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管道设计6269266

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管道 设计 6269266
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249图 9—1—1 正确的和不正确的吸水管安装正确不正确第九章 管道设计本章重点:通过本章的学习,要求广大学员熟练掌握对吸水管路的要求和尺寸确定、布置方式、压力水管的线路选择、布置方式、尺寸确定、水击计算及防护措施等;掌握吸水管材料选择和引水方式的选择及穿墙管连接形式选择、压力水管的类型和铺设方式及支承方式等;了解水击定义、分类和发展过程等。吸水管路和压水管路是泵站的重要组成部分,正确设计,合理布置与安装吸、压水管路,对于保证泵站的安全运行,节省投资,减少电耗有很大的关系。第一节 吸水管设计一、管道材料选择钢管具有强度高,壁薄,重量轻,水头损失小,便于运输、安装和检修等优点。但使用寿命较短,一般 20~30 年。在泵站工程中应用极为广泛。一般选择钢管,临时泵站可选用橡胶管。二、则会使水泵的工作发生严重故障。当进入空气时,水泵的出水量将减少,甚至吸不上水。吸水管路一般采用钢管,因钢管强度高,接口可焊接,密封性胜于铸铁管。钢管埋于土中时应涂沥青防腐层。也有不少泵站采用铸铁管的,但施工时接头一定要严密。中溶解气体就会因管路内压力减小而不断逸出,如吸水管路的设计考虑不当,就会在吸水管道的某段(或某处)上出现积气,形成气囊,影响过水能力,严重时会破坏吸水。为了使水泵能及时排走吸水管路内的空气,吸水管应有沿水流方向连续上升的坡度 ,一般免形成气囊(如图 9—1—1 所示)。由图可见,为了避免产生气囊,应使沿吸水管线的最高点在水泵吸入口的顶端。吸水管的断面一般应大于水泵吸入口的断面,这样可减小管路水头损失,吸水管路上的变径管可采用偏心渐缩管(即偏心大小头),保持渐缩管的上边水平,以免形成气囊。于进口处水流产生游涡、吸水时带进大量空气。严重时也将破坏水泵正常吸水。这类情形,多见于取水泵房在河道枯水位情况下吸水。为了避免吸水图 9—1—2 吸水管在吸水井中的位置图 9—1—3 吸水管末端的隔板图250图 9—1—4 铸铁底阀井(建筑物)水面产生游涡,防止水泵吸入空气,吸水管进口在最低水位下的淹没深度 不,如图 9—1—2 所示。若淹没深度不能满足要求时,则应在管子末端装图 9—1—3 所示。为防水泵吸入井底的沉渣,并使水泵工作时有良 好的水力条件,应遵守以下规定:1. 吸水管的进口高于井底不小于 如图 9—1—1。 为吸水管喇叭口(或底阀)扩. 吸水管喇叭口边缘距离井壁不小于(。3. 在同一井中安装有几根吸水管时,吸水喇叭口之间的距离不小于(。了减少吸水管进口处的水头损失,吸水管进口通常采用喇叭口形式。如水中有较大的悬游杂质时,喇叭口外面还需加设滤网,以防水中杂物进入水泵。当水泵从压水管引水启动时,吸水管上有时装有底阀。底阀过去一般用水下式,装于吸水管的进口。底阀的式样很多,它的作用是水只能吸入水泵,而不能从吸水喇叭口流出。图 9—1—4 所示一种铸铁底阀,在水泵停机时,碟形阀门在吸水管中水压力及本身重量作用下落座,使水不能从吸水管逆流。底阀上附有滤网,以防止杂物进入水泵堵塞或损坏叶轮。 水下式底阀因胶垫容易损坏,引起底阀漏水,须经常检修拆换,给使用带来不便。水上式底阀,如图 9—1—5 所示。由于水上式底阀具有使用效果良好,安装检修方便等优点,因而设计中采用者日益增多。水上式底阀使用的条件之一,是吸水管路水平段应有足够的长度,以保证水泵充水启动后,管路中能产生足够的真空值。三、引水方式的选择当机房靠近水源,水源含沙量较小,水位变化幅度较小,引水流量不大时,可选用管式引水,岸坡较陡时采用直管式,较缓时用斜杆管式。