TIÊU CHUẨN QUỐC GIA
TCVN 8636: 2011
CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC BẰNG THÉP - YÊU CẦU KỸ THUẬT TRONG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT
Hydraulic structures - Steel penstock - Technical requirements for designing, manufacturing and installation
Mục lục
Lời nói đầu
1 Phạm vi áp dụng
2 Thuật ngữ và định nghĩa
3 Yêu cầu kỹ thuật chung
4 Vật liệu đường ống
5 Tải trọng và tổ hợp tính toán đường ống áp lực đặt tự do
6 Tính toán độ bền và ổn định đường ống áp lực
7 Chế tạo đường ống áp lực
8 Thử nghiệm đường ống áp lực
9 Sơn bảo vệ đường ống áp lực
10 Hệ thống quan trắc đường ống áp lực
Phụ lục A (Quy định): Xác định các lực tác động lên đường ống và các mố của nó (các giá trị Ai)
Phụ lục B (Quy định): Hệ số dùng trong tính toán thiết kế
Phụ lục C (Quy định): Đường kính tiêu chuẩn và chiều dày cấu tạo nhỏ nhất cho phép của thành ống
Phụ lục D (Quy định): Khoảng cách lớn nhất các vành đai tăng cứng
Phụ lục E (Tham khảo): Tính toán sức bền, ổn định của đường ống thép và các phụ kiện
Phụ lục F (Quy định): Hình dạng đường hàn và các khuyết tật bên ngoài của đường hàn cấp I, II và III
Phụ lục G (Quy định): Dung sai cho phép khi chế tạo, lắp ráp đường ống áp lực
Phụ lục H (Tham khảo): Sơ đồ vị trí các đường hàn
Phụ lục I (Quy định): Trị số áp lực thử nghiệm tối thiểu
Thư mục tài liệu tham khảo
Lời nói đầu
TCVN 8636: 2011 Công trình thủy lợi - Đường ống áp lực bằng thép - Yêu cầu kỹ thuật trong thiết kế, chế tạo và lắp đặt, được chuyển đổi từ 32 TCN E5-74, theo quy định tại khoản 1 điều 69 của Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật và điểm a, khoản 1 điều 7 của Nghị định số 127/2007/NĐ-CP ngày 01 tháng 8 năm 2007 của Chính phủ quy định chi tiết thi hành một số điều của Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật.
TCVN 8636: 2011 do Trung tâm Khoa học và Triển khai kỹ thuật thủy lợi thuộc trường Đại học Thủy lợi biên soạn, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố tại Quyết định số 362/QĐ-BKHCN ngày 28 tháng 02 năm 2011.
CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC BẰNG THÉP - YÊU CẦU KỸ THUẬT TRONG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT
Hydraulic structures - Steel penstock - Technical requirements for designing, manufacturing and installation
1 Phạm vi áp dụng
1.1 Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu kỹ thuật trong thiết kế, chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm các đường ống áp lực bằng thép đặt lộ thiên trong các công trình thủy lợi, thủy điện, bao gồm chế tạo mới, sửa chữa, phục hồi hoặc nâng cấp.
1.2 Tiêu chuẩn này không áp dụng cho những đường ống lấp đất hoặc có lớp bọc bằng thép của đường hầm áp lực công trình thủy lợi, thủy điện.
1.3 Khi nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lắp đặt, ngoài các yêu cầu của tiêu chuẩn này còn phải tuân theo các yêu cầu được quy định trong các tiêu chuẩn hiện hành có liên quan.
2 Thuật ngữ và định nghĩa
Tiêu chuẩn này sử dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau:
2.1
Đường ống áp lực (Penstock)
Đờng ống có áp lực nước bên trong tác dụng lên suốt chiều dài đường ống.
2.2
Đường ống nằm tự do (Exposed penstock)
Đường ống thép áp lực đặt tự do lộ ra ngoài không khí.
