一种水电站压力管复合弯管段安装方法及获取复合弯管段旋转安装角的方法与流程

技术领域

本发明涉及一种水电站压力管复合弯管段安装方法及获取复合弯管段旋转安装角的方法，主要适用于水电站大管径多管节压力钢管复合弯管的现场安装与测控。

背景技术：

复合弯管实际上就是空间某一斜平面上的弯管。当钢管既存在水平面上的转角又有铅直面上的转角，且两个转角距离较近时，通常均设置复合弯管进行连接。在现有施工技术条件下，直线钢管、水平面弯管、立面弯管以及可整体安装的小管径复合弯管的安装方法相对简单，而大管径多管节复合弯管的安装与测控则往往是钢管现场安装施工的一大难点，稍有不慎，就有可能导致超出规范允许的安装误差，恶化弯管受力条件，影响钢管结构安全，甚至出现安装错误，造成弯管报废返工，不仅增加施工成本，而且影响工期。

技术实现要素：

针对水电站压力管复合弯管安装与测控施工难度大的特点，本发明旨在提供一种水电站压力管复合弯管段安装方法，该安装方法可以解决大管径多管节复合弯管现场安装施工难度大的关键技术问题，提高工作效率。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种水电站压力管复合弯管段安装方法，其特点是，包括如下步骤：

a)安装前，对压力管各个管节进行准线标记；

b)安装时，将与上游直管段末端管节相邻的复合弯管的第一个管节与上游直管段末端管节对中；

c)然后将复合弯管的第一个管节旋转一个旋转安装角ω的角度，完成复合弯管第一个管节的安装；

d)复合弯管后续管节按上一个管中心线对中下一个管中心线的方法依次挂装，直到完成整个复合弯管的安装。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

作为一种具体的获取旋转安装角ω的方法，所述旋转安装角ω采用空间向量法获取；根据复合弯管空间几何关系，求得空间复合弯管所在斜平面及铅直或水平面上特征点坐标，并在两平面内分别写出两个相交向量，再根据向量积运算法则，计算出两个平面的法向量，最后利用向量余弦公式解得复合弯管旋转安装角ω。

更进一步地，所述旋转安装角ω的获取包括如下步骤：

1)求特征点坐标；

已知：上游直管段的坡度α；下游直管段的坡度β；上游直管轴线与下游直管轴线在水平面上的投影夹角γ；

设AG＝1，OG＝1；O点为坐标原点；假设：∠IKJ＝θ，则∠OKM＝γ－θ；

在RtΔAEG中，已知AG＝1，∠AGE＝α，求出EG，而IK＝EG；

在RtΔIJK中，已知IK和∠IKJ＝θ；求出IJ、KJ；

在RtΔOKG中，已知OG＝1和∠GOK＝β；求出OK；

在RtΔOMK中，已知OK和∠OKM＝γ－θ；求出KM；

在ΔIKM中，已知IK、KM和∠IKJ＝θ；利用三角形余弦定理可求出IM；

在RtΔIJM中，三条边都用含θ的代数式表达，根据勾股定理，列方程求出θ；

利用求得的θ，分别写出铅垂面ACKI和斜平面AGO上的特征点O、A、G、C、K、I点的坐标；

2)求平面法向量；

根据步骤1)所求的特征点的坐标，求出铅垂面ACKI两个相交的向量和与斜平面AGO上两个相交的向量和

根据向量积运算法则，分别计算出铅垂面ACKI和斜平面AGO的法向量与

3)求二面角ω；

由法向量表达式(1)、(2)求得的铅垂面ACKI和斜面AGO的法向量利用向量余弦公式求出与的夹角ε，则旋转安装角即为二面角为：

作为另一种具体的获取旋转安装角ω的方法，当复合弯管上、下游管轴线中任意一条轴线为水平线时，采用几何作图法获取所述旋转安装角ω。更进一步地，所述旋转安装角ω的获取包括如下步骤：