当机房靠近水源,水源含沙量较大且岸坡岩基较陡时,可选用涵洞引水。当岸坡较缓,出水建筑物离水源较远时,可选用明渠引水,以缩短压力管道长度,降低工程造价。四、 对于取水泵站,当机组采用落井式安装方式(水泵和动力机的基准面均低于校核洪水位)或半落井式(水泵的基准面低于校核洪水位,动力机的基准面高于校核洪水位)时,为了避免外水进入泵房,需要采用这种连接方式。即在予留孔内浇注二期砼。对于正常安装(水泵和动力机的基准面均高于校核洪水位)的取水泵站和其它泵站,为了减少温度应力,穿墙管一般均采用柔性的连接方式。予留孔内不浇注二期砼。管道能够自由伸缩,不产生温度应力。五、分利用水泵吸上扬程,一般按经济流速控制,吸水管的经图 9—1—5 水上式底阀1—吸水管;2—底阀;3—滤罩;4—工作台251济流速一般控制在 由此可推出经验公式:9—1—1)Q).(D另外,吸水管的直径一般比水泵进口径直径大 50~150 。 吸水管的壁厚按刚度要求确定:(9—1—2))21(30式中: ——吸水管壁厚( )m——预留锈蚀厚度( )2~ 水管的长度不宜太长,愈短愈好,一般为 2~10 ,宜控制在 3~6 m。实际长度应考虑机组的类型和泵房的内部布置,轴流泵无吸水管。压力水管设计从水泵至出水建筑物之间的出水管道称为压力水管。给水工程的加压泵站和灌溉的高扬程泵站的压力水管往往很长,在泵站总投资中,压力水管所占的比重往往很大。此外,压力水管的长短和管径的大小影响泵站的运行费用;水管内的水击压力可能对泵站的安全造成威胁。正确地设计压力水管对高扬程泵站和加压泵站特别重要。一、、 数和管径;、压力水管的材料选择(一) 在各设计水头下能通过对应的设计流量;耗低,确保水泵在各种情况下,均能在高效区内运行,年运行费用最低;能安全运行,不发生滚动、滑动、位移和水击破坏;材、木材、水泥) ,工程投资最省;装、检修、维护和管理,利于以后的发展;(二) 压力水管的材料252泵站中常用的压力水管有钢管、铸铁管和钢筋砼管等。1.金属管  金属管道的寿命一般为20~30 。a⑴.钢管 强度高、管壁薄、重量轻,水头损失小,能承受很大的内水压力,宜作高扬程的压力水管。泵站的压力钢管一般为焊接钢管,根据运输和安装条件,每段管长一般为6~8 ,管段之间大多采用法兰盘连接。m⑵.铸铁管 性脆,管壁较厚、自重较大,易生锈、水头损失较大。根据承受压力的不同,铸铁管分为低压管、普压管、高压管三种,其工作压强分别为441、735、980 。一图9—2—1) ,管道明铺时可采用法兰接头。2.钢筋砼管造价低,可节省钢材,一般寿命为 50 减少养护费用。按水管的施工方法,可分为整体现场筋砼预制管的内径一般在 内,管段长 3~5 连接方式多为承插式接头。这种水管又可分为以下四种:⑴这种水管按砼不允许开裂设计,无法充分发挥钢筋的作用,故一般适用于50 以下的水头。m⑵适用于较高的水头,一般规格的最大工作压力为1176 。有的自应力钢筋砼管 管径在600 以内时,承压能力一般为588 。m⑷优点是管壁薄,重量轻,用钢量少,造价低,抗渗抗裂性能好。承压水头一般不超过400 ,若采用自应力钢丝网水泥管,承压水头可达 700~800 。胶管 移动方便,水头损失小,寿命长,但造价昂贵,主要用于临时泵站。从管道水头损失来看,钢管水头损失小,铸铁管的水头损失随使用时间的延长而增大。由于钢筋砼管内壁不会积垢,输水能力与使用时间的关系不大。故管道较长的泵站采用钢筋砼管和钢管可相对地节省能耗。对高扬程泵站,为了降低造价,节省钢材,可根据管段压力的大小分段配管,高压力配钢管,中、低压力段配钢筋砼管。四、压力水管的布置(一)选线原则⑴短弯少损失小;⑵生水击时的压力变化过程线)以下,避免发生水柱的中断;⑶开填方,禁遇塌方,躲开山洪;⑷崩、泥石流、滑坡、大断层等不良地质地段铺设管道;⑸保泵房的安全运行;⑺免管道的压力沿程增加,不允许发生直接水击;⑻装、检修、维护和巡视,利于以后的发展。