2.3
Ống phân nhánh (Branch pipe)
Đoạn ống thép áp lực ở vị trí đường ống dẫn nước phân nhánh.
2.4
Mố néo (Anchor)
Mố đỡ và néo định vị cố định đường ống tại chỗ, bảo đảm đoạn ống thép không phát sinh chuyển vị, nghiêng lật và xoắn.
2.5
Gối đỡ (Support)
Mố đỡ chịu trọng lượng của ống giữa các mố néo, cho phép ống chuyển vị tự do dọc trục đường ống.
2.6
Nước va (Water hammer)
Hiện tượng áp lực nước trong đường ống tăng cao đột ngột (nước va dương) hoặc hạ thấp đột ngột (nước va âm) phát sinh khi lưu tốc trong đường ống thay đổi đột ngột.
2.7
Ứng suất màng (Membranous stress)
Ứng suất kéo hoặc ứng suất nén phân bố đều dọc theo chiều dày ống thép và ứng suất cắt tại mặt bằng vách ống.
2.8
Ứng suất cục bộ (Concentrated stress)
Ứng suất màng cục bộ và ứng suất uốn cục bộ không đồng đều trong chiều dày vách ống.
2.9
Đai tăng cường (Reinforced ring)
Đai thép bố trí mặt ngoài ống để tăng cường khả năng chống chịu áp lực của đường ống trong quá trình gia công, chế tạo, lắp ráp và vận hành khai thác.
2.10
Đai gối (Supporting ring)
Kết cấu vành đai dùng để gia cố, tăng khả năng chịu lực ở giữa ống thép và gối đỡ.
2.11
Vành chặn nước (Front-end ring bock)
Kết cấu vành bố trí tại đoạn bắt đầu của ống thép (hoặc vỏ ống) dùng để chắn nước.
2.12
Đai hãm (Fixing collar)
Kết cấu đai bố trí bên ngoài vỏ ống thép để ngăn không cho ống xê dịch theo hướng trục ống.
2.13
Lớp đệm mềm (Cushion)
Loại vật liệu có mô đun biến dạng nhỏ hơn mô đun biến dạng của thép, bố trí ở giữa mặt ngoài vỏ ống thép và bê tông.
2.14
Khớp co giãn (Compensator)
Khớp nối giữa hai ống thép đồng tâm có tính năng điều chỉnh chiều dài ống nhằm loại trừ sai số do chế tạo, lắp ráp hoặc do lún nền móng công trình và giãn nở nhiệt khi ống bị cố định hai đầu.
2.15
Vật chắn nước (Leaking preventing material)
Vật liệu dùng để ngăn chặn nước rò rỉ ở khớp co giãn và lỗ thăm trên đường ống.
2.16
Sai lệch độ tròn đường ống thép (Steel pipe roundness tolerance)
Trị số chênh lệch của hai đường kính vuông góc với nhau tại cùng một tiết diện ống thép.
2.17
Lượng dư chiều dày vách ống (Pipe spare thickness)
Phần chiều dầy ống thép có khả năng bị han rỉ, mài mòn… trong quá trình làm việc được cộng thêm vào chiều dầy vách ống tính toán .
2.18
Thí nghiệm áp lực nước (High water pressure test)
Biện pháp cho đầy nước vào đường ống và tăng áp lực để kiểm nghiệm chất lượng thiết kế, vật liệu chế tạo và chất lượng chế tạo, lắp đặt… loại trừ bộ phận ứng suất hàn dư, chỗ khiếm khuyết, bảo đảm vận hành ống an toàn.
