吳 均

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830000)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)03—0077—03

貼邊岔管設(shè)計(jì)探討

吳 均

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830000)

對于大型貼邊岔管設(shè)計(jì)宜采用有限元法計(jì)算，但對于中、小型貼邊岔管設(shè)計(jì)可采用面積補(bǔ)償法、圓環(huán)法等結(jié)構(gòu)分析方法計(jì)算。文章結(jié)合工程實(shí)例，對中、小型貼邊岔管設(shè)計(jì)采用幾種結(jié)構(gòu)分析方法進(jìn)行計(jì)算對比，并用有限元法對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用面積補(bǔ)償法、圓環(huán)法等結(jié)構(gòu)分析方法計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果是一致的。

水電站;貼邊岔管;結(jié)構(gòu)分析;有限元

0 前 言

新疆某水電站工程主要任務(wù)是發(fā)電和發(fā)電反調(diào)節(jié)，工程裝機(jī)規(guī)模為100 MW(2×35 MW+2×15 MW)，采用大小機(jī)。引水隧洞采用一洞四機(jī)的供水方式，岔管采用對稱Y型岔，其中鋼襯段主管直徑為6.2 m，支管直徑為3.4 m(大機(jī))和2.4 m(小機(jī))。

在施工階段，業(yè)主提出為滿足工程管理區(qū)和下游林地的用水要求，工程建成后需要從壓力管道(鋼襯鋼管段)上開孔取水。經(jīng)計(jì)算，取水口管管徑為400 mm，對應(yīng)的取水口直徑也選為400 mm。此時(shí)，壓力鋼管已經(jīng)制作安裝完成，經(jīng)綜合考慮，取水管與已制作安裝完成的鋼管宜采用貼邊岔管形式。由于受交通及其他建筑物布置限制，最終取水口布置在壓力鋼管主管段上。

1 貼邊岔管結(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法

目前，貼邊岔管計(jì)算方法較多，本文結(jié)合新疆某水電站工程貼邊岔管設(shè)計(jì)實(shí)例，對中、小型工程貼邊岔管設(shè)計(jì)計(jì)算常用的面積補(bǔ)償法、圓環(huán)法等結(jié)構(gòu)分析方法進(jìn)行了對比，并用有限元對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)算[1-6]。

該水電站工程貼邊岔管主管直徑6.2 m，取水管直徑0.4 m，岔管處設(shè)計(jì)水頭為120 m(含水擊壓力)，主管壁厚為26 mm。由于該取水管垂直于主管布置，取分岔角為90°。主管及取水管管材均為Q345R鋼。

1.2 面積補(bǔ)償法

面積補(bǔ)償法在中、小型貼邊岔管設(shè)計(jì)中是一種應(yīng)用較廣的方法。面積補(bǔ)償法是在管道破口處增加補(bǔ)強(qiáng)板，確定補(bǔ)強(qiáng)板尺寸時(shí)沿主管軸線的縱剖面，在主管的破口處補(bǔ)強(qiáng)板截面積Ad不小于主管破口截面積Ae；補(bǔ)強(qiáng)板厚度td為主管壁厚t的1.0～1.3倍，如圖1所示。

圖1 面積補(bǔ)償法計(jì)算結(jié)構(gòu)示意圖

依據(jù)補(bǔ)強(qiáng)板尺寸確定方法，可事先初擬補(bǔ)強(qiáng)板的尺寸，再根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算貼邊岔管銳角貼邊外緣最大主應(yīng)力值。

(1)

(2)

式中：t為主管壁厚,取26 mm；p為內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值,N/mm2；d、D分別為支、主管軸線交點(diǎn)處的直徑,取400 mm和6 200 mm；α2、α1分別為支、主管半錐頂角,均都取為0°；β為分岔角,取90°；σ0為主管膜應(yīng)力,N/mm2；σ為孔口局部應(yīng)力,N/mm2。

初步擬定補(bǔ)強(qiáng)板尺寸：寬為300 mm，厚度與主管壁厚一致，均為26 mm，材質(zhì)與主管同。經(jīng)計(jì)算，補(bǔ)強(qiáng)后主管最大膜應(yīng)力為157.5 MPa，銳角貼邊外緣最大主應(yīng)力為73.9 MPa，都小于鋼材極限抗力限值187.5 MPa。其中主管最大膜應(yīng)力接近鋼材極限抗力限值，材料得到了比較充分的利用，說明初步擬定的補(bǔ)強(qiáng)板尺寸是比較合理的。