压力水管线路的选择,应和机房、出水建筑物的位置统筹考虑,合理布局。管路应短而直,尽可能布置在地质条件良好的地段,以减少工程投资和水头损图 9—2—2 压力水管的布置方式1—机房;2—压力水管;3—出水池253失,降低水击压力。如因地形条件限制,水管需在竖向转弯时,应避免水管中出现真空现象而导致水管破坏。(二)布置方式 管路布置方式可分为平行布置、辐射状布置、并联布置和串联布置四种。⑴管道中心线保持不变。对于低扬程、管道较短的泵站,常将压力水管与机房纵轴线垂直布置(9—2—2 )。一般适用于低扬程、短管道的泵站,其优点是管道结构简件少,运行可靠,但水管耗用钢材多,造价高,出水建筑物的尺寸大。对于高扬程的压力水管,常将总水管轴线与机房纵轴线平行或斜交(图 9—2—2 、 c),压水流不致直冲机房。2 管道中心线逐渐减少。其优缺点介于平行布置和并联布置之间。3 几台水泵合用一根压力管道。一般适用于高扬程、管道较长、多机组的泵站,其优点是可节省钢材,减小出水建筑物宽度,从而减少工程投资。但管道并联会使附件增多,水头损失增大,当总管检修时,并联的水泵都要停止运行。为了提高供水保证率,给水泵站应设置两根并联管道,并相互连通。4 相邻两泵站之间没有无压建筑物。对于高扬程泵站,若中间无台地,不便于布置泵站建筑物时,可考虑将压力水管作为下一级的吸水管——串联布置。串联的级数一般为两级。压力水管应布置在坚实的地基上,如果局部管段必须通过松软的地基时,应采取加固措施。管坡两侧及其挖方的上边应设排水沟和截水沟,并采取防冲、防渗等措施。(三)压力水管的铺设方式⑴置式又分沟埋和填埋两种。金属管多数露天铺设,水管不易锈蚀,安装检修方便,缺点是管内无水时期管道受气温的影响较大。钢筋砼管可埋设于地下,也可露天铺设。埋置式管道的优缺点与露天式恰好相反,,大管径管径取较小值。此外,为于保证非金属管道不因动荷载而破坏,。m⑵天式水管的支承一般有支墩和镇墩,水管的各种作用力通过支承传给地基(图9—2—4) 。水管一般架设在一系列的支墩上,可沿管轴方向在支墩的支承面上滑动,以适应温度变化而产生的伸缩。在水管转弯处和过长的直管段,由于水流对管壁的作用,水管可能移动,斜管段还有图 9—2—3 管道布置图图 9—2—4 露天式管道的铺设1—镇墩;2—压力水管;3—支墩;4—伸缩节图 9—2—5 填埋式管道的铺设1—镇墩 2—检修坑 3—管床 4—压力水管 5—填土 6—出水池254沿陡坡下滑的可能,必须设置镇墩,将水管完全固定,不使它发生位移或转动,并防止水管在运行时可能产生的振动。埋置式管道及其支承都埋入土中,水管固定在镇墩上,中间支承一般采用浆砌块石或砼的连续管床,也可筑成不连续的分段管床。埋置式管道的柔接头(承插式接头)处应设置检修坑(图9—2—5) 。⑶温度变化时,管身可沿管轴方向自由伸缩,以消除管壁的温度应力,减小作用在镇墩上的轴向力。伸缩节的结构见图9—2—6( ) 。9—2—6( ) ] ,适应地基的少量不均匀沉陷。为了减小伸缩节的内水压力,有利于镇墩的稳定,伸缩节一般布置在镇墩下面、靠近镇墩处。根据具体情况的不同,可以调整伸缩节的位置,以改善上、下镇墩的受力情况。分段预制的钢筋砼压力水管,多为橡皮圈密封的承插式接头。转角和5~8 的纵向位移(小管管径取小角大值) ,因此不需另设伸缩节。二、压力水管的尺寸确定(一)压力水管直径的选择当压力水管的长度和流量一定时,管径愈小,管道投资也小,造价愈低;但管中流速和水头损失愈大,耗用的能源和运行费也愈大。因此,需要通过技术经济比较,选择压力水管的经济直径,根据预制水管的管径规格,以及当地运输条件和施工条件等因素,选定压力水管的直径。估算压力水管经济直径的经验公式较多,建议采用式9—2—1和9—2—2进行比较选择。(9—2—1)72中: ——压力水管的经济直径( ) ;D——压力水管的最大流量( ) ;——压力水管管段的静水头( ) ;H——反映压力水管技术经济因素的计算系数, =8~15。