3 Yêu cầu kỹ thuật chung
3.1 Không tạo thành chân không trong đường ống trong quá trình vận hành. Khi thiết kế, lắp đặt đường ống có thể áp dụng các giải pháp sau:
a) Đặt các ống thông hơi hay supap bổ sung không khí tại đầu đường ống hoặc tại những những vị trí có thể phát sinh chân không khi đường ống tháo cạn nước hoặc khi lưu lượng nước qua máy thủy lực tăng đột ngột. Diện tích của lỗ ống thông hơi hay supap, F, m2, được xác định theo công thức (1):
trong đó:
Q là lưu lượng không khí qua lỗ, lấy bằng lưu lượng nước lớn nhất qua đường ống, m3/s;
C là hệ số lưu lượng lấy như sau:
Đối với supap: C = 0,5;
Đối với ống thông hơi: C = 0,7
Dp là độ chênh lệch áp suất giữa mặt ngoài và mặt trong của đường ống, MPa:
E là mô đuyn đàn hồi của thép, E = 0,21.106 MPa ;
d là chiều dầy vỏ ống, cm;
D0 là đường kính trong của đường ống, cm;
k là hệ số dự trữ, lấy như sau:
Đối với đường ống lộ thiên: k = 10;
Đối với đường ống bọc bê tông: k = 5;
b) Chọn tuyến đường ống sao cho điểm cao nhất của đường ống phải thấp hơn đường nước va âm (-) không dưới 2,0 m.
3.2 Tại những vị trí trục tim của đường ống thay đổi bất kỳ theo một hoặc hai phương phải được giữ cố định bằng mố néo. Khoảng cách giữa các mố néo nếu lớn hơn khoảng cách cho phép Lcf thì phải xem xét điều chỉnh lại tuyến đường ống hoặc bố trí thêm mố néo cho phù hợp.
3.3 Thiết kế mố néo cần xem xét hai phương án:
a) Gắn chặt đường ống vào khối bê tông cốt thép theo toàn bộ chu vi ống (nối kín);
b) Néo chặt ống bằng các vành đai liên kết hàn với khung neo, phần dưới chôn trong khối bê tông cốt thép (nối hở).
3.4 Đoạn đường ống giữa hai mố néo liên tiếp phải đặt trên các mố đỡ trung gian. Các mố đỡ trung gian phải đảm bảo đường ống có khả năng xê dịch khi điều kiện nhiệt độ môi trường thay đổi.
3.5 Tùy theo độ lớn đường kính trong D0 của đường ống mà chọn các kiểu mố đỡ trung gian sau:
D0 £ 800 mm: cho phép sử dụng kiểu yên ngựa hoặc kiểu mặt trượt hai bên;
800 mm < D0 £ 2 000 mm: cho phép sử dụng kiểu mặt trượt hai bên hoặc kiểu con lăn;
D0 > 2 000 mm: chỉ được phép sử dụng kiểu con lăn.
3.6 Đỡ đường ống phải thực hiện bằng vành đai hàn liền với đường ống, chuyển tải trọng xuống mố đỡ thông qua mặt trượt hoặc qua con lăn.
3.7 Các khớp bù co giãn phải đảm bảo độ kín khít và sự co giãn dễ dàng của đường ống theo đường trục ống. Trong trường hợp đường ống nằm trên vùng đất yếu, các khớp bù co giãn phải đảm bảo co giãn theo đường trục và góc xoay.
3.8 Trên toàn bộ tuyến đường ống phải đảm bảo tháo hết nước trong đường ống cũng như thoát hết nước ngầm, nước mặt trong hành lang đặt đường ống. Phải có đường đi lại thuận tiện cho việc quan trắc, bảo trì sửa chữa đường ống khi cần thiết.
3.9 Ở đầu đường ống phải trang bị cửa van hoặc van phòng sự cố. Các van này làm việc tự động dưới tác động của thiết bị bảo vệ cực đại khi đường ống bị vỡ và thiết bị bảo vệ bộ phận chống lại sự chênh lệch lưu lượng trong đường ống. Thời gian đóng hoàn toàn cửa van hoặc van phòng sự cố không quá 2 phút.
