基于荷载平衡法的大直径中空夹层钢管管道

1.本发明属于抽水蓄能电站压力管道技术领域，特别涉及一种基于荷载平衡法的大直径中空夹层钢管管道。


背景技术：

2.压力管道作为抽水蓄能电站的重要组成部分，也是能量转化的核心通道，其安全运行的稳定性至关重要。
3.传统压力管道以钢管为主，钢管强度高，防渗性好，但随着大兆瓦级抽水蓄能电站的应用，运行过程中钢管承受更大的内水压力，大大增加了钢管壁厚和钢材强度，提高了建造成本和施工成本，钢管自重过大也增加了施工难度，导致钢管压力管道的推广与应用受到极大制约。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于荷载平衡法的大直径中空夹层钢管管道，以期抵消部分或全部管道使用荷载效应，并减少钢管壁厚和降低钢材强度，节约材料用量。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种基于荷载平衡法的大直径中空夹层钢管管道，由若干中空夹层钢管段沿轴向组装构成，每个所述中空夹层钢管段包括外钢管、内钢管和对拉螺栓，所述对拉螺栓设置于外钢管和内钢管之间。其中，所述外钢管的内壁与所述内钢管的外壁之间形成通道一；所述内钢管内形成通道二，所述通道一内的外水压力能够消除部分或全部所述通道二内的内水压力，从而抵消部分或全部管道使用荷载效应。
7.在一个实施例中，所述管道作为兆瓦级抽水蓄能电站的压力管道，所述通道一内的外水流和所述通道二内的内水流于涡轮机前汇合。
8.在一个实施例中，所述对拉螺栓为高强度螺栓，且沿管道环向和轴向等间距布置。
9.在一个实施例中，所述对拉螺栓一端焊接于内钢管外壁，另一端焊接于外钢管内壁，其长度方向为径向。
10.在一个实施例中，所述对拉螺栓一端焊接于内钢管外壁，另一端穿过外钢管并在外钢管外壁设置安装螺母；或者，
11.所述对拉螺栓一端焊接于外钢管内壁，另一端穿过内钢管并在内钢管内壁设置安装螺母；或者，
12.所述对拉螺栓一端穿过外钢管并在外钢管外壁设置安装螺母，另一端穿过内钢管并在内钢管内壁设置安装螺母。
13.在一个实施例中，所述中空夹层钢管段与岩体之间设置混凝土衬砌。
14.在一个实施例中，所述混凝土衬砌的浇筑方式为现浇，所述混凝土衬砌为普通混凝土、高强混凝土、再生混凝土或者自密实混凝土。
15.在一个实施例中，所述每个中空夹层钢管段的长度为2-4m，其中外钢管外径不小于8m，内钢管的内径不小于6m，且不大于10m。所述对拉螺栓的轴向间距与外钢管壁厚的比值不低于50。
16.在一个实施例中，所述外钢管和内钢管的壁厚均不小于20mm，且不大于40mm。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.1)施工便捷
19.基于荷载平衡法的大直径中空夹层钢管管道构造简单，管道沿轴向分段组装，相邻各段焊接组成管道。管道部件均在工厂标准化生产，保证施工质量，降低施工难度，施工性能将大为提高。
20.2)性能提升
21.基于荷载平衡法的大直径中空夹层钢管管道采用对拉螺栓连接内外钢管，增大管道刚度，防止钢管发生局部屈曲，提高钢管的稳定性能，实现内外钢管共同受力。
22.3)设计灵活
23.基于荷载平衡法的大直径中空夹层钢管管道利用通道一内的外水压力消除部分通道二内的内水压力，能有效减少钢管壁厚和降低钢材强度，节约材料用量，降低工程造价，具有良好的经济效益。
24.总体来说，基于荷载平衡法的大直径中空夹层钢管管道采用对拉螺栓连接内外钢管，实现内外钢管共同受力，利用通道一内的水压力消除部分通道二内的水压力，实现抵消部分或全部管道使用荷载效应的目的。本发明能有效减少钢管壁厚和降低钢材强度，节约材料用量，降低工程造价，具有良好的经济效益。
附图说明
25.图1是本发明一种基于荷载平衡法的大直径中空夹层钢管管道的整体示意图。
26.图2是本发明一种基于荷载平衡法的大直径中空夹层钢管管道的截面示意图。
27.图3是本发明第二种基于荷载平衡法的大直径中空夹层钢管管道的截面示意图。
28.图4是本发明第三种基于荷载平衡法的大直径中空夹层钢管管道的截面示意图。
