(cè)
的4種情況。
(1)一、二級(jí)壓力鋼管；
(2)電站裝機(jī)容量大于等于100MW的壓力鋼管；
(3)管徑>14 m或作用水頭日≥100 m，或
HD>t400 m2的3級(jí)壓力鋼管；
(4)采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝、新設(shè)計(jì)理論
和方法的壓力鋼管。
工程實(shí)例符合第(3)條“管徑DI>4 m的3級(jí)壓
力鋼管應(yīng)作安全監(jiān)測(cè)”的要求。
安全監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目可根據(jù)鋼管級(jí)別、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和
地質(zhì)條件從下列各項(xiàng)中選定：主要受力構(gòu)件應(yīng)力；鋼
筋應(yīng)力；外包混凝土應(yīng)力；溫度；內(nèi)水壓力；外水壓
力；位移；鋼管振動(dòng)；地下水排水流量；滲漏水流量；
縫隙；混凝土裂縫；流速；含沙量；水質(zhì)分析；工程的
其他要求等。工程實(shí)例中，壓力鋼管月牙肋岔管部
位的安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)主要是岔管不同部位的構(gòu)件應(yīng)力，
岔管的安全監(jiān)測(cè)納入水工金屬結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)和工程
安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并與之相協(xié)調(diào)；監(jiān)測(cè)信號(hào)傳送至水電
站監(jiān)控室的一L位計(jì)算機(jī)顯示應(yīng)力值，并對(duì)其做出“正
?！薄爱惓！薄半U(xiǎn)情”判斷。
3．3壓力鋼管月牙肋岔管安全監(jiān)測(cè)斷面的選取與
布置
監(jiān)測(cè)斷面和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)符合《壓力鋼管安
全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》【3J的要求。監(jiān)測(cè)斷面的選擇既要結(jié)
合月牙肋岔管結(jié)構(gòu)類(lèi)型合理布置，又要盡可能地減
少數(shù)量。．
結(jié)合上述工程壓力鋼管的平面布置，l”、2。月
牙肋岔管合計(jì)共布置了7處監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)斷面位
置及分布如圖1所示。首先選主管斷面為1”監(jiān)測(cè)
斷面，監(jiān)測(cè)管壁環(huán)向應(yīng)力，代表了岔管進(jìn)口部位管
壁應(yīng)力值，如圖2所示。其次分別選擇1”、2”月牙肋
板平面作為49、78監(jiān)測(cè)斷面，根據(jù)月牙肋主要承受
軸向拉力的受力特點(diǎn)和形狀，肋板應(yīng)力的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布
置在肋板中軸線(xiàn)的外邊緣處監(jiān)測(cè)肋板彎曲應(yīng)力，代
表了岔管管中部位主要受力構(gòu)件肋板應(yīng)力值，如圖
3、圖4所示。第三選擇臨近肋板的支椎管斷面為
·30·
24、38監(jiān)測(cè)斷面和5。、6”監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)支椎管壁應(yīng)
力，代表了岔管出口管殼壁應(yīng)力，如圖5、圖6所
示。44、7。監(jiān)測(cè)斷面上的1”月牙肋板、2”月牙肋板均
在中軸處布置了1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，除此外其余的監(jiān)測(cè)斷
面均布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別布置在管頂、管中軸線(xiàn)
外壁和管底。
3．4監(jiān)測(cè)設(shè)備選擇和安裝
壓力鋼管的監(jiān)測(cè)常用設(shè)備主要有：
(1)基于電學(xué)電阻應(yīng)變法的電阻式應(yīng)變計(jì)，主
要由應(yīng)變片、電橋和應(yīng)變儀組成；采用電橋或電位差
計(jì)的測(cè)量電路，將電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)化為電
壓(或電流)的變化，此技術(shù)成熟穩(wěn)定，應(yīng)用較廣。
(2)基于光學(xué)的原理的光纖光柵傳感技術(shù)的光
圖2 1”監(jiān)測(cè)斷面位置
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第9期曹敏：月牙肋岔管及其安全監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)研究第52卷
／
I
0
，q64，J，E，n-
7 ∥。．