水动力的供电价格低、水管的管材单价贵、一个压力总管并联的水泵台数多时,系数之取较大值。由于公式(9—2—1)适用于各种不同材料的水管。估算压力水管的直径时,还可用水管的经济流速作参考,根据经验,露天钢管的经济流速约为3~5 左右;钢筋砼管的经济流左右;对于长管道,经济流速应适当降低。一般为2~3 。s/图 9—2—6 伸缩节1—橡皮填料;2—大麻或石棉填料;3—拉紧螺栓255(9—2—2)3. 9时 ,当 时 ,当(二)露天式压力水管的管壁厚度1. 露天式钢管⑴天式压力钢管所承担的主要荷载是内水压力,故可按内水压力所引起的环向应力来计算管壁厚度。但因计算中未考虑由于轴向力和法向力所产生的应力,故将钢材的允许应力按规范的规定值适当降低。钢管的管壁厚度 可按下式计算。(9—2—3)2——水管内径( ) ;水管的计算水头( ) ;包括设计水头和水击增压水头;H——钢材的允许应力( ),按规范的规定值适当降低,例如降低 25%,则三号钢焊接钢板的5550 (1300×75 ) 。2/接缝强度系数,由公式(9—2—3)求得的 值,为按钢管强度计算所需的管壁厚度。还应考虑锈蚀和磨损的影响,对于清水管道,应再加1~2 的安全裕量;对于含沙量大的管道,则加厚2~4m。最后采用的管壁厚度,还应符合钢板的规格。m⑵ 钢管是一种薄壁结构,受外压时容易丧失弹性稳定。压力钢管放空时,或水泵突然停机,管内的水倒流时,如通气孔失灵,会使管内出现真空,钢管可能因外压而失稳。此外,钢管在安装和运输过程中,可能因冲击、振动而变形。在外压为一个大气压的情况下,保证钢管不丧失稳定性的最小管壁厚度按式9 —1—2确定。钢的壁厚原则上按强度要求设计,按刚度要求校核。如果按强度计算所得的厚度小于按上式求得的数值,当两者出入不大时,可采用公式(9—2—3)的计算结果;当两者相差较大时,若采用加大管壁厚度来满足刚度要求,显然是不经济的,则可沿管轴方向每隔一定距离加设一刚性环,以增强水管刚度。刚性环可采用矩形断面,也可采用各种型钢。 (图9—2—7)2.钢筋砼压力水管 目前我国泵站所用的各种类型的钢筋砼压力水管,一般都已定型化生产,可根据制造厂的产品规格选用。第三节 水击计算及其防护一、 又称水锤。是指由于某中原因,使水力机械或管道内的运动要素发生急剧变化的现象。计算最高水击压力,即管道和水泵的最高内水压力,作为设计或校核压力水管和机组强度的依据。图 9—2—7 压力钢管的刚性环1—管壁;2—刚性环256⑵最低内水压力,作为布置压力水管线路的依据,防止压力水管产生真空现象而导致水管的破坏。⑶、水击的分类1、按产生原因为:启动水击 由于机组的正常启动和停机的水击○ 1关阀水击 由于阀门的正常开启和关闭产生的水击○ 2事故水击 由于事故(被动水力机械的突然失去动力或原动水力机械突然甩负荷)○ 3引起的水击。对于水泵也叫作停泵水击。这三种中事故水击危害最大,应尽量避免。2、按阀门关闭时间分为:间接水击 阀门的关闭时间大于水击波来回的传播时间的水击。○ 1直接水击 阀门的关闭时间不大于水击波来回的传播时间的水击。直接水击在所有水○ 2击中危害最大,不允许发生直接水击。3、按压力的变化分为:正水法 引起压力增加的水击。底部管道正水击危害大。○ 1负水法 引起压力降低的水击。顶部管道正水击危害大。○ 2三、停泵水水击的发展过程泵站可能产生的水击有起动水击、关阀水击和停泵水击。对于前两种水击,只要按正常操作程序启闭阀门,不会引起很大的水击压力。而由于突然停电等原因产生的事故停泵水击,其压力变化较大,如不采取适当的技术措施,压力水管和机组可能遭受损坏。离心泵装置在水泵出口附近的压力水管上,有不装逆止阀或装设逆止阀的两种情况。突然停机时,前者允许压力放管中的水通过水泵倒泄,并允许水泵机组在一定的逆转速度下反转,后者利用逆止阀截断压力水管中倒泄的水流,避免水泵反转,以防机组遭受破坏。