吉音水库贴边岔管有限元分析

郝永志

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐　830000)



吉音水库贴边岔管有限元分析

郝永志

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000)

摘要：贴边岔管是由主管、支管和贴边焊接而成，是一种板壳组合结构，其在内水压力作用下应力分布和变形很不均匀，采用传统结构力学方法计算结果较为粗糙，无法准确计算岔管整体和局部细节的应力大小及分布情况。采用有限元方法计算分析，可在设计阶段了解岔管的应力分布和变形情况，为合理设计岔管提供重要的参考依据。

关键词：吉音水库；贴边岔管；有限元分析

0前言

岔管是一种压力钢管管道，设置于输水管道的分岔处，在采用联合供水或分组供水时，一根管道需供应2台或更多机组用水，这种岔管位于厂房上游侧。有时，一根引水道需要分成2根以上的压力管道。通常位于调压井底部或调压井下游。岔管在输水、引水建筑物中扮演着非常重要的角色[1]。随着近几年中国水电项目开发力度加大，高水头、大HD(内水压力水头H与钢管管径D)值的岔管在工程运用中屡创新高，其安全可靠运行及工程投资备受关注[2]。如何避免岔管的钢材耗费过大、简化焊接工艺、降低施工难度、满足钢板最小厚度、降低造价等问题，成为现阶段岔管安装制作的首要问题[3]。因此，分析岔管整体结构在受内水压力作用时的应力应变情况，对工程设计人员选择正确合理的工程措施提供参考。

1工程概况

吉音水利枢纽工程位于新疆和田地区于田县境内，总库容0.82亿m3，水库正常蓄水位2 509.00 m，死水位2 470.00 m，调节库容0.60亿m3，电站装机24 MW，年发电量1.058亿kWh，为Ⅱ等工程。

发电引水系统布置在河道右岸，引水系统采用1洞3机联合供水的布置型式，电站共3台机组，设计发电引水流量31.8 m3/s，额定水头90 m。发电引水系统由引水渠、进水闸井、压力引水隧洞、压力钢管段(包括竖井段和下水平段)、岔管及支管段组成，长547.76 m；其中发电引水隧洞及压力钢管总长520.76 m。

2计算原理和分析方法

2.1材料参数

(1) 钢管材质

钢材选用WDL610C，具体参数见表1。

表1　WDL610C钢参数表

(2) 材料允许应力

材料允许应力见表2～3。

表2　材料允许应力取值表

表3　WDL610C钢允许应力表

注：取焊缝系数φ=0.95。

2.2岔管几何建模

吉音贴边岔管为卜型结构，岔管主管段直径3.3 m，斜支管段直径1.7 m，管壁厚度初定26 mm，外贴边厚度初定为26 mm(连同管壁厚度该处总厚度为52 mm)，主管贴边宽度为925 mm，支管贴边宽度为616 mm。岔管分岔角为60°。

几何建模主要通过AUTO DESK公司的三维建模软件REVIT建立岔管三维实体模型。主要方法是通过旋转、拉伸、切割和放样融合等命令建立各管节。由于岔管计算是基于弹性力学的板壳理论，模型的连续性极为重要，因此，各管节之间要保证严格的连续性，才能获得正确的有限元模型。

将Revit中建立好的实体几何模型保存成.sat格式的文件导入有限元分析软件，导入后的岔管模型仍然为三维实体模型，由于岔管单元类型为壳单元，壳单元的基本特点是表面具有厚度，因此实体模型与壳单元无法匹配，对实体模型进行修改，最终形成只存在岔管中心面的薄壳结构，通过有限元软件定义属性，给定壳体厚度，再用壳体单元划分网格实现有限元模型与几何模型的合理匹配。因此，需对导入的实体模型进行大量修改工作，使之成为几何上严格连续的线和面。三维实体模型如图1所示。

2.3应力控制节点

由板壳理论和以往众多工程岔管的有限元计算分析与水压试验的结果可知，贴边岔管应力变化较大的部位在主、支的连接处，尤其是角度尖锐的部位，如图2中A点，此位置是岔管的应力控制部位，有限元旨在了解应力控制部位的应力大小及变化情况，分别用字母表示，主要是A、D两点，此外，为了观察管壳应力的变化，同时加入B、C、D、E、F、G、H、I、J点。计算结果以列表的形式给出管壳控制点内表面、中面、外表面按照第四强度理论计算的等效应力[4-5]。岔管各部位应力控制点见图2。

图1　贴边钢岔管三维实体图

图2　应力控制点示意图

2.4有限元模型

贴边岔管是一个复杂的空间板壳组合结构，主、支管相交处增设补强板，使开孔后的孔周膜应力接近主钢管。为保证岔管的原始体型和空间结构，主、支管采用四边形结构化网格，每个网格单元都有沿着X、Y、Z方向的平移自由度和UX、UY、UZ方向的旋转自由度。为消除边界条件对有限元计算的影响，主、支管的长度分别取各管径直径的2倍。整体岔管共划分864个网格单元。岔管网格见图3。