監(jiān)測(cè)點(diǎn)
2#-l
圖4 7’監(jiān)測(cè)斷面位置
監(jiān)測(cè)點(diǎn)
廠(chǎng)。、． 廠(chǎng)’式
望．／‘ ＼～ ．／’
2 973．2 2 077．5 ＼監(jiān)測(cè)J
N
圖5 2。、34監(jiān)測(cè)斷面位置
圖6 64、5”監(jiān)測(cè)斷面位置
纖光柵應(yīng)變法，主要有光學(xué)應(yīng)變片和光纖光柵應(yīng)變
傳感器，具有精度高，體積小，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，但價(jià)
格相對(duì)較高。，
(3)光學(xué)應(yīng)變計(jì)。
工程實(shí)例中選用了技術(shù)成熟價(jià)格優(yōu)惠的電阻式
應(yīng)變計(jì)。
電阻應(yīng)變計(jì)的安裝質(zhì)量和防護(hù)非常重要，直接
關(guān)系到監(jiān)測(cè)的質(zhì)量和運(yùn)行壽命。應(yīng)變計(jì)在粘貼時(shí)，應(yīng)
依照下列步驟進(jìn)行。
(1)安裝前先對(duì)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行檢查和阻值測(cè)量，
確保無(wú)斷路、短路，阻值正常。
(2)對(duì)鋼岔管監(jiān)測(cè)點(diǎn)表面處理，清除表面防腐
層及污垢，然后挫平并用細(xì)砂布磨光。
(3)在應(yīng)變計(jì)背面均勻涂上膠水，將其貼在構(gòu)
件上并調(diào)整到正確的位置和角度，定位后應(yīng)變計(jì)應(yīng)
保證粘結(jié)牢固、膠層均勻、無(wú)氣泡且整潔干凈。
(4)導(dǎo)線(xiàn)的焊接與固定，使用三芯或四芯屏蔽電
纜作導(dǎo)線(xiàn)，應(yīng)變計(jì)和導(dǎo)線(xiàn)間通過(guò)接線(xiàn)端子焊接，導(dǎo)線(xiàn)
兩端做好編號(hào)。
(5)應(yīng)變計(jì)及導(dǎo)線(xiàn)的防護(hù)，應(yīng)變計(jì)粘貼檢查合
格后涂上防護(hù)層，做好永久防護(hù)措施。監(jiān)測(cè)設(shè)備的安
裝完成后，應(yīng)做好調(diào)試記錄、初始測(cè)讀等。
3．5安全監(jiān)測(cè)的預(yù)警與運(yùn)行
計(jì)算機(jī)收到傳人的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，應(yīng)結(jié)合岔管設(shè)
計(jì)結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對(duì)岔管運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行
評(píng)價(jià)和判斷。
(1)“險(xiǎn)隋”：當(dāng)監(jiān)測(cè)應(yīng)力值明顯突增且接近屈服
極限值時(shí)，表明岔管臨近應(yīng)力破壞或結(jié)構(gòu)失效的，應(yīng)迅
速采取防護(hù)措施。監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出最高級(jí)別安全預(yù)警。
(2)“異?！保寒?dāng)監(jiān)測(cè)應(yīng)力值增大且突破設(shè)計(jì)許
用應(yīng)力值時(shí)，表明岔管內(nèi)水壓力異變或施加了特別
荷載，應(yīng)進(jìn)行誘因查明和排除。系統(tǒng)發(fā)出巡檢排查級(jí)
別安全預(yù)警。
(3)“正?！保罕O(jiān)測(cè)應(yīng)力值與均值相當(dāng)，數(shù)值平穩(wěn)
無(wú)突變且不大于設(shè)計(jì)允許應(yīng)力值時(shí)，表明鋼岔管處
于正常運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)顯示正常。
4結(jié)語(yǔ)
安全監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)預(yù)警，讓工程運(yùn)行管理
單位能夠準(zhǔn)確掌握和了解鋼岔管的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，
科學(xué)合理的制定巡查檢修計(jì)劃，可及時(shí)消除異常狀
況和險(xiǎn)隋等安全隱患，避免重大突發(fā)事故的發(fā)生。
參考文獻(xiàn)：
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文(水利工程部分)[s】．
[2]SL281—2003，水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范【S】．
[3]DI]1709—1999，壓力鋼管安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程fsl．
萬(wàn)方數(shù)據(jù)

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