肋板形状对月牙肋钢岔管应力影响的研究

胡馨之,伍鹤皋,石长征,苏 凯

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072)

肋板形状对月牙肋钢岔管应力影响的研究

胡馨之,伍鹤皋,石长征,苏 凯

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072)

结合某水电站月牙肋钢岔管的工程实际,利用自主研发的月牙肋岔管体形设计程序和ANSYS软件,对岔管结构进行三维有限元计算,得到了不同分岔角下各肋板方案的计算结果,对比了管壳及肋板关键点的应力,讨论了不同肋板形状对肋板应力分布及管壳应力的影响。研究认为,管壳最大应力在肋板内缘曲线为椭圆曲线时较小,肋板水平截面应力在肋板内缘曲线为椭圆曲线,外缘曲线相对于相贯线偏移不等宽时较小,同时应力分布更加均匀,有利于发挥钢材的作用。

月牙肋钢岔管；体形设计；肋板形状；管壳；肋板；有限元；应力

1 问题的提出

内加强月牙肋岔管是在三梁岔管的基础上发展而来的一种岔管结构形式,其特点是采用嵌入管内的月牙形肋板代替三梁岔管的U形梁,以承受不平衡水压力。月牙肋岔管具有受力合理、结构尺寸小、外表光滑、结构可靠以及制作安装方便等优点,在大中型电站及抽水蓄能电站的地下埋管中应用广泛[1-3]。作为内伸的加强构件,肋板的体形设计已经得到了较多的关注；刘沛清等探讨了肋宽比对岔管水力特性的影响[4],为肋板设计中肋宽比的确定提供了更为可靠的依据；谢冠峰等分析了不同月牙肋板厚度对岔管整体结构应力的影响,提出了优化的肋板结构尺寸[5]；杜芳琴等比较分析了有限元计算中肋板不同单元类型和网格疏密对应力计算结果的影响[6],使得月牙肋岔管有限元分析更加精确和先进。但上述研究仅关注了肋宽比、肋板厚度及肋板有限元网格剖分对计算结果的影响,而忽略了肋板形状对于月牙肋钢岔管应力的影响。

事实上，月牙肋肋板形式多样,在水电站压力钢管设计规范[7]中,肋板内缘线一般为抛物线,亦可采用椭圆曲线的形式；肋板外缘线一般以相贯线为基础向管壳外适当偏移等宽距离,以满足管壳与肋板焊缝的要求。但在部分设计院所采用的月牙肋岔管体形中,肋板外缘线会在相贯线的基础上,向管壳外偏移不等宽距离[8],以达到改善月牙肋肋板顶底端局部应力的目的。

表1 岔管不同分岔角方案主要体形参数

注：1)表中所列管壁厚度分别为基本锥、过渡锥和直管段管壁厚度；2)表中正常运行工况计算时,岔管管壁厚度应扣除2mm的锈蚀厚度．

在以往的水电站月牙肋钢岔管设计中,当肋板曲线采用规范上所推荐的内缘曲线为抛物线,外缘曲线在相贯线基础上偏移等宽距离时,肋板等效应力的最大值一般出现在水平最大截面的内侧。如果肋板内外缘曲线采用有别于规范推荐的曲线,肋板应力分布规律及对钢岔管管壳应力的影响如何,目前文献中尚未见到相关研究成果。为此，本文以某水电站为例,采用自主研发的月牙肋岔管体形设计程序[9]和ANSYS软件，针对采用不同分岔角的月牙肋岔管,分析讨论了不同肋板形状对肋板应力分布及管壳应力的影响。

2 岔管设计参数

某水电站输水发电系统压力管道采用一管两机的布置形式,岔管中心距厂房上游边墙的垂直距离约为77.5 m,采用对称“Y”形内加强月牙肋岔管结构。岔管前主管管径5.8 m,岔管后支管管径4.1 m,设计内水压力3.0 MPa,按钢岔管单独承载进行设计计算。

岔管设计在结构上应使岔管结构能有足够的安全度,水力学上做到水流尽量平顺、水力损失最小[10]。

图1 岔管体形图(单位：mm)

经初步研究,采用不同分岔角时,满足钢材抗力限值要求的岔管主要体形参数见表1。以分岔角70°的岔管为例,体形如图1所示。

3 岔管模型及计算方案

按照水电站钢岔管的受力条件,假定模型在主管和支管端部取固端全约束,为了尽量减小约束端对岔管应力的影响,主、支管段轴线长度从公切球球心向上下游分别取最大公切球直径的1.5倍左右。本文采用自行研制的月牙肋岔管体形设计程序,在程序设置中钢岔管和月牙肋网格剖分全部采用ANSYS中SHELL63板壳单元模拟,计算网格及关键点如图2所示。

图2 岔管计算网格及关键点示意

图3 肋板体形示意

月牙肋肋板形状取决于肋板外缘曲线及内缘曲线的选取。肋板外缘曲线一般为椭圆曲线,有两种选取方式,一是在管壳与肋板相贯线的基础上向外偏移相同宽度,与相贯线一样均为具有一定偏心的椭圆曲线,如图3a所示的椭圆曲线①；二是向外偏移宽度不相同,采用图3a所示的1/4椭圆曲线②。内缘曲线则分为抛物线与椭圆曲线两种,以分岔角70°的岔管为例,肋板体形如图3b所示。