3.10 Trên dọc tuyến đường ống phải bố trí các cửa “thăm” để định kỳ kiểm tra, tu sửa bên trong đường ống, khoảng cách giữa các cửa “thăm” không quá 200 m, đường kính cửa “thăm” không nhỏ hơn 450 mm.
3.11 Kết cấu các mố đỡ trung gian phải dự kiến khả năng chống xê dịch ngang và điều chỉnh được chiều cao khi lắp ráp. Các bộ phận như mặt trượt, con lăn phải được che chắn không bị mưa nắng xâm nhập làm hỏng chất bôi trơn.
3.12 Khoảng cách giữa các mố néo được xác định tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất của tuyến đường ống và các kết quả tính toán về ứng suất, biến dạng của đường ống dưới tác dụng của nhiệt độ môi trường thay đổi trong các tổ hợp tính toán. Đối với đường ống cắt đoạn, chiều dài đoạn giữa hai mố néo L0 có đặt khớp bù co giãn phải thỏa mãn điều kiện theo công thức (2):
a.E.Dt.p.D.d ³ A1 + A4 + A5 + A6 + A7 + A8 (2);
trong đó:
a là hệ số nở dài của thép tấm: a = 0,12.10-4, 1/oC;
E là mô đuyn đàn hồi của thép: E = 0,21.106 MPa ;
Dt là trị số thay đổi nhiệt độ của môi trường, oC;
D là đường kính trung bình của đường ống, cm;
d là chiều dầy thành ống, cm;
A1,A4, A5, A6, A7, A8 là các lực tác dụng lên ống, xác định theo phụ lục A.
3.13 Chiều dài tối thiểu phần đường ống gắn trong bê tông mố néo được xác định theo điều kiện làm việc của bê tông, dưới tác dụng của các tải trọng chính do đường ống gây ra theo tổ hợp tính toán.
3.14 Các mố néo, mố đỡ trung gian phải đảm bảo ổn định về trượt và ổn định về lún đối với các tổ hợp tải trọng tính toán bất lợi nhất của đường ống truyền lên. Nếu các mố là chung cho một số đường ống, phải được tính toán kiểm tra trường hợp làm việc không đồng thời của các đường ống.
3.15 Khoảng cách giữa các mố đỡ trung gian Lk, cm, được chọn từ kết quả tính toán công suất và độ võng của đường ống, kết hợp với điều kiện địa hình, địa chất của tuyến đường ống. Sơ bộ có thể chọn khoảng cách giữa các mố đỡ trung gian theo công thức (3):
trong đó:
R’ là cường độ chịu kéo cho phép của vật liệu giảm đi, MPa, R’ lấy từ 15 % đến 20 %;
q là tải trọng phân bố đều, bao gồm trọng lượng của đường ống thép và tải trọng nước chứa đầy trong ống, MPa;
r, d là bán kính trong và chiều dầy thành ống, cm.
3.16 Tính toán tổn thất thủy lực htt gồm tổn thất ma sát dọc đường ống hf và tổn thất cục bộ hc, được thực hiện cho các phương án tuyến và đường kính so chọn. Phải thiết lập đường quan hệ giữa các tổn thất thủy lực và lưu lượng nước chuyển qua đường ống htt = f(Q) để lựa chọn phương án hợp lý.
3.17 Phải tính toán áp lực nước va lớn nhất và nhỏ nhất, lập sơ đồ đường phân bố áp lực tác dụng lên thành ống theo suốt chiều dài đường ống được tiến hành ở hai chế độ giả định có thể xảy ra trong vận hành các tổ máy thủy lực của trạm thủy điện:
a) Các tổ máy thủy lực sa thải toàn bộ phụ tải;
b) Các tổ máy thủy lực tăng phụ tải từ 0 đến phụ tải định mức.
