水电站压力钢管设计规范试行SD14485.docx
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水电站压力钢管设计规范试行SD14485
第一章总则
第二章布置
第三章材料
第四章水力计算
第五章结构分析
第六章岔管
第七章构造要求
第八章水压试验
第九章原型观测和检查维修
附录
（一）明管结构分析方法
附录
（二）地下埋管结构分析方法
附录（三）坝内埋管结构分析方法
附录（四）岔管结构分析方法
附录（五）钢管防腐蚀措施
附录（六）规范用词说明
参考附录（七）
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水电站压力钢管设计规范（试行）
SD144—85
中华人民共和国水利电力部
关于颁发《SD144—85水电站压力
钢管设计规范（试行）》
（85）水电水规字第32号
根据国家计委关于编制设计规范的要求，我部委托部昆明勘测设计院会同有关设计、科研和高等院校等十一个单位编制了《SD144—85水电站压力钢管设计规范》。
在编制过程中得到了各有关单位的积极支持，进行了广泛的调查研究和征求意见，并吸收了有关科研成果。
现颁发《SD144—85水电站压力钢管设计规范（试行）》。
于一九八五年十月实施。
各单位在试行中，如有意见，请随时告知部水利水电建设总局和昆明勘测设计院。
一九八五年四月二十九日
本规范主要编写人员
编写内容
单位
主要编写人员
通用部分、明管、地下埋管及
水电部昆明勘测设计院
诸葛睿鉴、金章瑄、黄伟
汇编全文坝内埋管
水电部西北勘测设计院
袁培义
水电部北京勘测设计院
潘玉华、邱彬如
三梁岔、球岔及汇编岔管部分
水电部华东勘测设计院
巫必灵、吕谷生
月牙岔及无梁岔
浙江大学力学系
洪嘉智、钟秉章
贴边岔及明管振动
同济大学数学力学系
徐次达
强度理论和埋管抗外
华东水利学院河川系
刘启钊
压稳定分析
水力计算及地下埋管
清华大学水利系
谷兆琪
结构分析
构造要求
水电部第十四工程局安装处
张树森
防腐蚀措施
江苏省三河闸管理处
王宁强
伸缩节结构分析
长江流域规划办公室
刘奕光
第一章总则
第1.0.1条本规范适用于：
一、水电站1、2、3级压力钢管（引水发电钢管）的设计。
4、5级压力钢管设计可参照使用。
钢管级别划分应按水利电力部：
《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（山区、丘陵区部分）（SDJ12—78试行）执行。
表1.0.1
结构型式
直径（m）
设计内压（kg/cm2）
内压×直径（103kg/cm）
明管
地下埋管
坝内埋管
5
8
8
60
80
15
8
17
10
二、参数不大于表1.0.1的压力钢管。
参数超过表1.0.1的钢管，可参照使用，并作必要的补充研究。
第1.0.2条水电站压力钢管的结构型式可分为（见图1.0.2）：
明管：
暴露在空气中；
地下埋管：
埋入岩体中，钢管与岩壁之间填筑混凝土或水泥砂浆；
坝内埋管：
埋设在坝体混凝土中；
其他：
坝后背管、回填管（在地面挖沟，安装钢管后回填土）等。
本规范仅对明管、地下埋管及混凝土重力坝坝内埋管作出规定，其他型式可参照有关条文执行。
图1.0.2压力钢管的型式
（一）
（a）明管；（b）地下埋管；（c）回填管
图1.0.2压力钢管的型式
（二）
（d）坝后背管；（e）坝内埋管
第1.0.3条当工程设计单位认为不能遵守本规范的规定性条文时，必须作出论证。
重大事项须经该工程审批机关同意。
第1.0.4条已颁发的、与压力钢管有关的规范、标准，凡与本规范有矛盾者，以本规范为准。
第二章布置
