水電工程中壓力鋼管的安裝質量控制

趙繼紅

摘要：我國小型水電站建設中壓力鋼管道施工問題尤為重要，受內水壓力與外部壓力的雙重作用，埋藏式鋼管易出現外壓失穩與內壓承載的問題，本文針對這兩方面問題，提出自己的見解。

關鍵詞：小型水電站；壓力鋼管；措施

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在水工建筑中，小型水電站壓力鋼管道的設計與施工備受人們的關注，因為它是水工建筑中的關鍵性結構，其施工安全與否直接影響水工建筑的質量。壓力鋼管道可以分為兩類，即明管與埋管。明管與大氣接觸，通常設置在分開的支座上，而埋管不與大氣接觸，通常被掩埋在混凝土、巖石或土壤三種介質中。關注壓力鋼管道穩定設計，并實現安全施工控制，是順利完成小型水電站建設的有力保證。

1關于埋管的穩定性分析

小型水電站的壓力管道，如果采用的是埋藏的形式，壓力管道受內水壓力與外部壓力的雙重作用，對其進行穩定性分析時，必須從兩個角度來分析。

1.1首先是壓力鋼管的外壓失穩問題。

該問題受多重因素的影響，壓力鋼管的臨界外壓與光面鋼管的管壁厚度有關，在穩定要求得到滿足的情況下，就無需加置加勁環；否則就必須設置加勁環。加勁環的設置還必須考慮到間距與尺寸的因素，加勁環的間距與鋼管的臨界外壓有關，而加勁環的尺寸則受加勁環抗外壓失穩要求的影響。壓力鋼管的外壓失穩問題極為復雜，受鋼管長度、鋼材質量與外壓分布等諸多因素的影響。但總的來說，帶加勁環的埋藏式鋼管，它的外壓穩定包括兩個方面，即加勁環的穩定與環間管壁的穩定。

1.2其次是壓力管道的內壓承載問題。

壓力管道承受的荷載主要來自于內水壓力，作為鋼襯及鋼筋混凝土襯砌的重要參數，內水壓力數值的準確性十分重要。作為整體性結構，鋼襯與鋼筋混凝土襯砌粘結在一起，二者之間能夠實現聯合合作。鋼襯與鋼筋混凝土襯砌之間粘結可以出現被破壞的情況。在兩者粘結受破壞之前，混凝圖襯砌的內部會出現縱向的裂痕，但這種裂痕是有限的，不影響整個系統的正常運行。在兩者粘結受破壞之后，壓力管道的應力狀態不會有大的波動。對于鋼襯與鋼筋混凝土襯砌而言，應力取值受內水壓力的影響，且與環的半徑無關。還應對壓力管道進行所能承受的強度的計算，對鋼襯和鋼筋的應力有一定限制，一般而言，指在正常的荷載下，所得結果必須在規定的極限值之內。

2壓力鋼管道施工中的相關舉措

隨著科學技術的發展，我國的水電站建設取得了不小的成果，從發展趨勢來看，對單機容量和壓力管道的載荷提出了更高的要求。外壓荷載加大造成的不利后果，往往是鋼管的失穩破壞，這樣的狀況在薄殼結構壓力鋼管中較為常見。按照以往經驗，往往是從兩方面著手，即將增加鋼襯厚度或增加混凝土襯砌的配筋量，從表面上看，以上措施看似是解決了外壓荷載給壓力管道造成的不利影響，但實際上，舊有問題得到解決，新的問題隨之產生。鋼管厚度的增加，壓力管道的滾壓能力亦發生變化，原有的壓力管道設計也隨之發生改變，對于施工過程的制造、安裝與焊接工作也提出更高要求，這無疑增加了施工難度。鋼襯鋼筋混凝土聯合承載結構是目前為止，我國小型水電站建設過程中最常采用的，也最為實用的承載結構，用昂貴、緊缺的高強合金鋼來取代這種承載結構的做法不夠明智，增加混凝土襯砌的配筋量亦不合理，因為這種澆筑方式無法保證工程的質量。筆者根據多年工作經驗，提出以下舉措。

