第1章 水电站压力钢管概述

1.1 水电站压力钢管的发展与研究概况

1.1.1 水电站压力钢管建设发展概况

能源是人类社会发展的重要物质基础，水力发电是人类获得能源的一个重要途径。水资源是一种可再生资源，所以水力发电具有成本低、效率高、运行灵活、不污染环境等优点^［1-3］。为了改善和调整能源结构^［4］，充分利用水电资源，我国的水力发电事业得到了迅猛发展。但是和世界先进水平相比，我国在巨型压力钢管的研究和应用上还有较大差距。如巨型压力钢管在规模、尺寸、结构分析方法等方面，已经远远超过了我国水电站压力钢管设计规范的规定；国产高强度低合金钢还不能完全满足巨型压力钢管的需要；厚壁钢管的焊接、制造和安装等技术问题和世界先进水平还存在很大的差距。这些给我们带来一系列亟待解决的新课题，如巨型压力钢管新型结构的开发和利用、设计理论和方法、施工技术与工艺、质量控制与检测、运行机理等问题，都需要进行科技攻关研究。

随着大型常规和抽水蓄能电站的兴建，水电站压力钢管的HD值急剧增长，压力钢管趋向巨型（HD值大于1200m·m）和超巨型（HD值大于3000m·m）方向发展^［5］。据不完全统计^［6］，目前，世界上已建成巨型压力钢管的水电站达140余座（我国约10余座），HD值大于3000m·m达28余座，HD值大于4000m·m有10余座。其中，美国大古力三厂，采用埋藏式钢管，钢管直径达12.2m；最大水头1750m（瑞士山多林水电站）；最大HD值5843m·m（英国底诺维克水电站）；最大管长3377m（日本NACAMATSU水电站）；最大钢管重量2.8万t（苏联萨杨-舒申斯克水电站，其中钢管重1.2万t，钢筋重1.6万t）；最大管壁厚度75mm（日本澳清津水电站）；最大E-W型岔管HD值为5376m·m，其中岔管壁厚100mm（日本IMAICH水电站），最大月牙形肋板厚189mm（美国卡斯泰水电站）；最大球岔HD值为5831m·m（日本奥吉野水电站）；最大管径为11.2m，相应HD值为1344m·m，梁厚达100mm（泰国CHIEW水电站）。

1.1.2 水电站压力钢管的研究概况

近年来，水电站压力钢管的理论研究和应用研究得到了长足发展。20世纪50年代以前，由于大量计算工作依赖于手工进行，所以压力钢管结构分析方法和理论仅局限于线弹性范围内的解析法，结构模型仍然采用简化的理想模型。如压力钢管经济直径的计算，只是通过有限的可行性方案进行比较加以确定，或者按照简化的经验公式求得^［7］。20世纪50年代初期，电子计算机的发展与应用使工程力学、结构优化、结构非线性分析、结构动力学计算等理论取得了突破性的进展^［8］。特别是有限单元法的出现^［9］，使人们可以采用数值计算方法通过计算机模拟复杂结构的受力状态^{［10，11］}，从此压力钢管的理论研究进入了一个新时期。世界各国在水电站压力钢管结构的应力及强度分析^［12-15］、非线性有限元分析^［16］、温度应力^［17］、优化设计^{［18，19］}、动力计算^{［20，21］}、垫层材料研究^［22］、结构模型试验^{［23，24］}、断裂分析^［25］、弹塑性分析^［26］等方面进行了广泛深入的研究，取得了丰硕的成果。60年代后期，钢衬钢筋混凝土压力管道新型结构的成功应用，给水力发电科技工作者开辟了新的领域^［27-32］。苏联专家通过大比尺模型试验和工程应用经验，向人们证实了钢衬钢筋混凝土压力管道的经济性、合理性、安全性及实用性，并根据其受力特点和工作原理，提出了正交异性多层环的组合结构分析方法和设计理论^［33］。80年代以来，我国武汉大学马善定教授、水利部科技司董哲仁教授、浙江大学钟秉章教授、大连理工大学董毓新教授、路振刚博士、华北水利水电学院刘宪亮博士、中国水利水电科学研究院鲁一晖博士、武汉钢铁设计研究院的赖华金等，在压力管道结构模型的建立与改进、静力非线性有限元分析、外压稳定分析、压力钢管与厂坝联结形式优化、分布裂缝动弹模理论、不均匀水压力影响、动力分析与动力试验、温度应力分析等方面，均取得了开创性的理论成果。这些研究成果为工程设计和施工提供了较强的理论依据，并促进了我国水电站压力钢管的发展和应用。80年代末到90年代初期，华北水利水电学院刘东常教授开创性地运用了半解析有限元法^［34-38］解壳体结构稳定性问题。曾先后开展了预应力U形薄壳渡槽稳定性分析的半解析有限元法的研究、地下埋藏式钢管外压失稳屈曲问题的分析及试验研究等多项工作，为壳体结构稳定性分析和设计的理论研究与工程应用走出了一条新路。尤其是在研究过程中引入了计算机分析及程序设计手段，大大提高工作效率的同时，研究成果技术含量更高，实用价值更大，开辟了结构稳定性理论分析计算机化的新路。