第一节一般规定
第2.1.1条钢管线路应符合总体布置要求，并考虑地形、地质条件，经过技术经济比较确定。
一般线路宜短而直，使水流平顺，水头损失小，施工及运行安全、方便。
第2.1.2条钢管根数应根据机组台数、管线长短、机组安装的分期、加工制作和安装水平、运输条件、地形和地质条件、电站运行方式及在电力系统中的地位等因素，经技术经济比较后确定。
第2.1.3条管径应根据技术经济比较确定。
可根据布置和内压变化情况分段定出几种管径。
但变径次数不宜过多。
第2.1.4条钢管顶部至少应在最低压力线以下2m。
第2.1.5条明钢管、坝内钢管以及水轮机前不设进水阀的地下埋管，在管道首端须设快速闸阀和必要的检修设施。
地下埋管，若自取水口至钢管道前的引水道较长，或钢管内压较大，而埋深不大，应在首端设事故闸阀。
钢管宜设过流保护装置。
第2.1.6条钢管首端的快速闸阀或事故闸阀必须有远方（中央控制室）和就地操作装置，操作装置必须有可靠电源。
第2.1.7条紧靠快速闸阀和事故闸阀下游必须设置通气孔（井）或通气阀，充水阀出水水流不得封堵通气孔口。
通气孔上端宜在启闭室之外，高于校核洪水位。
第2.1.8条钢管转弯半径不宜小于3倍管径。
位置相近的平面转弯和立面转弯宜合并成立体转弯；位置相近的弯管和渐缩管宜合并成渐缩弯管。
第2.1.9条在钢管最低点宜设排水设施。
第二节明管
第2.2.1条明管线路应避开可能产生滑坡或崩坍的地段。
个别管段若不能避开山洪、坠石等影响时，可作成洞内明管、地下埋管或外包混凝土的回填管。
第2.2.2条为避免在钢管发生意外事故时危及电站设备和人员的安全，应考虑设置事故排水和防冲设施。
第2.2.3条明管底部至少应高出地表0.6m。
第2.2.4条明管宜做成分段式。
转弯处设有镇墩，其间钢管用支墩支承。
两镇墩间设有伸缩节。
伸缩节宜设在镇墩下游。
若直线管段过长（约大于150m），可在其间加设镇墩。
若管道纵坡较缓，也可不加镇墩，而将伸缩节置于该段中部。
钢管穿过主厂房上游墙处，宜设柔性垫层圈。
第2.2.5条支座间距应通过钢管应力分析，并考虑安装条件，支座型式、地基条件等因素确定。
在两相邻镇墩之间，宜按等距布置。
设有伸缩节的一跨，间距宜缩短。
支座型式可根据管径D确定：
D≤1m钢管无支承环，鞍型支座；
D≤2m钢管有支承环，鞍型支座；
D=1～3m钢管有支承环，滑动支座；
D＞2m滚动支座；
D＞2m摇摆支座。
若地基可能产生不均匀沉陷，应采取相应结构措施。
第2.2.6条镇、支墩的间距，在地震区宜缩短。
第2.2.7条管道两侧应布置排水沟，并应在钢管下的地面上设置横向排水沟。
应沿管线设置交通道。
第三节地下埋管
第2.3.1条地下埋管线路宜选择在地形、地质条件优越的地区，应避开山岩压力、地下水压力和涌水量很大的地段。
管线宜深埋，覆盖岩层厚度要求可按附录
（二）、二计算。
第2.3.2条地下埋管宜用单管多机供水方式。
若管道较短引用流量较大、机组台数较多、分期时间间隔较长或工程地质条件不宜开挖大断面洞井，经技术经济比较，可采用两根或更多的管道，相邻两管间距除考虑开挖爆破影响外，还应进行岩体强度验算。
第2.3.3条洞井型式（平洞、斜井、竖井）及坡度，应根据布置要求、工程地质条件、施工条件选用。
第2.3.4条在地下水压较高的地区宜设置排水措施。
排水措施可采用排水洞、排水孔、排水管系统，并结合灌浆帷幕等。
排水措施必须可靠，宜能检修。
应布置长期观测井或测压计，监视地下水位变化情况。
第四节坝内埋管
第2.4.1条压力钢管的平面位置宜位于坝段中央，其直径不宜大于坝段宽度的1/3。
布置管线时应考虑钢管对坝体稳定和应力的影响及施工的干扰。