2.1首先是要注重設計的合理性。

小型水電站建設事關重大，各項工作都要在法律、法規的規范下進行。我國關于壓力鋼管制造方面的法規非常明確，《壓力鋼管制造安裝及驗收規范》(DL5017-93)、《壓力鋼管制造安裝施工技術要求》與《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果的分級》都能給予相關工作人員技術上的要求，嚴格按照相關工藝流程操作，確保施工質量。在對壓力鋼管進行設計時，吸取我國近年來此工作領域的有益經驗，采取有限元法計算管壁厚度，此種計算方法的采用，不但科學合理，而且能夠節約原料，從而實現資金的最合理應用。

2.2其次是可以采用墊層的形式。

針對埋藏式壓力管道中存在的諸多問題，經過多年的實踐，現在較常采用的是墊層的形式。墊層設置在鋼管和混凝土襯砌中間，有效地將二者分開。墊層管的設置，其優勢在于鋼管承受內壓的能力充分顯現出來，通過自身高性能的抗拉作用，對混凝土襯砌和圍巖形成一種變相的保護，原有的對混凝土襯砌和圍巖形成威脅的內水壓力極大減少，從而也在一定程度上降低了二者被破壞的可能性。因為具備了更好的抗裂性，就埋藏式鋼管而言，對其配筋量沒有必要再特意增加，壓力鋼管厚度的適中，且鋼管的埋藏深度上也相對放松，這是對施工難度的降低。采用墊層的形式，混凝土襯砌中的拉應力相對減小，在混凝土襯砌完好或僅存在極小裂縫的情況之下，能夠有效地規避鋼管管壁屈曲失穩現象的發生，而此類現象時常發生在鋼管放空狀態時。

2.3再次是可以采用夾層管的形式。

夾層管包括內、外層的混凝土襯砌以及混凝土襯砌中間的鋼板。使用夾層管的優勢在于，內水壓力不再只作用于壓力鋼管，而是作用于內外層混凝土、鋼襯和圍巖，這樣即使在混凝土襯砌存在裂縫的情況下，也不會形成大的安全隱患。外水對外層混凝土村砌的直接荷載，消除了對鋼襯的屬曲臨界外壓，從而保證了鋼襯這種薄殼結構的安全使用。夾層管可以使用在非鼴形隧洞中，也是為一些設計者們喜愛的重要原因。

3所應具備的壓力鋼管焊接技術

小型水電站壓力鋼管的焊接技術要求嚴格，除原有的鋼管的設計、安裝與加固工作需要監督人員檢查合格之外，對鋼管進行焊接，也需要專門的工作人員來進行操作。對壓力鋼管進行焊接，特別講究焊接人員之間的合作性。對焊接成果要通過超聲波與X射線的形式來進行探傷檢測，杜絕安全隱患的存在。在筆者工作經驗中，以下幾點是實施壓力鋼管焊接工作應注意的問題：

3.1首先是對焊工的嚴格要求。

焊工技術水平的高低，對整個工程的質量有決定性的影響。小型水電站建設影響深遠，對相關工作人員的選拔上要求也更為嚴格。所有參與到此項工作的焊工都必須接受過專門的培訓考核，且在工人勞動強度上，工作時間不能超過8h ，以免影響其工作水準的發揮。

3.2其次對所用材料要求嚴格。

對小型水電站建設所用材料有嚴格的標準，對剛才以及焊接材料的選購要嚴格按照這一標準來執行，對這些材料進行驗收時，要注意登記好不同批號材料的相關數據，做到使用時有據可查。對于施工材料的領取與發放，要有專門的工作人員來負責，做到賬目明細清楚。在真正施工之前，還應對所用鋼材和焊接材料做現場工藝的試驗，這種工藝試驗可以明確施工所使用的材料性能是否優良，可以對工作的 工藝流程進行驗證。對于試驗現場進行編制，在得到監理人肯定之后，才能開展下一步工作。

3.3最后是對焊接技術的嚴格要求。

對于焊接的要求，應該嚴格按照DL5017-93的規范標準來做。在焊接工作進行之前，事先的清理工作尤為重要。對壓力鋼管的要求是對坡口及兩側10～20mm范圍內進行清理，清理的物質包括鐵銹、焊渣、油污等。對鋼管的預熱與后熱工作也必不可少，常用的方式有兩種，即遠紅外式電加熱器和吸鐵式電加熱器。對于溫度測定的位置有明確的規定，且使用的應為數字顯示的溫度計。

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注：文章內所有公式及圖表請用PDF形式查看。