作者简介: 张 霞( 1972- ) , 女,讲师, 硕士。形、地势转弯处都需要设置弯管或空间弯管 [ 1] 。管道在一个转弯处同时具有纵剖面转角和平面转角时就需要设置空间弯管。因此, 空间弯管在水电站和水库引水工程中应用比较广泛。在制作空间弯管时, 与制作一般的只有纵剖面转角或只有平面转角的弯管一样, 按空间弯管的复合角度即弯管角度进行分节展开放样、下料, 在弯管的最长边和最短边处标明 Y 和- Y轴线以及在最长边和最短边的中心位置标明 X 和- X 轴线, 作为管轴线上的坐标轴, 然后卷制, 并根据标记的 Y、- Y、X 和- X 轴线进行单节焊接、整段焊接而成。但空间弯管在安装时, 其安装的垂直方向和水平方向不能分别是制作钢管时标记为 Y 和X 轴线方向, 而是与 Y 或X 轴线之间相差了一个角度, 这个角度称为安装转角, 如图 1 所示的 X角。引水压力钢管都是安装在有一定纵向和水平倾角的管槽68中国农村水利水电# 2005 年第 12 期 图 1 空间弯管安装转角示意图( 钢管截面图)内, 空间弯管一般都作为混凝土镇墩处的定位管段最先安装,然后再安装空间弯管的上、下游端的直管段。采用自下而上安装方法时, 定位管段是上游管段安装的一个基准, 其安装质量直接影响该部分上游管段的安装质量。空间弯管一般是悬空安装, 需要起吊设备吊起弯管, 依靠千斤顶、拉力器和起吊设备等安装设备一起旋转空间弯管调整安装转角, 使其管口中心、高程和里程符合安装要求。而空间弯管上吊点的位置关系着调整安装转角的快慢, 影响着施工进度。吊点合适, 安装时只需做较小的调整即可满足空间弯管的安装要求。吊点不合适,则需做较大的调整, 影响施工进度。如果先计算出空间弯管的安装转角, 使起吊设备的起吊点设置在距离制作钢管时标记为Y 轴线或X 轴线有一安装转角的部位, 这样依靠安装设备作一定的调整就能满足安装要求。因此, 如何计算安装转角成为安装空间弯管的关键。传统计算空间弯管安装转角方法是根据投影几何原理计算的。该方法需要根据管轴线在转弯处的转折点是向上或向下情况下, 分别对空间弯管上下游端管口的安装转角进行计算。由于投影几何计算的方法比较繁琐, 不容易掌握。本文提出一种计算空间弯管安装转角的新方法, 并应用到云南省临沧地区忙海河三级电站和楚雄州老虎山一级和二级电站空间弯管的安装中。根据实际安装的情况, 对比分析了这两种计算方法, 并比较这两种方法的优缺点。1 空间弯管安装转角的计算方法1. 1 投影几何计算方法[1]文献[ 1] 中介绍的空间弯管安装转角的计算是按照投影几何原理进行的计算, 需根据空间弯管管轴线的转折点向上和向下两种情况进行分析, 并对这两种情况下的上、下游管口分别计算安装转角。当管轴线的转折点向上时, 上游端管口的安装转角 X S 的计算见式(1), 参见图 2; 下游端管口的安装转角 X x 的计算见式( 2) , 参见图 3。tan X S = sin 8/ (tan U C cos U B - sin U B cos 8) ( 1)tan X x = sin 8/ (sin U C cos 8- tan U B cos U C ) ( 2) 当管轴线的转折点向下时, 上游端管口的安装转角 X S 的计算见式(3), 参见图 4; 下游端管口的安装转角 X x 的计算见式( 4) , 参见图 5。tan X S = sin 8/ (sin U B cos 8- tan U C cos U B ) ( 3)tan X x = sin 8/ (tan U B cos U C - sin U C cos 8) ( 4) 从以上计算可以看出, 投影几何计算空间弯管的方法比较繁琐, 需要区分弯管轴线的转折点向上或向下来计算上、下游图 2 转折角向上的空间弯管上游端管口安装转角 X S 计算图图 3 转折角向上的空间弯管下游端管口安装转角 X x 计算图管口的安装转角。对于计算人员, 需要看懂投影几何图, 才能计算, 而要看懂这些投影图也是比较困难的。因此, 该方法不容易掌握。1. 2 新的计算方法本文提出的计算空间弯管安装转角的新方法, 是根据在管道纵剖面图上空间弯管转折点处上、下游端管轴线与水平面的夹角和空间弯管的复合角度 H计算的。