第2.4.2条通气孔布置应防止管口溢水影响坝后电气设备的正常运行。
第2.4.3条钢管进口处应设充水阀或旁通管充水，充水阀和旁通管面积宜小于通气孔面积的1/5。
第三章材料
第一节钢材
第3.1.1条钢管所用钢材的性能必须符合现行国家标准《普通碳素钢钢号和一般技术条件》（GB700—79）、《低合金结构钢技术条件》（GB1591—79）、《碳素钢铸件分类及技术条件》（GB979—67）的要求，钢板必须符合《普通碳素钢及低合金钢热轧厚钢板技术条件》（GB3274—82）的要求。
第3.1.2条钢管主要受力构件，包括：
管壁、支承环、岔管加强构件等应使用镇静钢。
钢种宜用A3、16Mn和经正火的15MnV和15MnTi。
如需使用其他钢种，需先研究其性能确定相应的焊接方式、热处理办法等工艺措施。
明管支座滚轮可采用A3、A4、A5、16Mn或35、45优质钢，ZG35、ZG45、ZG55Ⅰ、Ⅱ级铸件。
支座支承板可采用A3F或16Mn钢板。
支座垫板可采用上列钢板或铸件。
所有钢材须用平炉、电炉或纯氧顶吹转炉冶炼。
第3.1.3条主要受力构件钢材的保证条件，除抗拉强度、屈服点、伸长率、磷和硫含量等指标外，还必须满足下列条件：
须经冷弯的构件：
冷弯试验。
须经焊接的构件：
保证可焊性，包括，适宜的焊条，焊前、焊后热处理方式等。
焊后强度应不低于母材。
冲击值不得小于表3.1.3数值（kg·m/cm2）（横试件）。
表3.1.3
室温
0℃
应变时效后
6
3
3
对沿钢板厚度方向受拉力的构件，每张钢板都应严格检验。
第3.1.4条设计中，钢材弹性模量E可采用2.1×106kg/cm2，波桑比
可采用0.3，线膨胀系数
可采用1.2×10-5/℃。
第3.1.5条钢管结构所用的焊条、焊丝和焊剂应与母材相适应。
常用焊接材料见《水工建筑物金属结构制造、安装及验收规范》（SLJ201—80、DLJ201—80）。
第二节防腐蚀、止水、混凝土和钢筋混凝土材料
第3.2.1条应根据应用条件、腐蚀介质、结构尺寸及防腐蚀要求，合理地选用有效的防腐蚀材料，详见附录（五）。
第3.2.2条伸缩节常用止水材料为：
油浸麻、橡皮、石棉等。
法兰及人孔常用止水材料：
橡皮、夹布型止水橡皮、石棉、铅等。
第3.2.3条镇墩、支墩及回填混凝土所用的混凝土和钢筋混凝土材料，其质量要求应符合水利电力部《水工钢筋混凝土结构规范》（SDJ20—78试行）及《水工混凝土施工规范》（SDJ207—82试行）。
第四章水力计算
第4.0.1条水力计算应包括：
水头损失和水锤计算。
其成果应包括：
（1）正常工作情况最高压力线；
（2）特殊工作情况最高压力线；
（3）最低压力线。
水锤计算是调节保证计算的一部分，应与机组转速变化计算配合进行。
第4.0.2条水锤计算，应根据本电站及电力系统的运行情况确定计算工况。
钢管末端压力升高的采用值不应小于正常蓄水位钢管静水压力的10%。
水锤压力初步计算可按下列工况进行。
一、正常工作情况最高压力计算
（一）钢管水锤：
相应于水库正常蓄水位，由本钢管供水的全部机组突然丢弃全部负荷。
（二）调压室或压力前池最高涌浪：
相应于水库正常蓄水位，经由本调压室或压力前池供水的全部机组突然丢弃全部负荷。
钢管水锤与调压室或压力前池涌浪如有重迭可能者应考虑其相遇效应。
（三）如研究电站运行情况后，认为不可能同时丢弃全部负荷，可以按丢弃部分负荷计算。
二、特殊工作情况最高压力计算
情况同上，但水库水位为最高发电水位。
三、最低压力计算
（一）钢管水锤：
相应于水库死水位，由本钢管供水的全部机组除一台外都在满发，未带负荷的一台机组由空转增荷至满发。
（二）如系统有特殊运行要求，可根据具体情况确定增荷幅度。