1.3 圓環(huán)法

在臨床治療中,婦科腹腔鏡手術(shù)是首選的手術(shù)治療方法。婦科腹腔鏡手術(shù)方法具體眾多優(yōu)點(diǎn),如手術(shù)安全性高、手術(shù)中出血量小、手術(shù)后恢復(fù)快等,從而有利于患者術(shù)后康復(fù)。但是婦科腹腔鏡手術(shù)效果與麻醉技術(shù)有著密切關(guān)系,因此在實(shí)施腹腔鏡手術(shù)過程中,麻醉至關(guān)重要[2][3]。

圓環(huán)法也是中、小型貼邊岔管設(shè)計(jì)中一種應(yīng)用較廣的方法，其計(jì)算簡圖如圖2所示。

圖2 圓環(huán)法計(jì)算結(jié)構(gòu)示意圖

圓環(huán)法計(jì)算原則是把補(bǔ)強(qiáng)板當(dāng)作一圓環(huán)加勁結(jié)構(gòu)，豎向荷載pr為主管破口處的不平衡力，橫向荷載則為主管管壁對補(bǔ)強(qiáng)板變形產(chǎn)生的約束力。

在確定管壁破口處應(yīng)力時(shí)，需要先明確管壁破口處最大彎矩和最大拉應(yīng)力。 管壁破口處最大彎矩和最大拉應(yīng)力可依據(jù)下列公式計(jì)算：

(3)

N=prrd

(4)

管壁破口處環(huán)向應(yīng)力可依據(jù)下列公式計(jì)算：

(5)

(6)

式中:M為彎矩,N·mm;N為軸拉力,N；r為主管半徑,取3 100 mm;rd為圓環(huán)中心半徑,取350 mm；p為內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值,N/mm2;σ1、σ2分別為環(huán)向應(yīng)力,N/mm2；A為補(bǔ)強(qiáng)板加勁結(jié)構(gòu)有效截面積,mm2；Z為補(bǔ)強(qiáng)板有效截面上計(jì)算點(diǎn)至重心軸的距離,mm；I為補(bǔ)強(qiáng)板有效截面對重心的慣性矩,mm4。

用圓環(huán)法計(jì)算時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)板尺寸采用經(jīng)面積補(bǔ)償法計(jì)算后確定的補(bǔ)強(qiáng)板尺寸。即補(bǔ)強(qiáng)板寬為300 mm，厚度與主管壁厚一致，均為26 mm，材質(zhì)與主管同。經(jīng)計(jì)算，補(bǔ)強(qiáng)后管壁破口處的最大應(yīng)力為172.2 MPa，小于鋼材極限抗力限值187.5 MPa，說明初步擬定的補(bǔ)強(qiáng)板尺寸是比較合理的。

1.4 人孔補(bǔ)強(qiáng)法

為了便于對壓力鋼管進(jìn)行檢修及維護(hù)，在較長的壓力鋼管上經(jīng)常會(huì)留有進(jìn)人孔。在進(jìn)人孔頸管與主管銜接處，也會(huì)在主管破口處采用補(bǔ)強(qiáng)板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。人孔補(bǔ)強(qiáng)法主要是參照鋼管進(jìn)人孔設(shè)計(jì)方法，人孔補(bǔ)強(qiáng)法適用于下列條件的孔口。

(1) 鋼管內(nèi)徑D≤1 500 mm，開孔允許的最大直徑d≤1/2D；同時(shí)d不允許超過500 mm。

(2) 鋼管內(nèi)徑D>1 500 mm，開孔允許的最大直徑d≤1/3D；同時(shí)d不允許超過1 000 mm。

本文所例水電站主管內(nèi)徑D=6 200 mm，開孔處直徑d=400 mm，d≤1/3D，進(jìn)水管軸線與鋼管主管軸線垂直，也可用進(jìn)人孔設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算。

補(bǔ)強(qiáng)板焊接在孔周管殼外緣，板面彎曲，曲率同鋼管外殼，內(nèi)緣與頸管外壁焊接。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)板采用厚度與管壁相同時(shí)補(bǔ)強(qiáng)板外徑D2由下式?jīng)Q定：