29.图标：1-中空夹层钢管管道；2-外钢管；3-内钢管；4-对拉螺栓；5-通道一5；6-通道二6；7-安装螺母；8岩体；9-混凝土衬砌。
具体实施方式
30.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一
个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
33.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
34.如图1～图4所示，本发明为一种基于荷载平衡法的大直径中空夹层钢管管道，管道整体由若干中空夹层钢管段1沿轴向组装构成。每个中空夹层钢管段1主要包括外钢管2、内钢管3和对拉螺栓4，其中对拉螺栓4设置于外钢管2和内钢管3之间。此时，在外钢管2的内壁与内钢管3的外壁之间形成了通道一5；而在内钢管3内则形成通道二6。本发明中，在使用时，通道一5内的外水压力应能够消除部分或全部通道二6内的内水压力，从而抵消部分或全部管道使用荷载效应。
35.本发明中，第一方面，由多个中空夹层钢管段1通过焊接等连接方式在轴向上拼装形成管道，其构造简单，各中空夹层钢管段1可在工厂预制，施工难度低，效率高。第二方面，采用对拉螺栓4连接外钢管2和内钢管3，能够大幅提高管道刚度，防止发生局部屈曲，外钢管2和内钢管3共同受力，提高了管道的整体稳定性。第三方面，利用通道一5内的外水压力消除通道二6内部分或全部的内水压力，可大大降低钢管壁厚，节约材料用量，同时降低对钢材强度的要求，降低工程造价。
36.本发明中，每个中空夹层钢管段1的长度大约为2-4m，其中外钢管2外径不小于8m，内钢管3的内径不小于6m，且不大于10m，对拉螺栓4的轴向间距与外钢管2壁厚的比值不低于50。
37.根据gb 50017-2017《钢结构设计标准》表4.4.1可知，随着钢材厚度增加，钢材强度设计值的折减越多。本发明中，外钢管2和内钢管3的壁厚均不小于20mm，且不大于40mm，因此能够有效降低钢材强度设计值的折减，充分发挥钢材强度，降低管道壁厚。
38.本发明的一个实施例，本发明的大直径中空夹层钢管管道，主要用于兆瓦级抽水蓄能电站的压力管道，通道一5内的外水流和所述通道二6内的内水流于涡轮机前汇合。
39.本实施例中，所述的大直径中空夹层钢管管道用作兆瓦级抽水蓄能电站的压力管道时，基于荷载平衡法的原理，利用通道一5内的外水压力消除通道二6内部分或全部的内水压力，以期抵消部分或全部管道使用荷载效应，并减少钢管壁厚和降低钢材强度，节约材料用量。相比传统压力钢管道，中空夹层钢管管道能有效避免钢材强度折减，充分发挥钢材强度，提高钢材利用率。
40.本发明的一个实施例，对拉螺栓4为高强度螺栓，且沿管道环向和轴向等间距布置，其长度方向为径向。
41.本实施例中，对拉螺栓4的这种设置方式，目的是防止内外钢管发生局部屈曲，同时连接内外钢管形成中空夹层钢管结构，提高结构整体性，实现共同受力。
42.本发明的一个实施例，如图2所示，对拉螺栓4一端焊接于内钢管3外壁，另一端焊接于外钢管2内壁。
43.本发明的一个实施例，如图3所示，对拉螺栓4一端焊接于内钢管3外壁，另一端穿过外钢管2并在外钢管2外壁设置安装螺母7。
44.本发明的一个实施例，如图4所示，对拉螺栓4一端穿过外钢管2并在外钢管2外壁
设置安装螺母7，另一端穿过内钢管3并在内钢管3内壁设置安装螺母7。
45.本发明的一个实施例，所述中空夹层钢管段1与岩体8之间设置混凝土衬砌9，混凝土衬砌9的浇筑方式为现浇，其可以为普通混凝土、高强混凝土、再生混凝土或者自密实混凝土等，满足实际工程对于混凝土性能的不同需求。
46.本实施例中，作为抽水蓄能电站输水建筑物的重要组成部分，埋藏式压力管道多采用在开挖的隧洞中安装钢衬的形式，通过在钢衬与围岩之间填充混凝土来实现钢衬与围岩的共同受力，以达到减小钢衬厚度降低造价的目的。
47.以上仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。