第五章结构分析
第一节一般规定
第5.1.1条允许应力：
按弹性工作状态计算所得应力不应大于表5.1.1数值。
表5.1.1
应力区域
膜应力区
局部应力区
荷载组合
基本
特殊
基本
特殊
产生应力的内力
轴力
轴力
轴力和弯矩
轴力
轴力和弯矩
允许应力
明钢管
0.55
0.7
0.67
0.85
0.8
1.0
地下埋管
0.67
0.9
坝内埋管
0.67
0.8
0.9
注：
①若屈强比大于0.67，应以
计算允许应力（相当于基本荷载组合，膜应力区允许应力对抗拉强度的安全系数不低于2.71—明管；2.23—地下埋管和坝内埋管）。
②地下埋管和坝内埋管的管壁和加劲环承受外压力的允许压应力，应按明管采用。
③试用新钢种时，应视其机械性能的可靠程度，酌降允许应力。
④铸钢件和主厂房内的明钢管应按表5.1.1的允许应力降低20%。
弯管降10%。
岔管的允许应力另见第六章。
⑤地下埋管满足埋深要求（可按附录
（二）、二计算）者才能按表5.1.1第二行地下埋管取用允许应力。
若埋深不足，可按附录
（二）、二处理。
⑥坝内埋管膜应力区特殊荷载组合允许应力
仅适用于按明管校核情况，其他情况都用
参见第5.4.2条。
⑦
为钢材抗拉强度，
为屈服点，屈强比为
。
第5.1.2条焊缝系数
值，按表5.1.2采用。
第5.1.3条强度校核
各计算点应力应满足下列强度条件：
式中
、
——轴向、环向正应力（以拉为正）；
——剪应力；
——焊缝系数；
[
]——相应计算情况的允许应力。
表5.1.2
焊缝类别
一类
二类
一、超声波探伤抽查率%
100
50
二、射线照相抽查率%
25
10
焊缝系数
双面对接焊
0.95
单面对接焊、有垫板
0.90
注：
①可根据本工程情况选用上表中的探伤方法一或二。
重要工程钢管的一类焊缝，用超声波检验时，应使用射线探伤复验，复验长度为该条焊缝的5%。
二类焊缝则只在超声波检验有可疑波形，不能准确判断时，才用射线复验。
②焊缝分类见第7.1.6条。
第5.1.4条钢管抗外压稳定安全系数不得小于：
（1）明管的管壁和加劲环2.0；
（2）地下埋管和坝内埋管：
光面管和锚筋加劲管的管壁2.0；用加劲环加劲的钢管管壁和加劲环1.8。
第5.1.5条明管、地下埋管和坝内埋管抗外压强度校核可采用锅炉公式。
第5.1.6条考虑锈蚀、磨损及钢板厚度误差，管壁厚度应至少比计算值增加2mm，在泥沙磨损较严重的工程中，应作专门论证。
第二节明管
第5.2.1条明管结构分析的荷载及计算工况如下：
一、荷载
（1）内水压力：
（1.0）正常蓄水位的静水压力；
（1.1）正常工作情况最高压力（见第四章）；
（1.2）特殊工作情况最高压力（见第四章）；
（1.3）水压试验内水压力；
（2）钢管结构自重；
（3）钢管内的满水重；
（4）钢管充水、放水过程中，管内部分水重；
（5）由温度变化引起的力：
对于分段式明管，即伸缩节和支座的摩擦力；
（6）管道直径变化处、转弯处及作用在堵头、闸阀、伸缩节上的水压力；
（7）镇墩、支墩不均匀沉陷引起的力；
（8）风荷载；
（9）雪荷载；
（10）施工荷载；
（11）地震荷载，参见水电部：
《水工建筑物抗震设计规范》（SDJ10—78）（试行）；
（12）管道放空时，通气设备造成的气压差（通气孔面积和气压差可按附录
（一）、七计算）。
二、计算工况与荷载组合
可根据工程具体情况，选用计算工况。
（一）基本荷载组合：
（1）正常运行情况
（一）：
（1.1）+
（2）+（3）+（5）+（6）+（7）；
（2）正常运行情况
（二）：
（1.0）+
（2）+（3）+（5）+（6）+（7）+（8）或（9）；
