抽水蓄能电站月牙肋岔管设计与分析

2012-10-21方子帆吴德新肖华攀

三峡大学学报(自然科学版) 2012年6期

方子帆吴德新肖华攀李辉

（三峡大学机械与材料学院，湖北宜昌 443002）

岔管是水电站地下工程的关键部位之一，由于其结构形状复杂，受力状态不明确，其结构设计历来为人们所重视.月牙肋岔管在各个方面较其他形式的岔管具有水头损失小等优势，随着我国水电事业的发展，内加强月牙肋岔管得到了广泛的应用.根据我国电力行业标准《水电站压力钢管设计规范》的规定，对于岔管一般应做水压试验，这样一方面可以检查岔管是否有渗漏现象，另一方面可以减小或消除在岔管成型过程中产生的残余内应力［1］.在进行水压试验时，需要用封头和岔管焊接，由于岔管的本体材料一般为高强度钢，而封头则选择较经济的钢材，有必要对封头特别是接头处的强度进行校核.水压试验支架的布置形式能在很大程度上影响试验结果，选择合理的支撑形式可以得到更接近岔管真实受力情况的试验结果.

1 月牙肋岔管设计参数

1.1 观测点参照标准

某电站岔管为Y形对称内加强月牙肋岔管.岔管的最大设计内水压力为9.06MPa，主管直径4 554 mm，支管直径3 137mm，分岔角70°，月牙肋采用140 mm厚B780CF钢板，管壳钢板材质为70mm厚B780CF钢板，弹性模量E1＝2.06×105MPa，泊松比υ1＝0.3，重度γ1＝7.85×10－5N／mm3.水压试验工况管壳与肋板钢材的力学性能参数见表1.参照标准［2］对岔管受力区域进行分类，计算岔管与肋板各受力区域的钢材许用应力，列于表2.

表1 钢材力学性能参数

表2 钢材的抗力限值（允许应力）（单位：MPa）

1.2 封头设计方法

进行岔管水压试验所需封头可按GB150－2011进行设计.在试验中选择非标准椭圆封头，封头最大允许工作压力［pw］的计算公式为

式中，Di为封头内直径；hi为封头曲面深度；δe为闷头计算厚度；［σ］t为设计温度下闷头材料的许用应力；φ为焊接接头系数，根据GB150－2011，双面焊焊接接头系数取0.95，单面焊焊接接头系数取0.9；K为形状系数，该非标准椭圆闷头形状系数为

进水端封头内径DiA＝4 554mm，厚度δeA＝78 mm，采用双面焊焊接；出水端两封头的内径DiB＝DiC＝3 137mm，厚度δeB＝δeC＝78mm，岔管B端封头单面焊焊接，C端封头双面焊焊接；封头的材料选择Q345R钢板，其弹性模量E2＝1.92×105MPa，泊松比v2＝0.3，重度γ2＝7.85×10－5N／mm3.

1.3 支架布置方式

岔管水压试验采用金属滚球支架，由于有金属滚球的存在，水压试验时支架对岔管在水平面上的约束很小，这样较文献［1］中支架的布置方式更有利于得到接近岔管真实的受力情况.支架的布置方式如图1所示（俯视图）.

图1 支架布置图

整个支撑由底座，支架和挡板组成，支座底板与挡板之间留有10～15mm间隙，另一侧不设置挡板，如图2所示.

图2 金属滚球支架示意图

2 有限元分析

2.1 计算模型

计算模型采用笛卡尔直角坐标系，XOZ面为水平面，坐标原点位于主锥管与支锥管公切球球心处，X轴指向主锥管为正，Y轴竖直向上为正，坐标系为右手系.有限元模型包括岔管管壳，月牙肋，进出水口封头和支架，模型采用SOLID45单元模拟.

由于该岔管用于高水头电站，载荷模型未考虑结构自重和管内水重，故在岔管和封头的内表面施加均布载荷.支架与岔管连接处采用公共节点.模型约束施加在支座底板的节点上，其中底座节点施加单方向约束和位移约束.图4所示的有限元模型的正向视图位于整体坐标系的XOY平面内，约束的具体添加方式为：旋转工作平面，使得工作平面的Z轴指向挡板，Y轴方向不变，设置工作平面所在坐标系为当前坐标系，然后将需要施加约束的节点的坐标系设置为当前坐标系进行约束加载［3］.如图4所示，同一支架底座节点施加Y方向约束（挡板平面与水平面交线方向，Y向），垂向施加位移约束（Z向）.

岔管水压试验实体模型和有限元模型在ANSYS中建立，为了便于划分网格，对实体模型进行了适当分割，然后进行映射网格划分，图3和图4分别为岔管水压试验整体网格图和有限元模型.

图3 整体模型网格划分

图4 有限元计算模型

2.2 计算结果

2.2.1 岔管应力分析

根据《水电站压力钢管设计规范SD 144－85》的规定，岔管各点的计算应力应满足以下条件：

式中，σx、σθ分别为轴向、环向正应力（以拉为正）；τxθ为剪应力；φ为焊缝系数；［σ］为相应计算情况的允许应力.

岔管各管节母线转折处容易产生局部应力集中现象，是局部膜应力的控制点［4］，肋板是小偏心受拉构件，截面内侧应力往往最大，故将这些控制点作为应力结果整理的关键点，本工程还在管壳与肋板连接处、主支锥管相贯线处布置测点，尤其是I点和K点，关键点位置如图5所示.

图5 水压试验应力控制点

由于岔管体型的设计是在考虑联合承载条件下设计的，按照明管校核时管壁厚度和肋板尺寸不足以承担1.25倍的设计内水压力.根据若干次计算，提出了所有关键点满足明岔管水压试验抗力限值的水压试验压力值，数值为8.9MPa，主要由岔管K点内表面应力控制，整理了岔管的Mises等效应力云图和变形云图，如图6～7所示.将图5所示的各关键点及肋板最大截面处内外侧两点的Mises等效应力值分别列于表3，结果表明可按此方案进行水压试验.

表3 有限元模型关键点应力（单位：MPa）

图6 岔管等效应力云图

图7 岔管变形云图

2.2.2 封头应力分析

岔管和封头的制造分别采用了不同材质的钢板，且在连接处，岔管与封头的内径、板材厚度各不相同，为了保证水压试验的安全进行，需要对封头进行强度校核，特别关注连接处的应力分布情况.由于本文不是进行焊接机理分析，所以只是在网格划分时对封头和岔管分别设置材料参数以区分不同的材料，计算结果按照式（3）进行校核.考虑到实际工程中，岔管与封头连接处可能不是圆滑过渡，故在岔管B端与封头连接处的内表面错位6mm建模，分析应力集中的极端情形.分析结果表明，封头的峰值应力出现在焊接接头处，但B、C端封头应力分布基本一致，说明过渡段的形态不是产生峰值应力的主要原因，峰值应力是由结构的整体空间形态决定的.