—2—8( )为无逆止阀的离心泵机组在突然停泵后的压力、流量、转速变化过程泵水击过程分为下述三个阶段:⑴水泵正转、水正流)当动力突然中断后,水泵转速降低,水泵和压力水管中的流量减小,水压力迅速下降,产生了降压水击(或称负水击)。由于原来正向旋转的机组转子和压力水管中向出水建筑物正向流动的水体具有一定的惯性力,机组仍按原来的方向减速旋转,管中水流继续向出水建筑物供水,但压力降低。因为管内正向流动的水体受到管壁的摩阻和重力的作用,当水流惯性力被耗尽时,水体即停止正向流动。这一阶段,从动力突然中断(即时间 )起,到管内水体完全停止正向流动(即流量 )止。0t 0Q257⑵水泵正转、水倒流)当管中水体停止正向流动后,立即开始倒流。倒泄的水流对仍在正转的水泵叶轮起制动作用,使水泵转速继续降低。当正转的转子能量被耗尽时,机组转动惯性消失,水泵停止正转。这一阶段由于倒泄水流受到正转叶轮的阻滞,水泵和管中压力开始回升,产生增压水击(或称正水击)。这一阶段,从水流开始倒流(即 )0Q起,到水泵停止正转(即转速 )止。0n⑶机组反转,水倒流) 在倒泄流量的作用下,水泵开始反转,并逐渐加快,泵内水压不断升高。但随着离心泵叶轮反转速度的加快,叶轮作用于水体的离心力加大,阻止水流倒泄,从而使倒泄流量减小,泵内压力迅速达到最高值随后由于倒泄流量继续减小,作用于叶轮上的水能也相应减小。当叶轮上的水能与机组转子增速所需的能量平衡时,水泵在出水建筑物稳定的静水头作用下,通过恒定的倒泄流量,以稳定的转速在无任何负载的情况下空转,水击压力随之消失。图 9—3—1( )示出了不装逆止阀时压力水管中的最高压力示坡线) 。如果水管中某点(例如图中的 点)形成的负压 低中将产生汽化,从而形成水柱中断现象。2. 压力水管上有断流设施水泵在运行过程中,因突然停电,人为误操作或意外原因而造成的停机,使得底阀或逆止阀突然关闭而发生水击现象。水泵刚停机时,压力管道内的水体出于惯性力的作用继续向前运动,由于没有后继水体的补充,水压逐渐下降,此时管内可能产生负压;随之水体在自重的作用下,以极大的势能从压力建筑物顺管路而下泄,冲撞逆止阀,逆止阀关闭后,水体无法下泄,此时管路中水体流动的动能全部转化为势能、使管路内水压力突然增加。(1)降低阶段 水向上流( ) ,水击波向上传播( ) ,密度减小( ) ,va0压力降低( ) ,时间从 0 到 ( 为断流设施以上的管道长度, 为水击波传p0 2)恢复阶段 , , , , ;0p)2(—3—1 无断流设施 停泵后的压力、流量、转速变化过程( )水泵的压力、流量、转速过程线;( )管道沿程最高、最低压力线—3—2 有断流设施停泵后压力流量、转速的变化图 9—2—9 装有逆止阀时,停泵后压力流量、转速的变化图 9—2—9 装有逆止阀时,停泵后压力量、转速的变化(3)增长阶段 , , , , ;va0p0)32(4)恢复阶段 , , , , 。00 0)4(是重复循环以上四个过程,但实际上由于水流的粘性,密度及压强的振幅逐渐衰减,最后消失。当水泵出口处压力水管上装有逆止阀时,事故停泵过程中的第一阶段,与不装逆止阀的情况相同。在第二阶段,当管中水流倒冲时,因受逆止阀的阻挡,其动量转化为冲量,引起压力突然升高,其水击增压值大于不装逆止阀的情况。图 9—3—2 为离心泵装置的逆止阀关闭时的压力变化过程线。四、水击压力的计算事故停泵水击的计算方法,有解析法、图解法等。生产上常采用美国工程师 J·帕马金所提出的水击图解曲线(见图 9—2—3)进行近似计算。停泵水击压力的大小,主要决定于机组转子的性和出水管道的性能。图 9—2—10( ) 、a( )、( )、 ( )的纵坐标( )分别表示水泵和压力水管中点的最大降压值或最大升压与正常运转时水泵扬程 的百分比,9—2—9( e)的纵坐标( )表示水泵最大反转0n%转速与正常运转时水泵转速 的百分比。图中的横坐标为 ,其中 为惯性系数,是示机组惯性力的参数; 为管路常数,是表示管路特性的参数。