（3）放空情况：
（12）。
（二）特殊荷载组合：
（1）特殊运行情况：
（1.2）+
（2）+（3）+（5）+（6）+（7）；
（2）水压试验情况：
（1.3）+
（2）+（3）+（6）；
（3）施工情况：
（2）+（5）+（8）或（9）+（10）；
（4）充水情况：
（2）+（4）；
（5）地震情况：
（1.0）+
（2）+（3）+（5）+（6）+（7）+（11）。
第5.2.2条分段式明钢管、支墩和镇墩上的作用力可按附录
（一）、一计算。
第5.2.3条有支承环的钢管承受内压作用时，其基本计算部位为：
①跨中；②支承环旁管壁膜应力区边缘；③加劲环及其旁管壁；④支承环及其旁管壁（见附图1.1）；其计算方法可按附录
（一）。
第5.2.4条支承环的支承型式，应结合整个管道工程的技术经济条件选择。
可采用侧支承或下支承型式（见附图1.7）。
支承环应力分析方法可按附录
（一）。
第5.2.5条管壁抗外压稳定临界压力可按附录
（一）、四计算。
加劲环抗外压稳定临界压力和应力分析可按附录
（一）、五计算。
第5.2.6条镇、支墩地基应坚实、稳定，宜设置在岩基上。
地基应力最大值应不超过地基的允许承载力。
墩体尺寸应有利于使基础应力趋于均匀分布。
镇、支墩若置于土基、半岩基上，除应满足承载力及稳定等要求外，必须研究基础不均匀沉陷对钢管内力的影响。
第三节地下埋管
第5.3.1条地下埋管结构分析中，应由钢管、混凝土衬砌、岩石共同承担内水压力，并考虑三者之间存在着缝隙。
结构分析及覆盖岩层厚度要求可按附录
（二）、一和二进行。
混凝土衬砌承受山岩压力及传递围岩弹性抗力，结构分析方法可参考水工隧洞设计规范。
承受山岩压力情况与传递内压情况，可分别计算，不予叠加。
全部外水压力及负压应考虑由钢管承担。
稳定分析方法可按附录
（二）、三计算。
第5.3.2条地下埋管结构分析荷载和计算工况如下：
一、荷载
（1）内水压力：
（1.1）正常工作情况最高压力（见第四章）；
（1.2）特殊工作情况最高压力（见第四章）；
（2）地下水压力；
（3）管道放空时，通气设备造成的气压差（通气孔面积和气压差可按附录
（一）、七计算）；
（4）施工荷载：
包括灌浆压力或未凝固混凝土压力等。
二、计算工况与荷载组合：
可根据工程具体情况，选用计算情况。
（一）基本荷载组合：
（1）正常运行情况：
（1.1）；
（2）放空情况：
2+3；
（二）特殊荷载组合：
（1）特殊运行情况：
（1.2）；
（2）施工情况；（4）。
（地下埋管通常不作水压试验。
若作水压试验可列为特殊荷载组合。
）
第5.3.3条地下埋管应充分利用围岩的承载能力。
应对其工程地质条件作充分的研究，以确定其承载能力。
在复杂的地质条件下和重要的工程，应使用有限元法进行分析
第5.3.4条邻近厂房上游的一段钢管衬砌，应将围岩单位弹性抗力系数酌减使用。
第5.3.5条地下埋管承受的地下水压力值，可根据勘测资料并考虑水库蓄水和引水系统渗漏等影响确定。
与钢筋混凝土衬砌段相联的钢管，接头处应妥善处理。
计算中应考虑因混凝土裂缝漏水而增加地下水压力的可能性。
第四节坝内埋管
第5.4.1条坝内埋管结构分析原则
一、承受内水压力
1.若外围混凝土最小厚度大于钢管直径，应将坝内埋管视为钢管、钢筋和混凝土组成的多层管共同承担内水压力，并考虑钢管与混凝土间的缝隙和混凝土的裂缝影响。
结构分析可按附录（三）进行。
2.若外围混凝土最小厚度在钢管半径与直径之间，是否考虑联合承载应经论证。
3.若外围混凝土最小厚度小于钢管半径，宜由钢管单独承载。
允许应力取表5.1.1第三行坝内埋管的值。
4.设有弹性垫层的钢管，可按明管设计。