边界条件和约束条件是对计算结果影响较大的因素，但一般的静力弹性计算边界条件和约束条件较精确。该岔管模型的约束条件为固端全约束，即位移和转角均为0。设计内水压力(加水锤压力)为189 m。

图3　岔管网格图

2.5强度条件

应力控制按照SL281—2003《水电站压力钢管设计规范》[6]中式6.1.3规定执行，即按照第四强度理论计算的等效应力应该小于等于允许应力与焊缝系数的乘积[4]，如式(1)。本计算取焊缝系数φ=0.95。

(1)

3计算结果与分析

3.1方案选取

本文共进行了3个方案的计算，运行工况均为设计发电引水流量31.8 m3/s、额定水头90 m时对贴边岔管的影响。各方案结构调整参数如表4。

表4　贴边岔管参数表

根据3个方案计算成果分别与明岔管、埋管允许应力进行比较，以选取合适的方案，比较结果见表5。

由表5中可以看出：方案1相贯线部位局部膜应力略微超过了钢材允许应力，但相差不大，且外包钢筋混凝土可作为安全储备，因此此方案亦可作为备选方案；方案2增加贴边厚度增加2 mm，各部位应力都满足相应允许应力的要求。方案3再增加2 mm，各应力均满足要求，但应力较小。因此，本工程推荐方案2。

3.2方案2计算结果

鉴于篇幅有限，本文只提供推荐方案的计算结果。岔管内壁、中面、外壁应力见图4～6。控制点等效应力统计见表6。

图4　岔管内壁应力云图

图5　岔管中面应力云图

图6　岔管外壁应力云图

方案Mises应力最大值/MPa方案1方案2方案3允许应力/MPa明管埋管(+10%)埋管(+20%)埋管(+30%)整体膜应力432.4401.8512.4202.8223.1267.7348.0局部膜应力401.8365.5335.1324.5357.0428.3556.8表面峰值应力512.4463.3421.8465.5465.5465.5465.5

表6　贴边岔管控制点等效应力表　/MPa

由图4～6及表6可以看出，最大应力出现在底面的A点处，最大主应力为463.3 MPa，D点最大主应力为293.2 MPa。值得关注的A、D两点的应力值是整个岔管结构中应力值最大的2点，这也与相似工程的计算结果吻合。通过有限元计算，可以直观的观察到岔管整体结构中各个部位的应力值，为工程设计人员选择正确合理的工程措施提供参考。

4结语

通过以上分析可知，对贴边的宽度和厚度进行补强可影响到岔管应力的分布。实际工程中，钢岔管一般埋入具有一定强度的围岩中，若考虑围岩作用(如表6所考虑)可减薄贴边补强厚度，达到经济合理地目的。同时，通过有限元计算，可以直观地观察到岔管整体结构中各个部位的应力值，为工程设计人员选择正确合理的工程措施提供参考。

参考文献:

[1]朱宏伟,任德记,高阳峰,李广民.月牙肋钢岔管的有限元分析[J].水利科技与经济,2008,(02):113-114,120.

[2]翟明杰,穆咏梅,王东黎.有限元法在贴边岔管结构分析中的应用[J].特种结构,2012,(01):109-112.

[3]何新红,曹媛,石广斌,贺镇,程永安.某泵站贴边岔管结构分析[J].西北水电,2010,(06):20-22,35.

[4]周维.贵州响水水电站扩机工程钢岔管有限元计算分析[J].河南水利与南水北调，2013，(05)：60-62.

[5]韩守都,吴俊杰,王小军.钢岔管三维参数化设计方法的研究与应用[J].水电能源科学，2015，(03)：180-184.

[6]SL281-2003,水电站压力钢管设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2003.

The Welded Bifurcated Penstock Analyzed by Finite Element Method

HAO Yongzhi

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi830000，China)

Abstract:The welded bifurcated penstock consists of main penstock, bifurcation and welded side. It is a shell combined structure. Its stress distribution and deformation under action of the internal hydraulic pressure are quite uneven. Calculated by the conventional structural mechanics method, their results are rough. The stress and its distribution of the whole penstock and local components cannot be calculated accurately. By application of the finite element method, the stress distribution and deformation of the bifurcated penstock can be calculated, analyzed and learnt at design stage, provide the rational design of the bifurcated penstock with important basis.

Key words:Jiyin Reservoir; welded bifurcated penstock; finite element method

中图分类号：TV732.43

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.010

作者简介：郝永志(1986- ),男,黑龙江省穆棱市人,工程师，主要从事水利水电工程勘测、规划设计工作.

收稿日期：2015-06-09

文章编号：1006—2610(2016)01—0039—04