计算安装转角时不考虑纵剖面图上管轴线在转折点处是向上或向下, 也不用区分空间弯管的上、下游端, 只采用一个统一的公式计算, 简化了计算。计算方法见式(5)。cos X= tan (| A 1 - A 2 | / 2) /tan (H/ 2) ( 5)式中: X为安装转角; A 1 、A 2 为空间弯管上下游管轴线与水平面的夹角;H为空间弯管的复合角度即弯管角度。H计算公式为:cos H= cos A 1 cos A 2 cos C+ sin A 1 sin A 2 ( 6)69空间弯管安装转角计算的新方法 张 霞 张天会 闫沛军 等 图 4 转折角向下的空间弯管上游端管口安装转角 X S 计算图图 5 转折角向下的空间弯管下游端管口安装转角 X X 计算图式中, C为空间弯管上下游管轴线投影在水平面上的夹角。C、A 1 、A 2 和H如图 6(空间弯管上下游管段管轴线的空间位置)所示。图 6 中 z 表示管段的高程, x、y 表示水平方向的坐标。图 6 空间弯管上下游管段管轴线的空间位置压力钢管的各个管轴线与水平面的夹角以及相邻管轴线投影在水平面上的夹角在地形勘测后就已经确定了, 相应的各个转弯处的弯管的角度也就确定。空间弯管的弯管角度就是根据上下游管轴线与水平面的夹角 A 1 、A 2 和两管轴线投影在水平面上的夹角 C计算而得的一个复合角度。因此, 本文提出的计算空间弯管安装转角的方法也考虑了上下游管轴线投影在水平面上夹角的影响因素。2 应用实例2. 1 实 例云南省临沧地区永德县忙海河三级电站引水压力钢管有 5个空间弯管(其中主管段 3 个, 岔管以下部分的支管段 2 个), 云南省楚雄州双柏县老虎山一、二级电站引水压力钢管有 3 个空间弯管, 采用新方法计算的安装转角、投影几何计算的安装转角以及两者的最大误差和安装时实际测量的安装转角见表 1。在忙海河三级电站引水压力钢管第 1 号镇墩处安装 1 号空间弯管时, 由于当时安装技术人员不能很好地掌握投影几何计算方法的几何图( 即图 2、图 3、图 4 和图5)与式( 1)、(2)、(3) 、(4)之间的关系, 因此, 不能根据该方法计算出 1 号空间弯管的安装转角。在 1 号弯管的安装过程中, 施工人员只是根据管道转弯的方向在弯管上粗略地确定一个吊点, 然后使用千斤顶、拉力器表 1 空间弯管的安装转角误差表电站名称弯管编号管内径/mm上游倾角/(b)下游倾角/(b)两轴线夹角/(b)空间弯管角度(b)安装转角/ (b)投影几何计算( 实际安装转角)上游端 下游端新方法计算计算误差/(b)忙海河三级1 750 21. 750 27. 483 13. 093 13. 200 61. 648( 61. 0) 67. 128( 66. 5) 64. 356 2. 7728 750 25. 733 19. 717 15. 690 15. 640 70. 614( 69. 5) 64. 511( 63. 5) 67. 500 3. 11411 750 32. 733 35. 241 17. 037 14. 328 75. 220( 76. 5) 84. 795( 86. 0) 79. 972 4. 82315 300 14. 108 0. 000 65. 000 65. 803 83. 516( 85. 0) 74. 501( 76. 0) 78. 974 4. 54216 300 31. 526 0. 000 25. 000 39. 417 41. 727( 41. 0) 34. 565( 34. 0) 38. 003 3. 724老虎山一级1 1 500 0. 000 26. 000 14. 543 29. 543 27. 245( 26. 5) 30. 62( 29. 5) 28. 888 1. 7324 1 500 13. 500 24. 000 17. 533 19. 612 55. 079( 55. 5) 60. 778( 61. 0) 57. 884 2. 894二级 4 1 500 14. 000 24. 500 9. 077 13. 542 37. 811( 37. 0) 40. 822( 40. 0) 39. 292 1. 530 注: 安装转角项括号内的数据是安装时测量的实际安装转角。 ( 下转第 72 页)