高水头小水电站钢岔管三维有限元分析研究

严　俊，刘维东，乔海娟，张　军

(水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012)

高水头小水电站钢岔管三维有限元分析研究

严俊，刘维东，乔海娟，张军

(水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012)

摘要：水电站钢岔管安全运行关系到枢纽建筑的安全及工程效益的发挥，现有计算方法复杂且结果不太合理。引入有限元分析方法对上白云水电站钢岔管进行了研究与分析，得到了岔管结构中月牙肋板最大米塞斯等效应力超过了容许应力强度的要求，并需要增加厚度的结论，有效地指导了设计，确保了工程的安全。图10幅，表3个。

关键词：小水电站；高水头；岔管；有限元分析

0引言

水电站钢岔管结构的安全运行直接关系到枢纽建筑的安全及工程效益的发挥，过去的设计大多按照规范提供的近似计算方法，这种分析方法用于体型较为复杂的不对称钢岔管分析时较为麻烦，且得到的结果也不太合理[1]。由于有限元方法研究的模型较传统方法更接近于实际结构，因而在定性与定量方面都要比传统方法优越得多。同时，采用有限元方法对岔管在各种运行压力下进行结构仿真分析能提前预知岔管结构的应力状况及强度安全储备，因此结合有限元方法对钢岔管进行设计是一种新的研究计算方法[2]。

本文采用有限元方法，基于大型有限元商业软件ANSYS对巴布亚新几内亚上白云水电站钢岔管结构进行了研究，主要研究内容为采用有限元法计算岔管在其所承担各种典型荷载工况下的应力、位移以及岔管应力集中部位的应力分布情况，以计算结果对岔管在不同荷载工况下的应力安全储备情况进行了评价，为该工程安全设计提供重要参考依据。

1工程概况

上白云水电站位于巴布亚新几内亚莫罗贝省境内，为径流式高水头电站。电站枢纽主要由混凝土溢流坝、冲沙闸、进水闸、沉沙池、GRP管线、调压塔、压力钢管、发电厂房和35 kV升压站等建筑物组成，电站内安装2台卧轴冲击式水轮发电机组，装机容量2×4 700 kW，设计水头378 m，总投资约3亿人民币。

钢岔管主管内径为D=1.0 m，支管内径为d=0.6 m。根据工程布置，考虑地质条件、水力条件、体形设计、运输条件和制作安装等因素，岔管采用对称Y型内加强月牙型肋钢岔管。钢岔管分岔角85°，公切球半径0.675 m，为主管的1.35倍。钢材采用Q345R级钢，管壳厚度为24/26 mm，月牙肋厚度为48 mm。

由于钢岔管承受内水头463 m(4.542 MPa，包括水锤压力)，HD值约463 m，钢岔管的结构受力较复杂，需要进行三维有限元计算，对设计推荐方案进行复核，确保工程安全。

2岔管结构布置及设计基本参数

2.1　结构布置及体型参数

计算体型包括主管、支管、分岔段及月牙型加强肋，共9个管节和1个月牙肋(见图1)。

钢岔管公切球半径为674.8 mm，主、支管内径分别为1 000、600 mm，推荐方案主、支管壁厚均为26 mm(1、6、9号管节为钢岔管和直管段的过渡段，厚度为24 mm)，月牙肋厚48 mm(见表1)。

图1　钢岔管体型示意

2.2　有限元计算模型的建立

按照水电站压力钢管设计规范的规定，模型在主管和支管端部取固端全约束，为了减小约束端对钢岔管局部应力的影响，主、支管段分别沿轴线延长约管径的3倍。

钢岔管主、支管管壁网格剖分全部采用ANSYS中四节点Shell63弹性板壳单元模拟；月牙肋由于厚度较厚，为了更真实地模拟钢岔管的应力变形分布，故采用八节点Solid45实体单元模拟。

扣除管壁锈蚀裕度，设计钢岔管管壁计算厚度取24 mm，月牙肋计算厚度取46 mm。生成钢岔管计算模型共有单元13 180个，节点13 649个(见图2、图3)。

图2　钢岔管整体有限元网格划分示意(环向划分80个单元)

3壁厚和肋厚敏感性分析

对于初步拟定的钢岔管体型，考虑管壁厚度和月牙肋厚度对钢岔管整体应力影响较大，通过对钢管的壁厚进行敏感性分析，可以选择更合理的钢岔管管壁厚度。

3.1　管壁厚度分析

保持月牙肋厚度不变(计算厚度46 mm)，采用不同管壁厚度(计算厚度20～26 mm)计算(见表2、图4)。

表2　计算结果汇总(一)

注：表内厚度均为计算厚度。

图4钢岔管整体应力极值和管壁厚度关系

可以看出，随着管壁厚度增大，在运行工况内水压力作用下，管壁第一主应力、米塞斯应力均呈线性减小，月牙肋有所减小，但数值变化不大。

综合考虑运行可靠度、施工条件、管节布置等因素，推荐管壁厚度为24 mm，考虑2 mm锈蚀裕度，管壁厚度最终取26 mm。

3.2　月牙肋厚度分析

保持管壁厚度不变(计算厚度24 mm)，采用不同月牙肋厚度(计算厚度40～48 mm)计算(见表3)。

表3　计算结果汇总(二)