各项参数的计算如下:1、间接水击计算(l)与水管的管材、管径、管壁厚度有关,通常,钢管 =800~1200 a a,钢筋砼管 =900~1000 。各种水管的水击波传播速度可按以下公式计算。管和铸铁管: ( ) (9—25)钢筋砼管: ( ) (9— —6)259当压力水管由不同的管材、管径、管壁厚度的管段组成时,应分段计算 值,然后按式—6 求其平均值。(9)aL(—7)式中: ——水的弹性模量, =2029 ;管壁材料的弹性模量( ) ;——管壁内环向钢筋的配筋率;其中 为每 长管壁内的环向钢筋截面积;)—2—8)02式中: 下标 0 为正常(设计)值当压力水管由管径不同的管段组成时, )—2—9)式中: ——转子重量( ) ;惯性折引直径( );水泵机组旋转部件的转动惯量,可按电动机 值的 进行近似计算。电机制2L 2中。2根据上述计算所得的 值,由图 9—3—3 可查得离心泵装置不装逆止阀时水泵处和压力水管中点处的最大升压和最大降压的相对值( ) ,经过换算,求得它们的增0H%(降)压值。水击压力沿管长的分布,可近似地认为呈直线规律,按直线比例法求得水管各点的水击升压值和降压值。用帕马金曲线估算水泵出口处装有逆止阀时的停泵水击压力,可先求出水泵处和管道中点处的最大降压值,然后将其增(降)压值分别加于水泵处和管道中点处的设计水头,即得逆止阀关闭时水泵处和管道中点处的最大升压、最大降压值的计算水头。260图 9—3—3 无逆止阀离心泵装置的水锤参数图2、直接水击计算(9—2—10)(四)停泵水击的防护措施水击现象增大的压力,有时可能超过管路正常压力的许多倍,使管路破裂,造成大量泄水,淹没泵房和设备,危害很大。水击的危害在高扬程泵站或管路较长的供水泵站尤为突出。因为高扬程泵站或供水泵站扬程高、压力管路长,管路中存水量大,水流的倒泄压力也大。泵站水击的防治应作为一重要的技术问题。在新建泵站规划设计时,泵站压力管路系统应满足各种可能出现的正常和非正常运行工况下最大压力水头的要求或采取必要的防治措施,并应注意管线布置、管中流速、闸阀选择和阀门关闭的时间等。而对已建泵站水击的防治也应重视。因为这些泵站中露天铺设的管路,受风雨侵蚀,锈蚀剥落;内部水流带动泥沙颗粒摩擦管壁、管内锈蚀,随着时间261图 9—3—5 缓闭闸阀 1—水泵阀 2—主管道 3—水压缸 4—活塞 5—闸阀 6—进水阀 7—进水管 8—排空阀 9—电磁控制阀 10—回水空阀 11—回水管 12—排水阀的推移,管壁逐渐变薄,已不能承受原来可以承受的内水压力,再加上运行中水击压力使其膨胀,管路破裂可能性大、所以要采取水击的防治措施。压力水管的水击升压值过大,需加大水管的强度和镇墩的尺寸,从而增加工程投资和钢材用量。水击降压值过大,可能使压力水管某些部位形成真空,水管有被外压破坏的危险。当水管压力低于汽化压力时,水就汽化,产生水柱中断现象,在下一瞬间水流回冲时,将产生很大的升压水击,可能水管遭受破坏。必须采取措施,减小水击压力。1. 防止过大值的措施压力水管上装有逆止阀时,水击升压值比不装逆止阀时大得多。为了减小水击压力,可采取以下措施。⑴ 水击消除器实际上是具有一定泄水能力,并适合于泵站停机时水击压力变化过程的安全阀,主要用于防止压力的升高。它安装在逆止阀的出水侧,水泵正常工作时,压力水管中的水压力将消除器的阀瓣向上托起,消除器关闭。停泵后先是管中压力降低,阀瓣落下,排水口打开;随后管中压力升高,管中部分高压水由排水口泄走,从而达到减少压力增加,保护管路的目的。水击消除器的种类很多,图 9—3—4 为一种结构简单的下开式水击消除器。这种消除器不能自动关闭,突然停泵后,应立即关闭闸阀,进行复位操作。此外,还有可以自动复位的水击消除器。⑵能产生直接水击,起很大的水击升压值。缓闭式逆止阀是一种靠缓冲机构使逆止阀的阀板缓慢关闭的泄水式水击防护设备,主要用于防止管路系统的压力上升。