嚴(yán)　俊，劉維東，喬海娟，張　軍

(水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

高水頭小水電站鋼岔管三維有限元分析研究

嚴(yán)俊，劉維東，喬海娟，張軍

(水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

摘要：水電站鋼岔管安全運(yùn)行關(guān)系到樞紐建筑的安全及工程效益的發(fā)揮，現(xiàn)有計(jì)算方法復(fù)雜且結(jié)果不太合理。引入有限元分析方法對(duì)上白云水電站鋼岔管進(jìn)行了研究與分析，得到了岔管結(jié)構(gòu)中月牙肋板最大米塞斯等效應(yīng)力超過(guò)了容許應(yīng)力強(qiáng)度的要求，并需要增加厚度的結(jié)論，有效地指導(dǎo)了設(shè)計(jì)，確保了工程的安全。圖10幅，表3個(gè)。

關(guān)鍵詞：小水電站；高水頭；岔管；有限元分析

0引言

水電站鋼岔管結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行直接關(guān)系到樞紐建筑的安全及工程效益的發(fā)揮，過(guò)去的設(shè)計(jì)大多按照規(guī)范提供的近似計(jì)算方法，這種分析方法用于體型較為復(fù)雜的不對(duì)稱(chēng)鋼岔管分析時(shí)較為麻煩，且得到的結(jié)果也不太合理[1]。由于有限元方法研究的模型較傳統(tǒng)方法更接近于實(shí)際結(jié)構(gòu)，因而在定性與定量方面都要比傳統(tǒng)方法優(yōu)越得多。同時(shí)，采用有限元方法對(duì)岔管在各種運(yùn)行壓力下進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析能提前預(yù)知岔管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況及強(qiáng)度安全儲(chǔ)備，因此結(jié)合有限元方法對(duì)鋼岔管進(jìn)行設(shè)計(jì)是一種新的研究計(jì)算方法[2]。

本文采用有限元方法，基于大型有限元商業(yè)軟件ANSYS對(duì)巴布亞新幾內(nèi)亞上白云水電站鋼岔管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，主要研究?jī)?nèi)容為采用有限元法計(jì)算岔管在其所承擔(dān)各種典型荷載工況下的應(yīng)力、位移以及岔管應(yīng)力集中部位的應(yīng)力分布情況，以計(jì)算結(jié)果對(duì)岔管在不同荷載工況下的應(yīng)力安全儲(chǔ)備情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為該工程安全設(shè)計(jì)提供重要參考依據(jù)。

1工程概況

上白云水電站位于巴布亞新幾內(nèi)亞莫羅貝省境內(nèi)，為徑流式高水頭電站。電站樞紐主要由混凝土溢流壩、沖沙閘、進(jìn)水閘、沉沙池、GRP管線、調(diào)壓塔、壓力鋼管、發(fā)電廠房和35 kV升壓站等建筑物組成，電站內(nèi)安裝2臺(tái)臥軸沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量2×4 700 kW，設(shè)計(jì)水頭378 m，總投資約3億人民幣。

鋼岔管主管內(nèi)徑為D=1.0 m，支管內(nèi)徑為d=0.6 m。根據(jù)工程布置，考慮地質(zhì)條件、水力條件、體形設(shè)計(jì)、運(yùn)輸條件和制作安裝等因素，岔管采用對(duì)稱(chēng)Y型內(nèi)加強(qiáng)月牙型肋鋼岔管。鋼岔管分岔角85°，公切球半徑0.675 m，為主管的1.35倍。鋼材采用Q345R級(jí)鋼，管殼厚度為24/26 mm，月牙肋厚度為48 mm。

由于鋼岔管承受內(nèi)水頭463 m(4.542 MPa，包括水錘壓力)，HD值約463 m，鋼岔管的結(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜，需要進(jìn)行三維有限元計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)推薦方案進(jìn)行復(fù)核，確保工程安全。

2岔管結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計(jì)基本參數(shù)

2.1　結(jié)構(gòu)布置及體型參數(shù)

計(jì)算體型包括主管、支管、分岔段及月牙型加強(qiáng)肋，共9個(gè)管節(jié)和1個(gè)月牙肋(見(jiàn)圖1)。

鋼岔管公切球半徑為674.8 mm，主、支管內(nèi)徑分別為1 000、600 mm，推薦方案主、支管壁厚均為26 mm(1、6、9號(hào)管節(jié)為鋼岔管和直管段的過(guò)渡段，厚度為24 mm)，月牙肋厚48 mm(見(jiàn)表1)。

圖1　鋼岔管體型示意

2.2　有限元計(jì)算模型的建立

按照水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，模型在主管和支管端部取固端全約束，為了減小約束端對(duì)鋼岔管局部應(yīng)力的影響，主、支管段分別沿軸線延長(zhǎng)約管徑的3倍。