1)平面上任作为复合弯管圆心角，过O点作直线AG的垂线，交AG延长线于C点；

2)以C点为圆心，线段CO长度为半径，作半圆C；

3)作∠AGO”＝γ，γ为复合弯管在水平面上的投影角，交CO于O”点；

4)过O”点作直线AC的平行线O”O’，交半圆C的圆弧于O’点；

5)连接C点和O’点，则∠OCO’即为旋转安装角ω。

本发明的第二个发明目的是提供一种获取复合弯管段旋转安装角的方法，其特点是，包括如下步骤：

1)求特征点坐标；

已知：上游直管段的坡度α；下游直管段的坡度β；上游直管轴线与下游直管轴线在水平面上的投影夹角γ；

设AG＝1，OG＝1；O点为坐标原点；假设：∠IKJ＝θ，则∠OKM＝γ－θ；

在RtΔAEG中，已知AG＝1，∠AGE＝α，求出EG，而IK＝EG；

在RtΔIJK中，已知IK和∠IKJ＝θ；求出IJ、KJ；

在RtΔOKG中，已知OG＝1和∠GOK＝β；求出OK；

在RtΔOMK中，已知OK和∠OKM＝γ－θ；求出KM；

在ΔIKM中，已知IK、KM和∠IKJ＝θ；利用三角形余弦定理可求出IM；

在RtΔIJM中，三条边都用含θ的代数式表达，根据勾股定理，列方程求出θ；

利用求得的θ，分别写出铅垂面ACKI和斜平面AGO上的特征点O、A、G、C、K、I点的坐标；

2)求平面法向量；

根据步骤1)所求的特征点的坐标，求出铅垂面ACKI两个相交的向量和与斜平面AGO上两个相交的向量和

根据向量积运算法则，分别计算出铅垂面ACKI和斜平面AGO的法向量与

3)求二面角ω；

由法向量表达式(1)、(2)求得的铅垂面ACKI和斜面AGO的法向量利用向量余弦公式求出与的夹角ε，则旋转安装角即为二面角为：

本发明的第二个发明目的是提供另一种获取复合弯管段旋转安装角的方法，所述复合弯管上、下游管轴线中任意一条轴线为水平线；其特点是，包括如下步骤：

1)平面上任作为复合弯管圆心角，过O点作直线AG的垂线，交AG延长线于C点；

2)以C点为圆心，线段CO长度为半径，作半圆C；

3)作∠AGO”＝γ，γ为复合弯管在水平面上的投影角，交CO于O”点；

4)过O”点作直线AC的平行线O”O’，交半圆C的圆弧于O’点；

5)连接C点和O’点，则∠OCO’即为旋转安装角ω。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的安装方法较之前采用几何投影或直接建立三维模型获取旋转安装角的做法，具有简单易懂，方便快捷，省时省工的特点，特别是对于复合弯管上、下游管轴线中任意一条轴线为水平线的特殊情况，则创造性地提出一种不进行数值计算，直接利用CAD进行几何作图，就能方便、简洁、快速、精准的获得复合弯管旋转安装角的方法。

总之，本发明解决了大管径复合弯管现场安装施工难度大的关键技术问题，大大提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明所述复合弯管的几何关系示意图；

图2是本发明所述复合弯管的CAD几何作图法示意图。

具体实施方式

下面以复合弯管旋转安装角的数值求解法与几何作图法为实例对本发明作进一步的描述。

钢管制造时，在每个管节的管壁上标记出上、下、左、右准线。钢管安装时，首先将与定位节(上游直线段末端管节)相邻的复合弯管的第1个管节按普通管节对中，然后将复合弯管首节旋转一个按实施例1或实施例2的方法获得的旋转安装角的角度，即可完成首节安装，待首节精确挂装后，后续管节就可按中心对中心的方法依次挂装，最终完成整个复合弯管的安装。

实施例1旋转安装角度的数值解析算法

根据复合弯管空间几何关系，求得空间复合弯管所在斜平面及铅直或水平面上特征点坐标，并在两平面内分别写出两个相交向量，再根据向量积运算法则，计算出两个平面的法向量，最后利用向量余弦公式解得复合弯管旋转安装角。

如图1所示，采用空间法向量法求解ω，具体分以下几个步骤：

(1)求特征点坐标。已知：上游直管段的坡度α；下游直管段的坡度β；上、下游直管两轴线在水平面上的投影夹角γ。设AG＝1，OG＝1；O点为坐标原点；根据分析，要求得各特征点坐标，还需要求出∠IKJ。假设：∠IKJ＝θ，则∠OKM＝γ－θ。在RtΔAEG中，已知AG＝1，∠AGE＝α；可求出EG，而IK＝EG。在RtΔIJK中，已知IK和∠IKJ＝θ；可求出IJ、KJ。在RtΔOKG中，已知OG＝1和∠GOK＝β；可求出OK。在RtΔOMK中，已知OK和∠OKM＝γ－θ；可求出KM。在ΔIKM中，已知IK、KM和∠IKJ＝θ；利用三角形余弦定理可求出IM。最后在RtΔIJM中，三条边都用含θ的代数式表达，根据勾股定理，列方程即可求出θ。这样，利用已知的θ，可分别写出铅垂面ACKI和斜平面AGO上的特征点O、A、G、C、K、I点的坐标。

(2)求平面法向量。根据(1)所求的特征点的坐标，可求出铅垂面ACKI两个相交的向量和与斜平面AGO上两个相交的向量和根据向量积运算法则，可分别计算出铅垂面ACKI和斜平面AGO的法向量与

(3)求二面角ω。由式(1)、(2)求得的铅垂面ACKI和斜面AGO的法向量利用向量余弦公式求出与的夹角ε，则二面角ω为

实施例2旋转安装角度的几何作图求解法

对于复合弯管上、下游管轴线中任意一条轴线为水平线的特殊情况，则直接利用CAD进行几何作图，获得复合弯管旋转安装角。如图2所示，旋转安装角ω采用CAD几何作图步骤具体如下：

1)平面上任作为复合弯管圆心角，过O点作直线AG的垂线，交AG延长线于C点；

2)以C点为圆心，线段CO长度为半径，作半圆C；

3)作∠AGO”＝γ，γ为复合弯管在水平面上的投影角，交CO于O”点；

4)过O”点作直线AC的平行线O”O’，交半圆C的圆弧于O’点；

5)连接C点和O’点，则∠OCO’＝ω即为所求。

为了验证上述CAD几何作图法的精度，将鲁德巴洛雷斯坦水电站压力钢管N5号与NS10号镇墩内两复合弯管的作图结果与采用空间向量解析法的求解结果进行了对比，见表1。由表可知，CAD几何作图法与解析法的计算结果几乎完全一致，具有较高的精度。

表1 CAD几何作图与数值求解精度对照表

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。