水电站压力钢管的应用研究主要包括设计理论与方法、结构形式与新型材料的开发、施工工艺与技术等几方面。首先，有关压力钢管的理论研究成果累累，但真正用于工程设计的相对较少。到目前为止，国内外压力钢管的工程设计仍以弹性理论为基础^［39］。我国近几年来有关压力钢管的理论研究取得了很多成果，如浙江大学钟秉章和武汉水利电力大学马善定教授首先提出了埋藏式钢管弹塑性设计原理与方法^［40］。随后马善定教授又针对坝内埋管设计中存在的问题提出了改进意见^［41］，并通过模型试验研究了混凝土塑性对坝内埋管承载能力的影响^［42］、软垫层坝内钢管的工作原理、16Mn钢在弹塑性状态下的机械性能及其在埋藏式钢管中的具体应用^［43］等问题，但这种设计理论还没有被工程设计者所接受。董哲仁教授、路振刚博士又先后提出了钢衬钢筋混凝土压力钢管的结构优化设计理论和方法^{［44，45］}，在保证压力钢管运行安全可靠的基础上，能大量节约工程投资，但优化成果在大型压力钢管的设计中仍得不到大胆应用。可以肯定，丰硕的理论研究成果，对压力管道的设计改进和新型结构的合理应用具有一定的指导意义和促进作用，但理论研究与工程应用不协调的现象仍然存在。这些问题的解决，就要依靠科研工作者和工程设计人员在设计观念上的一致沟通并达成共识。其次，高强度钢材在压力钢管中已得到了广泛的应用。随着大型水电站的不断兴建，压力钢管的HD值日趋增加，为达到减少焊接工程量、加快施工进度、节约工程投资并保证钢管的焊接质量这些目的，采用高强钢板来减小管壁厚度是最直接有效的方法^［46］。美国、日本、巴西、德国、法国、意大利等国家，高强度低合金调质钢的生产、加工和焊接均有较高的技术水平和成功的工程经验，很多巨型压力钢管采用了80kg级的高强度低合金调质钢，如英国的底诺维克水电站、日本的IMAICHI水电站、法国的罗斯兰水电站等。我国压力钢管用钢，在建国初期多采用普通碳素钢，如A3钢。目前，我国压力钢管所用高强度低合金调质钢仍依赖进口。武钢和鞍钢研制生产了WCF和HQ系列高强钢，但与世界先进水平相比，在技术水平和生产能力方面仍有很大的差距。第三，压力钢管在落料、弯卷、焊接和热处理等施工工艺与技术上发展迅速。纵观国内外钢板落料全貌，由机床剪切向气割、由光电气割向数控气割落料方向发展。弯卷的第一道工序是板头成形，国内外多采用胎模、卷板机和压力机加工。在日本常以1500～1600t的C型单臂压力机进行校正，以保证其圆度。现有国产70mm×3200mm型卷板机，可以卷制40mm×2600mm的高强度低合金调制钢板，仍储备卷板能力。因此，国产卷板机可以满足高强度低合金调制钢巨型压力钢管弯卷的需要。压力钢管的焊接，国内现状仍以手工焊（SMAW）、埋弧自动焊为主（SAW），采用少量的气体保护焊（GMAW）。国外已广泛应用钨极惰性气体保护焊（TIG）、金属极惰性气体保护焊（MIG）和药芯焊丝保护焊（FCAW）。我国对于埋弧焊技术虽已广泛应用，但仍以实心细丝为主，虽有全位置的自动焊接设备，但仅限于工厂制作加工。对于巨型压力钢管，如采用普碳钢、普低钢，势必增加壁厚和尺寸。这样，不仅增加制安吊运等困难，增加投资，而且由于热轧钢板较厚，其力学性能下降，可能出现材质不均匀性，产生平行于板材轧制方向的层状撕裂（分层）现象。因此，当厚度超过规定标准值时，必须有合理的焊接工艺规程，采用焊前预热，焊后保温热处理，以消除残余应力，防止脆性破坏。