蝦子河排洪泵站出水壓力管道設計

馮劍英

（遵義市水利水電勘測設計研究院有限責任公司，貴州 遵義 563002）

1 工程概況

蝦子河防洪治理工程排洪泵站工程由排洪泵站、出水管及附屬建筑物等組成。出水管自排洪泵站接出后下穿鳳新快線，然后沿天宇建材市場、河上坡、亞居·庭院、外環(huán)路燈具布藝市場、朱家灣（川黔線右側）、首座匯金廣場、萬福鋼材市場道路間隙埋設至湘江河（緊鄰蝦子河與湘江河匯合口下游側），出水管總長2 040 m。

蝦子河排洪泵站共裝機4臺，總裝機功率4 480 kW，設計排洪流量16 m3/s，根據(jù)GB 50265—2010《泵站設計規(guī)范》的規(guī)定，排洪泵站規(guī)模為中型，排洪泵站工程等別為Ⅲ等，排洪泵站主要建筑物級別為3級。

2 管道工程布置

本工程采用鋼管從蝦子河排洪泵站提水至湘江河，出水管首端管徑DN2400 mm、利用貼邊岔管接4根DN1600 mm出水管，然后利用錐形管接DN2200 mm出水管，管道進、出口中心高程分別為829.35 m、805.14 m。

出水管總長2 040 m，其中壁厚12 mm的DN2400 mm鋼管長30 m；錐形鋼管（DN2400～DN2200 mm）壁厚22 mm、長4 m；DN2200 mm鋼管壁厚分段采用12 mm（管身每隔1.6 m設一道加勁環(huán)）及22 mm（穿箱涵段、不設加勁環(huán)），其中壁厚12 mm的DN2200 mm鋼管長1 896 m、壁厚22 mm的DN2200 mm鋼管長110 m。出水鋼管管材均采用Q355B鋼。

3 鋼管設計

3.1 水力學計算

鋼管水力學計算包括水頭損失計算和壓力線計算。

水頭損失分沿程水頭損失和局部水頭損失，沿程水頭損失按下式計算：

局部水頭損失按下式計算。

錐形管：ζ=（1-A1/A2）2。

錐形管由2 400 mm收縮至2 200 mm，收縮角1.43°，收縮角較小，局部水頭損失系數(shù)查表得ζ=0.052。式中hj為局部水頭損失，m；ζ為局部水頭損失系數(shù)；d為管道直徑，m；R1為管道中心線轉彎半徑，m；θ為管道中心線轉角，m；A1為斷面擴大前面積，m；A2為斷面擴大后面積，m。

水頭損失計算結果及相應水泵揚程詳見表1。

表1 水頭損失計算結果及相應水泵揚程表

壓力管線的頂部均低于最低壓力線以下2.0 m，滿足規(guī)范要求。

3.2 管壁厚度計算

鋼管承受內水壓力所需管壁厚度。

根據(jù)最高壓力線計算結果，按“鍋爐公式”和SL/T 281—2020《水利水電工程壓力鋼管設計規(guī)范》構造要求初步擬定鋼管壁厚：

式中t為管壁厚度，mm；γ為水容重，取值10 kN/m3；H為最大水頭，單位m；D為鋼管內徑，mm；φ為焊縫系數(shù)，取0.9；[σ]為鋼材設計允許應力。

鋼管承受內水壓力所需管壁厚度詳見表2。

根據(jù)表2計算結果，考慮2 mm銹蝕厚度后，DN2400 mm出水管、DN2200 mm出水管壁厚不小于10 mm，DN1600 mm出水管出水管壁厚不小于8 mm。

表2 鋼管承受內水壓力所需管壁厚度計算結果表

3.3 鋼管（光面管）抗外壓所需管壁厚度

根據(jù)壓力鋼管規(guī)范要求，光面管抗外壓穩(wěn)定應滿足下式計算：

式中Pcr為光面管臨界外壓強度，MPa；E為彈性模量，鋼材取值E=2.06×105MPa；Kc為抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，Kc=2.0；P0k為徑向均布外壓標準值，MPa。

鋼管抗外壓壁厚詳見表3。

表3 鋼管抗外壓壁厚計算結果表

根據(jù)表3計算結果，考慮2 mm銹蝕厚度后，壓力鋼管滿足抗外壓穩(wěn)定所需管壁最小厚度：DN2400 mm出水管管壁厚度為24 mm，DN2200 mm出水管管壁厚度為22 mm，DN1600 mm出水管管壁厚度為18 mm?？芍狣N2400 mm出水管、DN2200 mm出水管及DN1600 mm出水管管道承受內水壓力與抗外壓所需厚度差距較大（DN2400 mm出水管抗外壓24 mm、承受內水壓力10 mm，DN2200 mm出水管抗外壓22 mm、承受內水壓力10 mm，DN1600 mm出水管抗外壓18 mm、承受內水壓力8 mm，為節(jié)省工程投資及降低施工難度，本工程考慮DN2400 mm出水管、DN2200 mm出水管（非頂管段）、DN1600 mm出水管采用加勁環(huán)型式以滿足壓力鋼管抗外壓穩(wěn)定要求。