可以看出，随着月牙肋厚度增大，在运行工况内水压力作用下，月牙肋第一主应力呈线性减小。

综合考虑规范要求、运行可靠度、施工条件等因素，推荐月牙肋厚度为46 mm，考虑2 mm锈蚀裕度，月牙肋厚度最终取48 mm。

4岔管结构三维有限元计算

本工程属于小型引水发电工程，输水系统等主要永久性建筑物按四级建筑物设计。根据《水电站压力钢管设计规范》(DL/T 5141—2001)(简称“规范”)第8章相关内容，钢管的结构安全级别为Ⅱ级，结构重要性系数为1.0。

4.1　模拟计算工况选择

根据规范的要求，选择运行工况和水压试验工况进行模拟计算。

(1)运行工况

在运行工况下，模拟计算钢岔管在内水压力为4.542 MPa(最大设计内水头，包括水锤压力，共463 m水头)时的岔管应力分布和变形情况。

(2)水压试验工况

在水压试验工况下，模拟计算钢岔管在内水压力为5.678 MPa(根据规范12.2.3，水压试验工况压力值为运行工况最高内水压力设计值的1.25倍，即578.75 m水头)时的岔管应力分布和变形情况。

4.2　各工况计算结果及分析

钢岔管在体型上为上下、左右对称结构，若忽略重力因素影响，岔管结构的相应工况条件下的应力分布也是上下、左右对称的。

(1)运行工况

在运行工况条件下，钢岔管内水压力为4.542 MPa，经有限元计算，整体、月牙肋第一、第三主应力分布如下所示(见图5、图6)，整体、月牙肋米塞斯应力分布如下所示(见图7)，整体、月牙肋变形如下所示(见图8)。

钢岔管第一主应力极值出现在1号和4号管节内侧底部相连部位，为213 MPa(拉应力为正，压应力为负，下同)，外侧应力较小；其余部位在岔管腰线转折角部位拉应力较大，小于165 MPa；月牙肋内侧中部应力较大，极值为154 MPa。

图5　运行工况钢衬整体、月牙肋第一主应力分布示意(单位：Pa)

图6运行工况钢衬整体、月牙肋第三主应力分布示意(单位：Pa)

钢岔管第三主应力为-143 MPa，出现在岔管顶部和最大拉应力相对位置，月牙肋最大压应力为-20.4 MPa，整体压应力数值较小。

图7运行工况钢衬整体、月牙肋米塞斯应力分布示意(单位：Pa)

钢岔管米塞斯应力分布同第一主应力，数值有所减小。极值出现在1号和4号管节内侧底部、顶部相连部位，为182 MPa；其余部位在岔管腰线转折角部位，拉应力较大，小于141 MPa；月牙肋内侧中部米塞斯应力较大，极值为155 MPa，数值和第一主应力相差不大。

图8运行工况钢衬整体、月牙肋变形分布示意图(单位：m)

从钢岔管整体变形来看，水平两侧向内收缩，上下两侧向外膨胀(图中虚线为模型初始位置)，变形最大为10.921 mm，出现在1、2号管节顶部和底部；月牙肋两端向外侧变形，最大为6.212 mm。

由上述有限元分析可知，钢岔管各部位均满足抗力限值要求，且有一定的安全裕度。钢岔管管节内侧转折点、月牙肋内侧中部等部位拉应力较大；月牙肋及其附近管节拉应力分布较复杂，变化梯度大；远离月牙肋部位拉应力变化则较缓，在公切球半径最大点位拉应力较大。

(2)水压试验工况

在水压试验工况下，钢岔管内水压力为5.678 MPa，经有限元计算，岔管整体拉应力分布及变形如下所示(见图9)，岔管整体、月牙肋米塞斯应力分布如下所示(见图10)。

图9水压试验工况钢衬整体最大主应力、变形示意(单位：Pa、m)

水压试验工况，应力、变形分布和运行工况是类似的，数值有所增大。第一主应力极值为267 MPa，最大变形为13.615 mm，数值分别为运行工况的1.254倍和1.247倍(内水压力为1.25倍)。

图10水压试验工况钢衬整体、月牙肋米塞斯应力分布示意(单位：Pa)

米塞斯应力极值为227 MPa，数值为运行工况的1.247倍；月牙肋内侧中部米塞斯应力极值为194 MPa，数值为运行工况的1.252倍。各部位均满足规范抗力限值要求。

由于钢材考虑为线性材料，内水压力从

4.542 MPa变化到5.678 MPa，各部位内力和变形大致呈线性规律变化。

5结论

(1) 推荐方案钢岔管在运行工况最大设计内水压力4.542 MPa作用下，水平两侧向内收缩，上下两侧向外膨胀，管壁转折点最大拉应力、米塞斯应力分别为213、182 MPa，月牙肋最大拉应力、米塞斯应力分别为154、155 MPa，岔管各部位仍处于线性变形中，钢岔管各部位均满足抗力限值要求，且有一定的安全裕度。

(2)水压试验工况应力、变形分布和运行工况是类似的，数值有所增大；钢岔管各部位均满足抗力限值要求。

(3)钢岔管结构对称，因此应力分布也是对称的。最大拉应力出现在1号和4号管节内侧底部相连部位，其他管节腰线内侧转折部位、月牙肋中部内侧应力均较大，但均满足抗力限值要求。

参考文献：

[1]潘家铮. 压力钢管[M]. 北京：电力工业出版社，1982.

[2]程建明，陈峰. 水电站岔管结构三维有限元分析研究[J]. 西部探矿工程，2009(5)：178_181.

[3]丁旭柳，伍鹤皋，龚玉锋. 地下埋藏式钢岔管承载机理研究[J]. 水利学报，2003(4)：119_128.

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责任编辑吴昊

作者简介：严俊(1980-)，男，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。E_mail:jyan@hrcshp.org

收稿日期：2015-08-27