3.18 Phương án cấp nước cho tổ máy thủy lực phải được lựa chọn trên cơ sở các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, điều kiện gia công chế tạo, chuyên chở, lắp ráp và điều kiện địa hình, địa chất của tuyến đường ống áp lực.
3.19 Đường kính tối ưu của đường ống áp lực được xác định trên những chỉ tiêu tạo thành sau đây:
a) Áp lực nước va tăng cuối đường ống áp lực:
- Từ 25 % đến 30 % đối với tuabin francis (tua bin tâm trục);
- Từ 30 % đến 40 % đối với tuabin kaplan (tua bin cánh quay);
- Từ 10 % đến 15 % đối với tuabin pelton (tua bin gáo);
b) Vòng quay lồng cho phép so với vòng quay định mức:
- Từ 130 % đến 140 % đối với tổ máy thủy lực tuabin kaplan và francis;
- Từ 105 % đến 110 % đối với tổ máy thủy lực tuabin pelton.
4 Vật liệu đường ống
4.1 Vật liệu để chế tạo đường ống thép gồm cốt ống, vành đỡ, vành tăng cứng là thép các bon cán nóng, có giới hạn chảy từ 230 MPa đến 250 MPa, giới hạn bền kéo từ 380 MPa đến 490 MPa, độ giãn tương đối tại mẫu thử hình ngũ giác từ 23 % đến 26 %; độ dai va đập trong nhiệt độ dương từ 7 kg.m/cm2 đến 8 kg.m/cm2.
4.2 Khi ống áp lực có đường kính lớn, chịu áp lực cao, có tích số p.D ³ 60 MPa/cm, để tránh chiều dày thành ống quá lớn khó gia công nên sử dụng thép hợp kim thấp có giới hạn chảy từ 300 MPa đến 400 MPa, hoặc thép có độ bền cao có giới hạn chảy từ 400 MPa đến 600 MPa.
4.3 Việc chọn vật liệu để gia công chế tạo đường ống cần được xem xét trên cơ sở áp lực tính toán và các đặc tính của chúng về độ bền, khả năng chịu hàn, điều kiện và biện pháp hàn.
4.4 Vật liệu que hàn để hàn đường ống áp lực phải được chọn phù hợp với thép hàn. Đảm bảo đường hàn có đặc tính cơ lý tương đương với thép cơ bản bao gồm:
a) Giới hạn chảy của đường hàn, sch, MPa;
b) Giới hạn bền kéo của đường hàn, sB, MPa ;
c) Góc uốn trong trạng thái nguội, a, độ (o);
d) Độ giãn tương đối, e, %.
4.5 Cường độ tính toán R của vật liệu, MPa, được xác định theo công thức (4):
R = RTC.C.K.m.mv (4)
trong đó:
RTC là sức kháng tiêu chuẩn của vật liệu, xác định như sau:
1) Đối với đường ống đặt lộ thiên, lấy bằng giới hạn chảy: RTC = sch;
2) Đối với đường ống ngầm:
- Khi tính với áp lực bên trong lấy bằng giới hạn bền: RTC = sB ;
- Khi tính với áp lực bên ngoài lấy bằng giới hạn chảy: RTC = sch ;
C là hệ số chuyển đổi từ cường độ chính sang cường độ tiêu chuẩn, lấy ở bảng B.1 phụ lục B ;
K là hệ số kể đến tính đồng chất của vật liệu, lấy theo bảng B.2 phụ lục B;
m là hệ số điều kiện làm việc. Với ống đặt tự do, hệ số m lấy như sau:
- Khi đường ống chịu áp lực bên trong: m = 0,71;
- Khi đường ống chịu áp lực bên ngoài: m = 0,85;
- Khi đường ống chịu tải trọng đặc biệt: m = 0,95;
mv là hệ số phụ thuộc vào cấp của công trình:
- Đối với công trình cấp đặc biệt: mv = 0,80 ;
- Đối với công trình cấp I: mv = 0,85 ;
- Đối với công trình cấp II: mv = 0,95 ;
- Đối với công trình cấp III, cấp IV: mv = 1,00 .
