楊興義，劉 宇，陳亞琴

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

橋頭鎮(zhèn)供水工程位于青海省西寧市大通縣寶庫鄉(xiāng)與新莊鄉(xiāng)境內(nèi)的黑泉水庫下游寶庫峽中。橋頭鎮(zhèn)供水工程作為黑泉水庫的延伸工程，與西寧市第七水廠聯(lián)接，在不影響水庫給第七水廠供水的基礎(chǔ)上，為了充分利用水能，以供水效益最佳為目標(biāo)，工程應(yīng)盡可能多發(fā)電。橋頭鎮(zhèn)供水工程電站總裝機規(guī)模15MW，共3臺機組，單機容量5MW。

引水系統(tǒng)采用一管三機供水方式，明壓力鋼管末端接一四通鋼岔管，由岔管通過三條支管分別向三臺水輪機供水。主管管徑2.5m，三條支管管徑均為1.4m，分岔角為120°(兩支管分岔角為60°)。四通岔管水平布置并埋設(shè)在鎮(zhèn)墩中。

2 基本資料

根據(jù)本工程鋼岔管的實際情況，岔管采用Q345R鋼，查有關(guān)資料和SL281－2003《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》，鋼材允許應(yīng)力按基本荷載和特殊荷載，并考慮焊接殘余應(yīng)力的影響，取焊縫系數(shù)φ=0.95，取σs=325MPa，得到鋼材允許應(yīng)力(見表1)。分岔管處最大設(shè)計內(nèi)水壓力為150m(含水擊壓力)。

表1 鋼材允許應(yīng)力 MPa

對分岔管進行兩個工況的計算:

(1)正常運行工況。正常發(fā)電，運行時機組因故緊急關(guān)機情況，荷載組合為:內(nèi)水壓力(含水擊壓力)——基本荷載組合。

(2)水壓試驗工況。荷載組合為:最大內(nèi)水壓力(含水擊壓力)的1.25倍+悶頭壓力——特殊荷載組合。

3 四通無梁鋼岔管三維有限元分析

3.1 計算模型

模型計算范圍的確定按不影響鋼岔管單元應(yīng)力、應(yīng)變分布和滿足足夠的精度要求考慮。按規(guī)范規(guī)定，模型在主管和支管端部取固端全約束，為了減小約束端的局部應(yīng)力影響，主、支管段軸線長度從公切球球心向上、下游分別取最大公切球直徑的1.5倍左右，為4.5m。鋼岔管網(wǎng)格剖分全部采用ANSYS中四節(jié)點板殼單元。由于管徑較小，直管或錐管段沿圓周劃分成32等份。

有限元模型建立在笛卡爾直角坐標(biāo)系坐標(biāo)(X，Y，Z)下，X軸水平，指向上游為正;Y軸鉛直向上為正;Z軸水平向左(面向下游)為正，坐標(biāo)系成右手螺旋，坐標(biāo)原點位于主錐管與支錐管公切球球心處。鋼岔管運行工況計算網(wǎng)格見圖1。

3.2 計算方案

按照規(guī)范解析法初步確定鋼岔管的管壁厚度和體形后，采用有限元法對解析法確定的岔管體形和管壁厚度進行復(fù)核。然后在此基礎(chǔ)上，對鋼岔管的管壁厚度進行優(yōu)化計算，最終得到滿足鋼材允許應(yīng)力的管壁厚度。相應(yīng)的計算方案列于表2。

3.3 成果分析

根據(jù)計算結(jié)果，將圖2所示各關(guān)鍵點的Mises應(yīng)力值列于表3。

表2 岔管計算方案及有關(guān)參數(shù)

圖1 岔管運行工況有限元網(wǎng)格

圖2 岔管關(guān)鍵點位置示意

表3 鋼岔管管殼關(guān)鍵點Mises應(yīng)力值

在初設(shè)方案的基礎(chǔ)上，將鋼岔管最大管殼厚度減為20mm，管殼應(yīng)力已經(jīng)很接近鋼材的允許應(yīng)力，個別點應(yīng)力值甚至超出了鋼材的允許應(yīng)力。從表3可以看出，優(yōu)化后的鋼岔管管殼部分最大Mises應(yīng)力達(dá)263.8MPa，出現(xiàn)在支錐管B和支錐管C的母線轉(zhuǎn)折處，超出了鋼材的允許應(yīng)力(局部膜應(yīng)力區(qū)為247MPa)17MPa左右。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)采用有限元法計算峰值應(yīng)力時，其允許應(yīng)力取值可以適當(dāng)提高。結(jié)合本工程的實際和上述規(guī)定，本工程岔管壁厚采用20mm可以滿足結(jié)構(gòu)強度的要求。

在管端施加悶頭，對鋼岔管進行水壓試驗工況的計算，試驗水壓力為1.75MPa(1.4MPa的1.25倍)。從表3可以看出，在水壓試驗工況下，鋼岔管管殼部分最大Mises應(yīng)力達(dá)353.4MPa，也出現(xiàn)在支錐管B和支錐管C的母線轉(zhuǎn)折處鈍角區(qū)，已經(jīng)超過了特殊荷載組合工況下鋼岔管的鋼材允許應(yīng)力(局部應(yīng)力區(qū)為309MPa)，也超過了鋼材的屈服強度325MPa，說明優(yōu)化后的管壁厚度要滿足水壓試驗壓力1.75MPa的要求仍有一定困難。試驗時可適當(dāng)降低水壓試驗壓力，確保結(jié)構(gòu)安全。

