馮劍英

（遵義市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)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(chǎng)、河上坡、亞居·庭院、外環(huán)路燈具布藝市場(chǎng)、朱家灣（川黔線右側(cè)）、首座匯金廣場(chǎng)、萬(wàn)福鋼材市場(chǎng)道路間隙埋設(shè)至湘江河（緊鄰蝦子河與湘江河匯合口下游側(cè)），出水管總長(zhǎng)2 040 m。

蝦子河排洪泵站共裝機(jī)4臺(tái)，總裝機(jī)功率4 480 kW，設(shè)計(jì)排洪流量16 m3/s，根據(jù)GB 50265—2010《泵站設(shè)計(jì)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(jí)別為3級(jí)。

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(jìn)、出口中心高程分別為829.35 m、805.14 m。

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

3 鋼管設(shè)計(jì)

3.1 水力學(xué)計(jì)算

鋼管水力學(xué)計(jì)算包括水頭損失計(jì)算和壓力線計(jì)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(jì)算：

局部水頭損失按下式計(jì)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(zhuǎn)彎半徑，m；θ為管道中心線轉(zhuǎn)角，m；A1為斷面擴(kuò)大前面積，m；A2為斷面擴(kuò)大后面積，m。

水頭損失計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)水泵揚(yáng)程詳見(jiàn)表1。

表1 水頭損失計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)水泵揚(yáng)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(jì)算

鋼管承受內(nèi)水壓力所需管壁厚度。

根據(jù)最高壓力線計(jì)算結(jié)果，按“鍋爐公式”和SL/T 281—2020《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》構(gòu)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(nèi)徑，mm；φ為焊縫系數(shù)，取0.9；[σ]為鋼材設(shè)計(jì)允許應(yīng)力。

鋼管承受內(nèi)水壓力所需管壁厚度詳見(jiàn)表2。

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)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(nèi)水壓力所需管壁厚度計(jì)算結(jié)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(yīng)滿足下式計(jì)算：

式中Pcr為光面管臨界外壓強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)值，MPa。

鋼管抗外壓壁厚詳見(jiàn)表3。

表3 鋼管抗外壓壁厚計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)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(nèi)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(nèi)水壓力10 mm，DN2200 mm出水管抗外壓22 mm、承受內(nèi)水壓力10 mm，DN1600 mm出水管抗外壓18 mm、承受內(nèi)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(shè)加勁環(huán)后）抗外壓穩(wěn)定分析

經(jīng)過(guò)“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(shè)置加勁環(huán)（加勁環(huán)間距1.6 m），環(huán)高200 mm，厚20 mm，設(shè)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(jié)構(gòu)計(jì)算采用10 mm，DN1 600 mm出水管管壁厚度為12 mm，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用8 mm。

根據(jù)以上擬定的鋼管壁厚和加勁環(huán)進(jìn)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(qiáng)度分析，分別有以下3個(gè)驗(yàn)算內(nèi)容。

3.4.1 加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定驗(yàn)算

驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2；Pcr為加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定臨界壓力計(jì)算值，N/mm2。采用下式計(jì)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(yàn)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 壓力鋼管加勁環(huán)間管壁抗外壓穩(wěn)定驗(yàn)算表

由以上計(jì)算結(jié)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(qiáng)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(duì)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(hào)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(yàn)算結(jié)果詳見(jiàn)表5。

表5 加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定驗(yàn)算表

由以上計(jì)算結(jié)果可知，DN2400 mm出水管KcP0k

3.5 岔管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)岔管的布置及結(jié)構(gòu)型式，對(duì)岔管進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)算管壁厚度，按規(guī)范要求的銳角貼邊外緣應(yīng)力公式計(jì)算最大主應(yīng)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(yīng)力計(jì)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(nèi)水壓力，N/mm2；K1為應(yīng)力計(jì)算系數(shù)，查《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，取為1.5；[σ]1為允許應(yīng)力取值，對(duì)于膜應(yīng)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(jì)算成果詳見(jiàn)表6。

由表6計(jì)算可知，加上2 mm的銹蝕厚度，岔管壁厚需達(dá)到18 mm，岔管考慮設(shè)置加勁環(huán)，設(shè)置加勁環(huán)后計(jì)算同上，計(jì)算壁厚8 mm，加上2 mm的銹蝕厚度，壁厚10 mm，每隔1.6 m設(shè)置一加勁環(huán)。岔管特性及外緣最大主應(yīng)力計(jì)算成果詳見(jiàn)表7。

表6 岔管特性及主要計(jì)算成果表

由表7計(jì)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(shí)，岔管處外緣最大主應(yīng)力滿足管道局部應(yīng)力區(qū)允許應(yīng)力要求。

表7 岔管特性及主要計(jì)算成果表

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)低揚(yáng)程、大流量、大管徑的壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，難點(diǎn)主要在于加勁環(huán)的設(shè)置，計(jì)算鋼管抗外壓所需的管壁厚度一般較厚，需要考慮設(shè)置加勁環(huán)來(lái)減少鋼管壁厚以達(dá)到節(jié)省工程投資及降低施工難度的目的。加勁環(huán)的設(shè)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(qiáng)度驗(yàn)算需要重點(diǎn)關(guān)注。