4.6 Trong tất cả các trường hợp tính toán ứng suất không được vượt quá ứng suất cho phép. Tại các chỗ rẽ nhánh và các đoạn đặc biệt nguy hiểm, ứng suất tính toán không được vượt quá 85 % ứng suất cho phép.
4.7 Các kết cấu khác của đường ống như vòng làm cứng, vòng đai các mố néo, mố đỡ trung gian và các chi tiết khác v.v… ứng suất tính toán khi chịu tải trọng đồng thời thời gồm tải trọng chính, tải trọng phụ và đặc biệt, không vượt quá 90 % ứng suất chảy sch của vật liệu.
4.8 Vật liệu chắn nước ở khớp bù co giãn, cửa kiểm tra thường sử dụng gioăng cao su. Khi áp lực nước từ 8 MPa trở lên phải dùng chắn nước bằng đồng.
5 Tải trọng và tổ hợp tính toán đường ống áp lực đặt tự do
5.1 Tải trọng tác dụng lên đường ống
5.1.1 Khi tính toán, thiết kế đường ống áp lực công trình thủy lợi và thủy điện phải kể đến các loại tải trọng sau đây:
a) Tải trọng chính bao gồm:
1) Áp lực của nước tác dụng lên thành ống bằng tổng áp lực thủy tĩnh và áp lực nước tăng lớn nhất khi các tổ máy thủy lực xả phụ tải và hệ số dự phòng K lấy từ 1,1 đến 1,5. Đối với những công trình thủy điện có tháp điều áp trước đường ống còn phải kể đến cột nước dềnh trong tháp;
2) Lực dọc trục đường ống do đường kính ống thay đổi tại các khuỷu cong và tại các mặt mút của khớp bù co giãn;
3) Trọng lượng bản thân đường ống bao gồm phần kết cấu thép và nước chứa đầy trong ống;
4) Lực ma sát giữa đường ống thép với mố đỡ trung gian, giữa nước với thành ống, lực ma sát bên trong khớp bù co giãn;
5) Lực ly tâm do nước chảy qua các chỗ khuỷu cong;
6) Lực do biến dạng dưới tác dụng của nhiệt độ môi trường và áp lực nước bên trong gây ra đối với đường ống không cắt đoạn;
7) Áp lực của đất đá lên các mố néo, mố đỡ trung gian;
8) Lực tác dụng do lún không đều của các mố néo, mố đỡ trung gian;
9) Áp lực của đất đá tác dụng lên những đoạn ống chôn ngầm;
b) Tải trọng phụ bao gồm:
1) Độ chân không phát sinh trong đường ống khi tháo cạn nước;
2) Tác dụng của lực gây mất ổn định khi đường ống chứa nước một nửa đối với những đường ống có đường kính lớn hơn 2 400 mm, chiều dầy thành ống nhỏ hơn 14 mm, góc nghiêng trục ống dưới 150;
3) Tải trọng của gió;
4) Tải trọng khi thử nghiệm thủy lực;
5) Tải trọng phát sinh trong quá trình thi công phần bê tông;
c) Tải trọng đặc biệt: gồm tải trọng do tác dụng của động đất và các yếu tố địa chất khác.
5.1.2 Các công thức tính toán xác định trị số lực tác dụng lên đường ống, các néo và mố đỡ trung gian lấy theo bảng A.1 phụ lục A.
5.1.3 Tất cả các lực của đường ống truyền lên mố néo được phân tích thành ba thành phần hợp thành: theo trục ống, theo phương thẳng đứng và theo phương nằm ngang. Từ đó tất cả các thành phần lực được ấn định cho các đoạn trên và dưới mố néo.
Xem tiếp: TCVN 8636: 2011 - phần 2
Xem lại: TCVN 8635 : 2011 - phần 4