4 錐殼片取代球殼片方案

4.1 錐殼片構(gòu)造設(shè)計

從三維有限元計算分析可以看出，無梁岔管球殼部位受力比較均勻，如果單從受力條件看，應(yīng)該首選球殼。但對于體形尺寸比較大的無梁岔管，其球殼片的制作需要專用的模具，制作工藝復(fù)雜、難度大。為了解決以上難以克服的問題，本工程采用了無球殼片異形無梁岔管結(jié)構(gòu)，用錐殼片替代了無梁岔管的球殼片。

該種結(jié)構(gòu)形式岔管的錐殼片構(gòu)造設(shè)計原理見圖3。圖中A'A為主錐管腰線，B'B為支錐管腰線，O為主支錐管軸心線的交匯點，即主支管相交的最大公切球球心，A、B分別為最大公切球(半徑R0)同主支錐管的切點，AC、BD分別為順主、支錐管漸擴方向設(shè)置的錐殼片。圖中各參數(shù)有如下關(guān)系:

式中 αi——沿主管方向錐殼片半錐頂角;

αsi——沿支管方向錐殼片半錐頂角;

Δi——錐管(殼)之間的母線折角;

Li——第i組錐殼體腰線節(jié)距。

圖3 錐殼片同錐管節(jié)幾何關(guān)系示意

結(jié)合錐殼體折角大小Δi，錐殼體焊縫最小間距的要求，擬定出合適的整個岔管錐殼片組合的組數(shù)。同主管錐管直接相接的錐殼體，組成第1組錐殼片，依此為第2組…第i組。每一組錐殼片的公切球球心與岔管的最大公球球心重合，同一組錐殼片內(nèi)，以及每一錐殼片同其相鄰的上、下錐殼片之間，都符合公切球幾何關(guān)系，所以每一塊錐殼片與其上下左右錐殼片之間的相交線都為平面曲線。

從式(3)可見，同一組錐殼片與其相鄰的上一組或下一組錐殼片的母線折角相同。隨著錐殼片組數(shù)的遞增，各組錐殼片的公切球半徑逐漸減小，主錐管同各支錐管軸線方向上的錐殼片的半錐頂角在不斷減小的過程中互相趨近。在最后一組錐殼片交匯部位，為避免焊縫集中，用一斜板封頂，這樣，就在岔管中心部位的頂(底)構(gòu)造了一個近似球面的錐殼片組合曲面。顯然，岔管體形越大，可以構(gòu)造出符合焊縫間距要求的錐殼片組數(shù)愈多，錐殼片之間的聯(lián)接折角越小，曲面體的受力情況與球殼面越接近。

表4 錐殼片有關(guān)參數(shù)

圖4為本工程采用錐殼片取代球殼片后的四通鋼岔管體形，頂(底)部的曲面分別由2組共8塊錐殼片和一塊封頂板組成，所有錐殼片之間的折角均等于13°。具體參數(shù)列于表4。

4.2 應(yīng)力分析

圖4 錐殼片取代球殼片示意

據(jù)表4設(shè)計的錐殼片體形尺寸和表2基本管節(jié)厚度參數(shù)，采用有限元法對錐殼片取代球殼片方案進行應(yīng)力分析(見圖5、6)。從圖5可見，膜應(yīng)力區(qū)管殼應(yīng)力已接近鋼材的允許應(yīng)力，管殼部分最大Mises應(yīng)力達(dá)287MPa左右，出現(xiàn)在支錐管B和支錐管C的母線轉(zhuǎn)折處，超過了明鋼岔管的鋼材允許應(yīng)力(局部膜應(yīng)力區(qū)為247MPa)40MPa。說明當(dāng)岔管錐管壁厚采用20mm、錐殼片厚度采用22mm時，材料強度已不滿足明鋼岔管的受力要求。但本工程鋼岔管埋設(shè)于3號鎮(zhèn)墩中，并不完全暴露在空氣里，按明管設(shè)計本身安全系數(shù)就有一定富裕。如考慮外包混凝土及敷設(shè)的鋼筋共同承擔(dān)內(nèi)水壓力，管殼應(yīng)力集中可得到很大的改善。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，其允許應(yīng)力取值可以適當(dāng)提高。本工程岔管錐管壁厚采用20mm、錐殼片厚度采用22mm，是可以滿足結(jié)構(gòu)受力要求的。

5 結(jié) 語

圖5 錐殼片方案管殼Mises應(yīng)力(MPa)

圖6 錐殼片轉(zhuǎn)折處Mises應(yīng)力(MPa)

本文針對橋頭鎮(zhèn)供水工程電站的具體情況，采用三維有限元對四通無梁明鋼岔管的應(yīng)力進行了計算分析。經(jīng)過多種結(jié)構(gòu)方案和計算工況的比較，推薦采用的異型無梁岔管應(yīng)力狀態(tài)良好，滿足結(jié)構(gòu)強度的要求。鑒于異型無梁岔管對水流流態(tài)的影響較大，為減小水頭損失，應(yīng)設(shè)導(dǎo)流板。工程實際應(yīng)用表明，異型無梁岔管施工工藝簡便、造價低、安全可靠。

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