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月牙肋岔管及其安全監測的設計研究

文檔作者：曹敏文檔來源：甘肅省水利水電勘測設計研究院		點擊數：	更新時間： 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
GANSU WATER砌璐oURaEs心m HⅥ峨0POWER T1刪OLOGY V01．52，No．9
Sep．，2016
·設計與研究·
月牙肋岔管及其安全監測的設計研究
曹日7敏隊
(甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅蘭州730000)
摘要：結合工程實際論述了月牙肋岔管體型、結構的設計，重點對月牙肋岔管的安全監測設計進行了探索性設計研究。
●
關鍵詞：月牙肋岔管；體型；結構類型；安全監測設計；設備選擇
中圖分類號：TV732+．41 文獻標志碼：B 文章編號：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
部為空間結構，受力復雜，是整個壓力鋼管的技術關
鍵點。岔管的主要結構類型有月牙肋岔管、三梁岔
管、球形岔管、無梁岔管、貼邊岔管等。月牙肋岔管
結構流態良好，水頭損失小，結構可靠，受力科學合
理而又材料節省，此結構類型近年來在國內一些
HD(H是管道所承受的水頭p是管道內徑；liD值是
衡量壓力管道規模及技術難度的重要參考值)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
鋼管若發生破壞，則對發電廠房和下游村鎮會造成
巨大財產損失和人身危害。《工程建設強制性條
文——水利工程部分》【I和《水電站壓力鋼管設計規
范滬均要求對滿足條件的壓力鋼管應做安全監測，
但對壓力鋼管岔管部分的監測并無明確表述和詳細
說明。岔管部分作為壓力鋼管的重要部位，受力復
雜，體形變化異常，設計制造難度大，應是安全監測
的重要部位。因此，對月牙肋岔管安全監測的研究
具有十分重要的意義。結合某水電站工程實例，對月
牙肋岔管的安全監測設計進行探索性設計研究。
2月牙肋鋼岔管的體型和結構設計
某水電站工程引水發電隧洞通過調壓井后，在
隧洞出口處接壓力鋼管主管，主管經上彎管段、斜管
段、下彎管段、水平直管段后接入1。、∥號月牙肋鋼
岔管段，岔管分流后由3個支管分別接入廠房內的
3臺水輪機組。引水發電系統壓力鋼管按3級建筑
物設計。抗震設防類別為丙類，設計烈度確定為Ⅷ
度。主管內徑8．0 m，電站設計引水流量150．60 m3，s；
支管內徑3．8 m，單管引用流量50．2 m3／s；最大水頭
42．46 m；總裝機容量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”月牙肋岔管結構：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
組。最大公切球半徑R=4．5 m，滿足規范關于R宜為
(1．1—1．2)倍主管半徑的規定；放大率1．125倍。分
岔角肛52．50。鈍角區腰線折角ao=12．50，主椎管腰
線折角0cl-50 9支椎管腰線折角a2=17．5。。主、支椎管
管壁厚度20ram。1。月牙肋板體型見圖1所示。肋板
內緣為拋物線曲線，方程為：：盧5 888．93(3 266．83-x)，
肋板厚度t=44 raino
2。月牙肋岔管結構：主管半徑3．25 m，左、右支
管直徑3．8 m接水輪機組。最大公切球半徑R=3．7 m，
滿足規范關于R宜為(1．1—1．2)倍主管半徑的規