允许应力可比表5.1.1第一行明管的值稍予提高，但不得超过其1.1倍。
二、承受外压
全部外压应考虑由钢管承坦，稳定分析可按附录（三）进行。
第5.4.2条坝内埋管荷载和荷载组合
一、荷载
（1）内水压力：
（1.1）正常工作情况最高压力（见第四章）；
（1.2）特殊工作情况最高压力（见第四章）；
（2）坝体渗流水压力；
（3）施工荷载：
灌浆压力或未凝固混凝土压力等。
二、荷载组合
（一）基本荷载组合：
（1）正常运行情况：
（1.1）；
（2）放空情况：
（2）。
（二）特殊荷载组合：
（1）特殊运行情况：
（1.2）；
（2）明管校核情况：
校核钢管单独承受正常运行情况时的内水压力（1.1）；
（3）施工情况：
（3）。
第5.4.3条坝体渗流水压力可假定沿管轴线直线变化，钢管首端为
H，坝下游面处为零。
H为上游正常蓄水位至钢管首端的静水压力。
为折减系数，可根据采用的防渗、排水、灌浆等措施取1.0～0.5。
最小外压力不小于2kg/cm2。
第六章岔管
第一节布置
第6.1.1条岔管设计，必须考虑下列条件：
一、结构合理，不产生过大的应力集中和变形。
二、水流平顺，水头损失小，减少涡流和振动。
分岔后流速宜逐步加快。
三、制作、运输、安装方便。
第6.1.2条选择岔管型式，应进行技术经济比较。
考虑的因素包括制作和土建费用，水头损失、内水压力的大小、岔管尺寸和受力条件、布置型式、施工经验等。
第6.1.3条岔管主、支管中心线宜布置在同一平面内。
第6.1.4条岔管的典型布置有以下三种：
一、卜形布置（图6.1.4.1）。
二、对称Y形布置（图6.1.4.2）。
三、三岔布置（图6.1.4.3）。
图6.1.4.1卜形布置
图6.1.4.2对称Y形布置
图6.1.4.3三岔布置
若机组台数较多，可采用Y形-卜形或Y形-三岔组合布置。
第6.1.5条宜在岔管的最低部位布置排水管（应避开加强构件）。
高水头岔管顶部凸出处应布置排气管。
第二节计算荷载和允许应力
第6.2.1条计算荷载和工况。
一、计算荷载
（1）内水压力：
（1.0）正常蓄水位的静水压；
（1.1）正常工作情况最高压力（见第四章）；
（1.2）特殊工作情况最高压力（见第四章）；
（1.3）水压试验压力（不小于1.25倍（1.1）项内水压力并不小于1.2项内水压力）。
（2）地下水压力：
地下埋管计入，其数值应根据蓄水后的地下水位线及引水系统的渗漏影响和排水措施的效果确定。
（3）灌浆压力及未凝固混凝土荷载：
地下埋管计入，按钢管与混凝土间的接缝灌浆压力及未凝固混凝土压力计算。
（4）地震荷载：
参见水利电力部《水工建筑物抗震设计规范》SDJ10—78（试行）。
（5）温度荷载：
岔管设计中一般可不考虑温度荷载。
但对无伸缩节的大型明岔管，应尽量减少安装合龙温度和运行期的温度之差值以降低温度应力。
二、计算工况和荷载组合：
见表6.2.1。
第6.2.2条允许应力
一、明岔管（包括完全露天的岔管和埋在露天镇墩中的岔管），允许应力按表6.2.2采用。
表6.2.1
荷载组合
明岔管
埋藏岔管
基本荷
载组合
正常运行工况
（1.1）
（1.1）
检修工况
（2）
特殊荷
载组合
特殊运行工况
（1.2）
（1.2）
施工工况
（3）
水压试验工况
（1.3）
（1.3）
地震工况
（1.0）+（4）
表6.2.2
应力区域
部位
荷载
基本
特殊
膜应力区
[
]1
膜应力区的管壁及小偏心受拉的加强构件
0.5
0.7
局部应力区
距加强梁
以内及转角点处管壁
0.8
1.0
[
]2
承受弯矩的外加强梁
0.67
0.8
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