(7)

(8)

式中：D2為補(bǔ)強(qiáng)板外徑，mm；Dk為支管內(nèi)徑,mm；其余符號(hào)意義同前式。

補(bǔ)強(qiáng)板壁厚和主管壁厚一致，均為26 mm，經(jīng)計(jì)算，補(bǔ)強(qiáng)板外徑D2約為677 mm，小于用面積補(bǔ)償法和圓環(huán)法計(jì)算確定的補(bǔ)強(qiáng)板外徑D2(1 000 mm)。所以，補(bǔ)強(qiáng)板尺寸最終用面積補(bǔ)償法和圓環(huán)法計(jì)算確定。

確定補(bǔ)強(qiáng)板外徑D2后，可按下式初步判斷擬定的D2及t1能否滿足要求。

(9)

式中：t1為補(bǔ)強(qiáng)板厚度,mm；t2為支管壁厚，取8 mm；φ為焊縫系數(shù)，取0.9；其余符號(hào)意義同前式。

經(jīng)計(jì)算，式(9)不等式左邊數(shù)值為16 061 mm2，右邊數(shù)值為10 608 mm2，左邊大于右邊，滿足不等式?？梢娧a(bǔ)強(qiáng)板尺寸選取是合適的。

2 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

針對上述結(jié)構(gòu)分析法確定的補(bǔ)強(qiáng)板厚度及寬度，用有限元法進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。計(jì)算模型長度為主管直徑的1.5倍(以岔管中心為起點(diǎn)向上游或者向下游計(jì)算)，邊界條件采用全約束(即水平豎向位移和轉(zhuǎn)角)，網(wǎng)格劃分采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為提高計(jì)算精度，在岔管補(bǔ)強(qiáng)處對網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分及應(yīng)力云圖如圖3、4所示。

從圖4知，岔管貼邊補(bǔ)強(qiáng)處最大主應(yīng)力為169.1 MPa，小于鋼材極限抗力限值187.5 MPa，說明通過結(jié)構(gòu)析方法所選取的補(bǔ)強(qiáng)板厚度和寬度是合適的。

3 結(jié) 語

(1) 貼邊岔管設(shè)計(jì)幾種結(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，在取上述補(bǔ)強(qiáng)板寬度和厚度的情況下，主管破口處應(yīng)力、貼邊外緣最大主應(yīng)力、主管膜應(yīng)力、貼邊補(bǔ)強(qiáng)處最大主應(yīng)力均接近但小于鋼材極限抗力值，說明通過結(jié)構(gòu)分析法確定的補(bǔ)強(qiáng)板結(jié)構(gòu)尺寸取值是比較合理的。

圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分圖

圖4 計(jì)算模型應(yīng)力云圖

(2) 對中、小型工程，在設(shè)計(jì)貼邊岔管時(shí)，采用結(jié)構(gòu)分析法確定補(bǔ)強(qiáng)板的厚度及寬度是可行的。

[1] DL/T 5141-2001,水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國電力版社，2001.

[2] SL 281-2003,水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2003.

[3] 王巧紅,李文召.嵊州引水工程貼邊岔管方案的有限元計(jì)算[J].浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),15(2):35-37.

[4] 榮譽(yù),陳潔.岳城水庫供水工程貼邊岔管設(shè)計(jì)[J].水利水電工程設(shè)計(jì),1999，(3):7-8.

[5] 水電部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(金屬結(jié)構(gòu))[M].北京：水利電力出版社，1991.

[6] 黃希元,唐怡生.小型水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊[M].北京：水利電力出版社，1989.

Study on Design of Welted Bifurcated Penstock

WU Jun

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000,China)

The finite element method is applied for design of large-scaled welted bifurcated penstock. For small and medium-sized welted bifurcated penstocks, the structural analysis methods such as area compensation method, ring method and etc can be applied for calculation. In combination of engineering practice, several structural analyzing methods for design of small/medium-sized bifurcated penstocks are compared. The corresponding results are verified by results by the finite element method. The comparison presents that the results by area compensation method, ring method, etc are in compliance with those by the finite element method.

hydropower station; welted bifurcated penstock; structural analysis; finite element

2015-03-19

吳均(1979- ),男,四川省遂寧市人，工程師，從事水工設(shè)計(jì)研究工作.

TV674

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.022