鋼岔管主、支管管壁網(wǎng)格剖分全部采用ANSYS中四節(jié)點(diǎn)Shell63彈性板殼單元模擬；月牙肋由于厚度較厚，為了更真實(shí)地模擬鋼岔管的應(yīng)力變形分布，故采用八節(jié)點(diǎn)Solid45實(shí)體單元模擬。

扣除管壁銹蝕裕度，設(shè)計(jì)鋼岔管管壁計(jì)算厚度取24 mm，月牙肋計(jì)算厚度取46 mm。生成鋼岔管計(jì)算模型共有單元13 180個(gè)，節(jié)點(diǎn)13 649個(gè)(見(jiàn)圖2、圖3)。

圖2　鋼岔管整體有限元網(wǎng)格劃分示意(環(huán)向劃分80個(gè)單元)

3壁厚和肋厚敏感性分析

對(duì)于初步擬定的鋼岔管體型，考慮管壁厚度和月牙肋厚度對(duì)鋼岔管整體應(yīng)力影響較大，通過(guò)對(duì)鋼管的壁厚進(jìn)行敏感性分析，可以選擇更合理的鋼岔管管壁厚度。

3.1　管壁厚度分析

保持月牙肋厚度不變(計(jì)算厚度46 mm)，采用不同管壁厚度(計(jì)算厚度20～26 mm)計(jì)算(見(jiàn)表2、圖4)。

表2　計(jì)算結(jié)果匯總(一)

注：表內(nèi)厚度均為計(jì)算厚度。

圖4鋼岔管整體應(yīng)力極值和管壁厚度關(guān)系

可以看出，隨著管壁厚度增大，在運(yùn)行工況內(nèi)水壓力作用下，管壁第一主應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力均呈線性減小，月牙肋有所減小，但數(shù)值變化不大。

綜合考慮運(yùn)行可靠度、施工條件、管節(jié)布置等因素，推薦管壁厚度為24 mm，考慮2 mm銹蝕裕度，管壁厚度最終取26 mm。

3.2　月牙肋厚度分析

保持管壁厚度不變(計(jì)算厚度24 mm)，采用不同月牙肋厚度(計(jì)算厚度40～48 mm)計(jì)算(見(jiàn)表3)。

表3　計(jì)算結(jié)果匯總(二)

可以看出，隨著月牙肋厚度增大，在運(yùn)行工況內(nèi)水壓力作用下，月牙肋第一主應(yīng)力呈線性減小。

綜合考慮規(guī)范要求、運(yùn)行可靠度、施工條件等因素，推薦月牙肋厚度為46 mm，考慮2 mm銹蝕裕度，月牙肋厚度最終取48 mm。

4岔管結(jié)構(gòu)三維有限元計(jì)算

本工程屬于小型引水發(fā)電工程，輸水系統(tǒng)等主要永久性建筑物按四級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5141—2001)(簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)范”)第8章相關(guān)內(nèi)容，鋼管的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。

4.1　模擬計(jì)算工況選擇

根據(jù)規(guī)范的要求，選擇運(yùn)行工況和水壓試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬計(jì)算。

(1)運(yùn)行工況

在運(yùn)行工況下，模擬計(jì)算鋼岔管在內(nèi)水壓力為4.542 MPa(最大設(shè)計(jì)內(nèi)水頭，包括水錘壓力，共463 m水頭)時(shí)的岔管應(yīng)力分布和變形情況。

(2)水壓試驗(yàn)工況

在水壓試驗(yàn)工況下，模擬計(jì)算鋼岔管在內(nèi)水壓力為5.678 MPa(根據(jù)規(guī)范12.2.3，水壓試驗(yàn)工況壓力值為運(yùn)行工況最高內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值的1.25倍，即578.75 m水頭)時(shí)的岔管應(yīng)力分布和變形情況。

4.2　各工況計(jì)算結(jié)果及分析

鋼岔管在體型上為上下、左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，若忽略重力因素影響，岔管結(jié)構(gòu)的相應(yīng)工況條件下的應(yīng)力分布也是上下、左右對(duì)稱(chēng)的。

(1)運(yùn)行工況

在運(yùn)行工況條件下，鋼岔管內(nèi)水壓力為4.542 MPa，經(jīng)有限元計(jì)算，整體、月牙肋第一、第三主應(yīng)力分布如下所示(見(jiàn)圖5、圖6)，整體、月牙肋米塞斯應(yīng)力分布如下所示(見(jiàn)圖7)，整體、月牙肋變形如下所示(見(jiàn)圖8)。

鋼岔管第一主應(yīng)力極值出現(xiàn)在1號(hào)和4號(hào)管節(jié)內(nèi)側(cè)底部相連部位，為213 MPa(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，下同)，外側(cè)應(yīng)力較??；其余部位在岔管腰線轉(zhuǎn)折角部位拉應(yīng)力較大，小于165 MPa；月牙肋內(nèi)側(cè)中部應(yīng)力較大，極值為154 MPa。