定；放大率1。138倍。分岔角肛：55。。鈍角區腰線折角
oto=12．50，主椎管腰線折角al-7．50，左支椎管腰線折
角啦左=17．5。，右支椎管腰線折角嗡=10。。主、支椎
管管壁厚度20 nLrfl。∥月牙肋板體型如圖2所示。肋
板內緣為拋物線方程為：仁：4 398．99(2 964．21-x)，肋
板厚度t--44 rain。
收稿日期：2016--09—13
作者簡介：曹敏(1984-)，男，甘肅天水人，工程師，學士，主要從事水利水電工程金屬結構設計，E—mail：260890858@qq．corn。
·28·
萬方數據
第9期曹敏：月牙肋岔管及其安全監測的設計研究第52卷
1。、2”月牙肋岔管管壁厚度按近似柱(錐)殼應
用結構力學的方法計算且取大值。
①岔管膜應力區的管壁厚度計算
。KIn ‘曠—㈣,4,—cosol 式中：K．——岔管蚴區應力計算系數，取1．0。1．1；
卜內水壓力(N／mm2)；
r{亥節鋼管最大內半徑(mm)；
[盯]。——允許膜應力(N／mm2)；
西——焊縫系數；
a——該節鋼管半錐頂角(。)。
②局部應力區的管壁厚度
．一K斗
“廣㈦加osⅡ 式中：K廠岔管局部應力區應力集中系數；
【盯]：一允許局部應力(N／ram2)。
3壓力鋼管月牙肋岔管的安全監測
3．1 月牙肋岔管安全監測研究的意義
由于月牙肋岔管由空間薄殼和內加強月牙肋構
成，其傳力體系復雜，結構設計繁瑣，對于制造安裝
質量要求較高。現行設計方法是在多個假設的基礎
上進行的，難于準確地進行結構安全評估，岔管通常
靠近廠房布置，一旦發生事故將會危及人身安全、造
成重大財產損失。鑒于月牙肋岔管的重要性和復雜
性，對其進行安全監測非常必要。經檢索目前對壓力
鋼管安全監測的研究主要集中在規整的圓形鋼管方
面，鋼岔管安全監測的工程實踐及相關研究和研究
資料較少。工程實例是在已有規整的圓形鋼管安全
監測研究結果的基礎上，對月牙肋岔管結構安全監
測設計的一種延伸性探討。
萬方數據
2016年第9期甘肅水利水電技術第52卷
3．2壓力鋼管月牙肋岔管安全監測的依據和項目
《工程建設強制性條文——水利工程部分》llJ和
《水電站壓力鋼管設計規范滬列出了應做安全監測
的4種情況。
(1)一、二級壓力鋼管；
(2)電站裝機容量大于等于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級壓力鋼管；
(4)采用新結構、新材料、新工藝、新設計理論
和方法的壓力鋼管。
工程實例符合第(3)條“管徑DI>4 m的3級壓
力鋼管應作安全監測”的要求。
安全監測的項目可根據鋼管級別、結構特點和
地質條件從下列各項中選定：主要受力構件應力；鋼
筋應力；外包混凝土應力；溫度；內水壓力；外水壓
力；位移；鋼管振動；地下水排水流量；滲漏水流量；
縫隙；混凝土裂縫；流速；含沙量；水質分析；工程的
其他要求等。工程實例中，壓力鋼管月牙肋岔管部
位的安全監測項主要是岔管不同部位的構件應力，
岔管的安全監測納入水工金屬結構安全監測和工程
安全監測系統，并與之相協調；監測信號傳送至水電
站監控室的一L位計算機顯示應力值，并對其做出“正
常”“異常”“險情”判斷。
3．3壓力鋼管月牙肋岔管安全監測斷面的選取與
布置
監測斷面和監測點的布置應符合《壓力鋼管安
全檢測技術規程》【3J的要求。監測斷面的選擇既要結
合月牙肋岔管結構類型合理布置，又要盡可能地減
少數量。．
結合上述工程壓力鋼管的平面布置，l”、2。月
牙肋岔管合計共布置了7處監測斷面，監測斷面位
置及分布如圖1所示。首先選主管斷面為1”監測
斷面，監測管壁環向應力，代表了岔管進口部位管