缓闭阀在事故停泵时,通过传动机构使逆止阀或其它型式的阀门按照设计规定的程序和时间自动关闭。既能减弱正压水击,又可限制倒泄流量和水泵倒转转速。它是一种较好的水击防护措施,它兼有逆止阀和水击消除器的作用,有时还可作为水泵主阀用。缓闭阀的型式较多,按阀型来分,有缓闭逆止阀,缓闭蝶阀和缓闭平板阀等。缓闭式逆止阀通常是在普通旋启式逆止阀上装置缓冲器,由带大、小排油孔的阻尼油缸、活塞等组成。事故停机时,管中水流开始倒流,旋启式阀板在自重和倒流水的作用下开始关闭,当关闭到一定开度时,阻尼油缸的排油孔转换成小孔,排油速度迅速减慢,形成阻尼,使阀板开始缓慢关闭,从而减少阀板对阀座的撞击及管内水击压力的上升。另外,正常运行时阀图 9—3—4 下开式水锤消除器1—重锤;2—排水口;3—三通管; 4—压力差;5—放气门;6—截流闸阀;7—逆止阀;8—阀瓣;9—分水锥262板重量常用一杠杆平衡,从而减少了阀板对水流的阻力,使水流过逆止阀的水头损失大为减少。图 9—3—5 为某种自动缓闭闸阀的示意图,其工作原理如下:水泵起动前,关闭进水管系统的所有阀门和回水阀,而打开回水管系统中的排水阀,抽够真空,起动水泵。待泵后压力达到最大值时,迅速打开进水阀,高压水经进水管进入水压缸下部,推动活塞向上移动,闸阀的阀瓣开启。随即关闭进水阀和回水管系统的排空阀,打开回水阀,闸阀处于正常工作状态。突然停电或事故停机时,电磁控制阀自动跳开,压力水管中的高压水从回水管进入水压缸的上部,在压力水管水压的作用下,使活塞下降,闸阀的阀瓣按设计规定的速度向下关闭。这种闸阀是利用突然停泵后暂态变化过程中第一阶段(即水泵正转、水正流的阶段)的时间,将闸阀关闭到某一特定开度,随后,闸阀缓慢关闭。这一开度应满足两个要求:一是通过闸阀的倒泄流量必须小于水泵额定反转转速所对应的流量;二是能将升压水击压力削减到设计所规定的范围内。这种缓闭阀既可减弱正压水击,又可限制倒泄流量和水泵反转转速,并起水泵主阀的作用。⑵.高压空气罐空气罐为圆形筒状,安装在水泵出口逆止阀之后的压力管路上。当水泵正常运行时,压力管路中的水压力使罐内空气压缩,水泵停机使逆止阀关闭时,管路中压力升高,一部分水体进入空气罐,抬高罐中水位,压缩罐中空气,从而减少压力管路中的压力升高值。⑶.安装安全薄膜 在逆止阀出水侧的主管道上安装一根支管,支管顶部用金属薄膜密封。当管中压力升高时,冲破薄膜,放出高压水,从而降低管中压力。⑷ 对于扬程较低、压水管路较短的铀流泵、混流泵,一般采用拍门断流。为排出管内空气对机组启动时的影响和停机时压水管路中水倒流造成的拍门关闭时的冲击力增大,一般应设置通气管。对启动前需充水的机组,设置通气管后,应在通气管上设小闸阀,机组充水时将闸阀关闭,机组启动投入正常运行后应打开闸阀。通气管的高度要高于压力建筑物的最高水位。) 、调压塔 调压塔是一种缓冲式的水击防护设备,一旦路中压力降低,可迅速给管路补水,防止压力管路中产生负压,同时也可减少压力管路中的压力上升。调压塔为圆筒状,装在管路中对能产生负压的部位。调压塔在水泵启动、运行和停机过程中,塔内水位变化不大,且压力被可在调压塔内被反射回上游侧,但应有足够大的断面面积和容积,以防在补水过程中将塔内水泄空而使空气进入主管路。(2) 、空气阀 空气阀是采用补气的方法来防止管路中因负压而造成水击事故的特殊阀门,通常装设在管线凸起的部位。当管路内压力低于大气压时吸入空气,高于大气压时排出空气。这种阀不允许液体进入大气,在排除管路中的空气后具有自动关闭的功能。(3) 、在机组转轴上加一个大飞论,加大机组的转动惯量,从而减小水击降压值。水击防治的措施比较多,还有许多其它的方式,要图 9—3—6 调压塔1—水箱;2—单向逆止阀263根据泵站的具体情况,不要盲目选择,以免不适宜的防护措施造成资金的浪费,或得到相反的结果。(4) 、压力水管设计时,管中流速不宜过大,(5) 、压力管道线路布置时,根据地形条件,应尽可能使管坡先缓后陡,防止拐点处由于管中压力过低而引起水柱中断。