3.4 鋼管（設加勁環(huán)后）抗外壓穩(wěn)定分析

經過“鍋爐公式”初步擬定鋼管壁厚及光面管抗外壓穩(wěn)定分析，在DN2400 mm出水管、DN2200 mm出水管、DN1600 mm出水管上考慮設置加勁環(huán)（加勁環(huán)間距1.6 m），環(huán)高200 mm，厚20 mm，設置加勁環(huán)后初步擬定DN2400 mm出水管和DN2200 mm出水管管壁厚度為12 mm，結構計算采用10 mm，DN1 600 mm出水管管壁厚度為12 mm，結構計算采用8 mm。

根據(jù)以上擬定的鋼管壁厚和加勁環(huán)進行鋼管抗外壓穩(wěn)定分析、加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定分析及加勁環(huán)抗外壓強度分析，分別有以下3個驗算內容。

3.4.1 加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定驗算

驗算公式：Pcr≥KcP0k，

式中Kc為明管抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)，Kc=2.0；P0k為徑向均布外壓標準值，N/mm2；Pcr為加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計算值，N/mm2。采用下式計算：

式中E為鋼材彈性模量，N/mm2；t為鋼管管壁厚度，不含銹蝕層厚度，mm；n為最小臨界壓力的波數(shù)，取相鄰的整數(shù)；l為加勁環(huán)間距，mm；r為鋼管半徑，mm；μ為鋼材泊松比，0.3。

DN2400 mm出水管、DN2200 mm出水管、DN1600 mm出水管上加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定驗算結果詳見表4。

表4 壓力鋼管加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定驗算表

由以上計算結果可知，壓力鋼管加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定滿足要求。

3.4.2 加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定分析

根據(jù)壓力鋼管規(guī)范要求，排洪壓力鋼管主管及支管上加勁環(huán)抗外壓取下列兩式中的最小值：

式中Pcr1、Pcr2為加勁環(huán)臨界外壓強度，N/mm2；E為鋼材彈性模量，2.06×105MPa；FR為支承環(huán)或加勁環(huán)有效截面面積（包括管壁等效翼緣面積），mm2；JR為支承環(huán)或加勁環(huán)有效截面對中心軸的慣性矩，mm4；R為支承環(huán)或加勁環(huán)有效截面重心軸處的半徑，mm；l為環(huán)間間距；r為鋼管半徑；其余符號意義同前。

根據(jù)初步擬定的加勁環(huán)尺寸，DN2400 mm出水管、DN2200 mm出水管、DN1600 mm出水管上加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定驗算結果詳見表5。

表5 加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定驗算表

由以上計算結果可知，DN2400 mm出水管KcP0k

3.5 岔管的結構設計

3.5.1 岔管布置

根據(jù)泵站出水管及出水管的布置，在泵站廠區(qū)布置岔管將4根出水管接入出水管。岔管結構型式為貼邊岔管，分岔角為80°，出水管管徑D=2 400 mm，岔管管徑d=1 600 mm。

3.5.2 分岔管結構設計

根據(jù)岔管的布置及結構型式，對岔管進行結構設計，主要采用岔管管壁厚度公式、鍋爐公式、光面管抗外壓公式計算管壁厚度，按規(guī)范要求的銳角貼邊外緣應力公式計算最大主應力，鍋爐公式及光面管抗外壓公式如前一小節(jié)所述，此處主要為岔管管壁厚度公式及銳角貼邊外緣應力計算公式，如下。

岔管管壁厚度公式：

式中t0為管壁厚度，mm；r為岔管半徑，為800 mm；P為內水壓力，N/mm2；K1為應力計算系數(shù)，查《水利水電工程壓力鋼管設計規(guī)范》可知，取為1.5；[σ]1為允許應力取值，對于膜應力區(qū)基本荷載組合為0.5σs，特殊荷載組合為0.7σs；φ為焊縫系數(shù)，取0.9；α為岔管分岔角，為80°。

岔管特性及主要計算成果詳見表6。

由表6計算可知，加上2 mm的銹蝕厚度，岔管壁厚需達到18 mm，岔管考慮設置加勁環(huán)，設置加勁環(huán)后計算同上，計算壁厚8 mm，加上2 mm的銹蝕厚度，壁厚10 mm，每隔1.6 m設置一加勁環(huán)。岔管特性及外緣最大主應力計算成果詳見表7。

表6 岔管特性及主要計算成果表

由表7計算可知，加上2 mm的銹蝕厚度，岔管及該段主管壁厚為12 mm時，岔管處外緣最大主應力滿足管道局部應力區(qū)允許應力要求。

表7 岔管特性及主要計算成果表

4 結束語

針對低揚程、大流量、大管徑的壓力鋼管結構設計，難點主要在于加勁環(huán)的設置，計算鋼管抗外壓所需的管壁厚度一般較厚，需要考慮設置加勁環(huán)來減少鋼管壁厚以達到節(jié)省工程投資及降低施工難度的目的。加勁環(huán)的設置后加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定分析、加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定分析、加勁環(huán)抗外壓強度驗算需要重點關注。