壁應力值，如圖2所示。其次分別選擇1”、2”月牙肋
板平面作為49、78監測斷面，根據月牙肋主要承受
軸向拉力的受力特點和形狀，肋板應力的監測點布
置在肋板中軸線的外邊緣處監測肋板彎曲應力，代
表了岔管管中部位主要受力構件肋板應力值，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監測斷面和5。、6”監測斷面，監測支椎管壁應
力，代表了岔管出口管殼壁應力，如圖5、圖6所
示。44、7。監測斷面上的1”月牙肋板、2”月牙肋板均
在中軸處布置了1個監測點，除此外其余的監測斷
面均布設3個監測點，分別布置在管頂、管中軸線
外壁和管底。
3．4監測設備選擇和安裝
壓力鋼管的監測常用設備主要有：
(1)基于電學電阻應變法的電阻式應變計，主
要由應變片、電橋和應變儀組成；采用電橋或電位差
計的測量電路，將電阻應變片的電阻變化轉化為電
壓(或電流)的變化，此技術成熟穩定，應用較廣。
(2)基于光學的原理的光纖光柵傳感技術的光
圖2 1”監測斷面位置
萬方數據
第9期曹敏：月牙肋岔管及其安全監測的設計研究第52卷
／
I
0
，q64，J，E，n-
7 ∥。．
監測點
2#-l
圖4 7’監測斷面位置
監測點
廠。、． 廠’式
望．／‘ ＼～ ．／’
2 973．2 2 077．5 ＼監測J
N
圖5 2。、34監測斷面位置
圖6 64、5”監測斷面位置
纖光柵應變法，主要有光學應變片和光纖光柵應變
傳感器，具有精度高，體積小，性能穩定等特點，但價
格相對較高。，
(3)光學應變計。
工程實例中選用了技術成熟價格優惠的電阻式
應變計。
電阻應變計的安裝質量和防護非常重要，直接
關系到監測的質量和運行壽命。應變計在粘貼時，應
依照下列步驟進行。
(1)安裝前先對應變計進行檢查和阻值測量，
確保無斷路、短路，阻值正常。
(2)對鋼岔管監測點表面處理，清除表面防腐
層及污垢，然后挫平并用細砂布磨光。
(3)在應變計背面均勻涂上膠水，將其貼在構
件上并調整到正確的位置和角度，定位后應變計應
保證粘結牢固、膠層均勻、無氣泡且整潔干凈。
(4)導線的焊接與固定，使用三芯或四芯屏蔽電
纜作導線，應變計和導線間通過接線端子焊接，導線
兩端做好編號。
(5)應變計及導線的防護，應變計粘貼檢查合
格后涂上防護層，做好永久防護措施。監測設備的安
裝完成后，應做好調試記錄、初始測讀等。
3．5安全監測的預警與運行
計算機收到傳人的監測數據后，應結合岔管設
計結果對數據進行分析處理，對岔管運行狀態進行
評價和判斷。
(1)“險隋”：當監測應力值明顯突增且接近屈服
極限值時，表明岔管臨近應力破壞或結構失效的，應迅
速采取防護措施。監控系統發出最高級別安全預警。
(2)“異常”：當監測應力值增大且突破設計許
用應力值時，表明岔管內水壓力異變或施加了特別
荷載，應進行誘因查明和排除。系統發出巡檢排查級
別安全預警。
(3)“正常”：監測應力值與均值相當，數值平穩
無突變且不大于設計允許應力值時，表明鋼岔管處
于正常運行狀態，系統顯示正常。
4結語
安全監測的數據和監測預警，讓工程運行管理
單位能夠準確掌握和了解鋼岔管的結構安全狀態，
科學合理的制定巡查檢修計劃，可及時消除異常狀
況和險隋等安全隱患，避免重大突發事故的發生。
參考文獻：
[1]建標[201 1160號，中華人民共和國工程建設標準強制性條
文(水利工程部分)[s】．
[2]SL281—2003，水電站壓力鋼管設計規范【S】．
[3]DI]1709—1999，壓力鋼管安全監測技術規程fsl．
萬方數據

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