圖5　運(yùn)行工況鋼襯整體、月牙肋第一主應(yīng)力分布示意(單位：Pa)

圖6運(yùn)行工況鋼襯整體、月牙肋第三主應(yīng)力分布示意(單位：Pa)

鋼岔管第三主應(yīng)力為-143 MPa，出現(xiàn)在岔管頂部和最大拉應(yīng)力相對(duì)位置，月牙肋最大壓應(yīng)力為-20.4 MPa，整體壓應(yīng)力數(shù)值較小。

圖7運(yùn)行工況鋼襯整體、月牙肋米塞斯應(yīng)力分布示意(單位：Pa)

鋼岔管米塞斯應(yīng)力分布同第一主應(yīng)力，數(shù)值有所減小。極值出現(xiàn)在1號(hào)和4號(hào)管節(jié)內(nèi)側(cè)底部、頂部相連部位，為182 MPa；其余部位在岔管腰線轉(zhuǎn)折角部位，拉應(yīng)力較大，小于141 MPa；月牙肋內(nèi)側(cè)中部米塞斯應(yīng)力較大，極值為155 MPa，數(shù)值和第一主應(yīng)力相差不大。

圖8運(yùn)行工況鋼襯整體、月牙肋變形分布示意圖(單位：m)

從鋼岔管整體變形來(lái)看，水平兩側(cè)向內(nèi)收縮，上下兩側(cè)向外膨脹(圖中虛線為模型初始位置)，變形最大為10.921 mm，出現(xiàn)在1、2號(hào)管節(jié)頂部和底部；月牙肋兩端向外側(cè)變形，最大為6.212 mm。

由上述有限元分析可知，鋼岔管各部位均滿足抗力限值要求，且有一定的安全裕度。鋼岔管管節(jié)內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)、月牙肋內(nèi)側(cè)中部等部位拉應(yīng)力較大；月牙肋及其附近管節(jié)拉應(yīng)力分布較復(fù)雜，變化梯度大；遠(yuǎn)離月牙肋部位拉應(yīng)力變化則較緩，在公切球半徑最大點(diǎn)位拉應(yīng)力較大。

(2)水壓試驗(yàn)工況

在水壓試驗(yàn)工況下，鋼岔管內(nèi)水壓力為5.678 MPa，經(jīng)有限元計(jì)算，岔管整體拉應(yīng)力分布及變形如下所示(見(jiàn)圖9)，岔管整體、月牙肋米塞斯應(yīng)力分布如下所示(見(jiàn)圖10)。

圖9水壓試驗(yàn)工況鋼襯整體最大主應(yīng)力、變形示意(單位：Pa、m)

水壓試驗(yàn)工況，應(yīng)力、變形分布和運(yùn)行工況是類(lèi)似的，數(shù)值有所增大。第一主應(yīng)力極值為267 MPa，最大變形為13.615 mm，數(shù)值分別為運(yùn)行工況的1.254倍和1.247倍(內(nèi)水壓力為1.25倍)。

圖10水壓試驗(yàn)工況鋼襯整體、月牙肋米塞斯應(yīng)力分布示意(單位：Pa)

米塞斯應(yīng)力極值為227 MPa，數(shù)值為運(yùn)行工況的1.247倍；月牙肋內(nèi)側(cè)中部米塞斯應(yīng)力極值為194 MPa，數(shù)值為運(yùn)行工況的1.252倍。各部位均滿足規(guī)范抗力限值要求。

由于鋼材考慮為線性材料，內(nèi)水壓力從

4.542 MPa變化到5.678 MPa，各部位內(nèi)力和變形大致呈線性規(guī)律變化。

5結(jié)論

(1) 推薦方案鋼岔管在運(yùn)行工況最大設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力4.542 MPa作用下，水平兩側(cè)向內(nèi)收縮，上下兩側(cè)向外膨脹，管壁轉(zhuǎn)折點(diǎn)最大拉應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力分別為213、182 MPa，月牙肋最大拉應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力分別為154、155 MPa，岔管各部位仍處于線性變形中，鋼岔管各部位均滿足抗力限值要求，且有一定的安全裕度。

(2)水壓試驗(yàn)工況應(yīng)力、變形分布和運(yùn)行工況是類(lèi)似的，數(shù)值有所增大；鋼岔管各部位均滿足抗力限值要求。

(3)鋼岔管結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，因此應(yīng)力分布也是對(duì)稱(chēng)的。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在1號(hào)和4號(hào)管節(jié)內(nèi)側(cè)底部相連部位，其他管節(jié)腰線內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折部位、月牙肋中部?jī)?nèi)側(cè)應(yīng)力均較大，但均滿足抗力限值要求。

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責(zé)任編輯吳昊

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)俊(1980-)，男，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。E_mail:jyan@hrcshp.org

收稿日期：2015-08-27