第四节 管道支撑方式设计一、镇墩(一)镇墩结构型式镇墩是压力水管的固定支庵,其结构型式有封闭式(图 9—4—1)和开敞式(图 9—4—2两种。前者结构简单,对水管固定较好,应用较普遍,后者易于检修,但镇墩处管壁受力不均匀,用于受力不大的情况。(二)镇墩的设计镇墩是重力式结构,利用其自重来维持本身的稳定。镇墩的设计内容与重力式挡土墙,基本相同,即验算镇墩在最不利荷载组合情况下的抗滑和抗倾复稳定性、地基的稳定性以及镇墩的结构强度。 镇墩的主要荷载是通过压力水管传来的各种轴向力。对于设有伸缩节的压力水管,水管作用于镇墩上的轴向力及其计算公式如表 9—1—1 所列。表中“"” 、 “ˊ”分别表示镇墩上方(出水建筑物方向)和下方(机房方向)管段传来的轴向力, 和 分别为镇墩内弯管中"L'心至上、下方伸缩节的管长, 、 以分别为上、下方管段的倾角。镇墩除承受表 9—1—1"a'所列的各种轴向力外,还承受其上、下方相邻两支墩之间的水管自重和管内水重所产生的法向力和弯矩。作用于镇墩上的上、下方的弯矩可近似地分别取为(9—4—1) '2'2' '1'1' ~1 方承受的剪力分别为;图 9—4—1 封闭式镇墩1—角钢墩的肋环 2—拉环 3—锚筋4—连接筋 5—拉筋 6—固定拉条 图 9—4—2 开敞式镇墩 1—锚定环;2—锚栓;3—灌浆264(9—4—2'2' '1式中: 、 ——镇墩至上、下方邻近两支墩间的水管长度;1——单位管长的水管自重和管内水重。如果镇墩与其下方伸缩节字间不设支墩。按受有均布荷载的悬臂梁计算。M墩承受的荷载有:上、下方各轴向力的合力 和 ;法向力 和'F''N;弯矩 和 ;以及镇墩自重 等,如图 9—4—3 所示。' '' 2以上各种荷载不一定都同时发生,应根据水泵不同运行情况进行荷载组合,按最不利的组合荷载验算镇墩的强度和稳定、以及地基的稳定性。通常采用水泵正常运行、正常停泵和突然停泵的三种工况进行荷载组合,并将随温度升降(温度升高或降低,是以当夏季最高温度或冬季最低温度与水管安装恰好完毕时的温度相比较)而变化的各种摩擦力的不利情况组合在各工况中。突然停泵时,水泵传给镇墩的各种内水压力应包括水击升压值。见表 9—4—1。强度的校核,主要是验算墩身抗拉应力是否大于材料允许的抗拉强度。墩身失稳的情况可能有两种:滑动和倾复。镇墩设计中,为了使地基应力比较均匀,避免镇墩过分倾斜,一般要求镇墩全部荷载的合力作用点需在镇墩底面三分点以内,故不必进行抗倾复验算。镇墩抗滑稳定计算时,应将最不利工况下管道传给镇墩的各种作用力,在管道的铅垂轴面内分解为沿水平轴 和垂直轴 的两个分力 和 (以镇墩内弯管段的中心为坐标XY,然后计算抗滑稳定系数 K ,要求计算所得的 不小于规范规定的允许值 。c —4—3)][)(式中: ——镇墩底面与地基的摩擦系数;f——镇墩自重。可先确定安全系数 值,应用公式(9—2—12)反推镇墩的重量,在土基上的镇墩,其底面常做成平底的矩形,以加大基础的作用面,减小地基应力。应尽量使地基应力均匀分布,其最大应力不得超过地基的允许承载力。抗滑稳定计算时,还应验算地基是否产生深层滑动。建在岩基上的镇墩,由于岩基的承载能力较大,岩石与镇墩的摩擦系数也大,为了减小镇墩的尺寸,常将镇墩底面做成倾斜的台阶形,使倾斜面与合力方向近于垂直,按倾斜面进行抗滑稳定验算。对于水管弯曲段向上凸起的镇墩,轴向力的合力向上,仅靠水管上部的砼重量一般不足以平衡此力,需加设锚筋来固定水管,镇墩的构造见图 9—3—7。图 9—4—3 镇墩的荷载 265二、支墩设计1、支墩支墩是压力水管的中间支承,为了适应温度变化时水管产生的伸缩,允许水管沿管轴方向在支墩上自由移动,所以,支墩只承受垂直于管轴的法向力。而水管传来的轴向力要由镇墩承担。支墩的上部结构型
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