针对不同分岔角,选取不同的肋板形状,具体方案如表2所示。表中X,Y方向与图3中坐标方向一致。

表2 不同肋板形状方案体形参数

4 肋板形状对管壳应力的影响分析

根据有限元计算结果,各方案岔管管壳外表面、中面和内表面各关键点的等效应力如表3所示。由表3可知：

(1)各方案管壳中面最大等效应力均出现在主、支管基本锥管节的母线转折C点,肋板内外缘形状对C点数值影响不大。

(2)各方案管壳外表面最大等效应力均出现在主支管相贯线顶点附近的D点,其中各方案数值相差不到1%,则肋板形状对D点管壳应力影响很小。

(3)管壳内表面最大等效应力均出现在与肋板相连的B点,其中若只考虑肋板内缘形状,椭圆曲线方案B点应力可比抛物线方案降低不到2%；而肋板外缘形状对B点应力的影响同样不到2%。

总体来看,当分岔角和岔管体形相同的情况下,肋板内缘形状为椭圆曲线的方案,管壳中面及表面的最大应力值在一定程度上有所减小；对于肋板外缘形状,不同方案下远离肋板的管壳C、D点应力值差别不大,但对与肋板相连的A、B点略有影响。

5 肋板形状对其自身应力的影响分析

根据有限元计算结果,整理了各方案肋板关键点的等效应力如表4所示,同时将分岔角70°情况下4个肋板方案的等效应力分布如图4所示。

由表4和图4可知：

(1)各方案不同肋板曲线(内缘线,相贯线及外缘线)上的关键点,随着角度由0°变化到90°,应力值逐步减小。其中,最大值均出现在肋板水平最大界面的内缘0°-1点,对比可知,肋板内缘形状为椭圆曲线,外缘形状为偏移不等宽椭圆曲线②的方案应力值最小。

表3 岔管管壳关键点等效应力值 MPa

图4 肋板等效应力分布(单位：MPa)

(2)在水平0°截面上,当肋板外缘曲线相同时,如果内缘曲线为抛物线,点1应力明显大于点2、3,截面应力分布很不均匀；如果内缘曲线为椭圆曲线,点1的应力降低,而点2、3的应力增加,截面应力分布渐趋均匀。当肋板内缘曲线相同,外缘曲线为偏移不等宽的椭圆曲线②时,点1应力值较小,截面应力分布更加均匀。

(3)在45°截面上,当肋板外缘曲线相同时,由于内缘为椭圆形的肋板宽度小于抛物线方案,因此该截面上点1、2的应力值均呈现出内缘椭圆曲线方案数值较大、抛物线方案较小的分布规律；当肋板内缘曲线相同时,外缘曲线为偏移等宽的椭圆曲线①方案的肋板宽度小于偏移不等宽方案,因此该截面上点1、2、3的应力值均呈现出偏移等宽方案数值较大、偏移不等宽方案较小的分布规律,并且在点3处,应力值下降尤其明显。

(4)在90°截面上,肋板各关键点的应力值整体均较小；内缘形状为椭圆曲线、外缘形状为偏移不等宽时,数值相对较大,主要由于此时肋板宽度较为狭窄。

总体来看,肋板内缘采用椭圆曲线,外缘采用1/4椭圆曲线的A4、B4、C4方案时肋板受力状况最好。

6 结 论

(1)在给定分岔角和体形的情况下,岔管管壳的最大应力值受肋板形状的影响较小,其中内缘为椭圆曲线时,管壳中面及表面的最大应力值均最小。

(2)肋板内缘形状为椭圆曲线时,肋板最大截面处内缘的最大应力值比抛物线方案小,且肋板水平截面上的应力分布更加均匀,这主要是由于内缘椭圆形曲线曲率较小,减小了应力集中。肋板外缘形状为偏移不等宽的1/4椭圆曲线时,肋板最大截面内缘处的最大应力值比偏移等宽方案更小,且肋板水平截面上的应力分布更加均匀。

(3)月牙肋岔管在进行体形设计时,建议肋板内缘采用椭圆曲线,外缘曲线采用相对于相贯线偏移不等宽的1/4椭圆曲线,不仅能够使肋板最大截面内缘处的最大应力值降低,同时也使整个肋板应力分布更加均匀,有利于发挥钢材的作用。

[1]潘家铮. 压力管道[M]. 北京： 电力工业出版社, 1992．

[2]王志国. 高水头大PD值内加强月牙肋岔管布置与设计[J]. 水力发电, 2001(10): 57- 62．

[3]乔淑娟, 罗京龙, 伍鹤皋. 月牙肋岔管体形优化与设计[J]. 中国农村水利水电, 2004(12)： 118- 120．

[4]刘沛清, 屈秋林, 王志国, 等. 内加强月牙肋三岔管水力特性数值模拟[J]. 水利学报, 2004(3): 42- 46．

[5]谢冠峰, 李火坤. 高水头卜型月牙肋岔管结构三维应力分析[J]. 南昌大学学报： 工科版, 2009, 31(1)： 90- 95．

[6]杜芳琴, 伍鹤皋, 石长征. 月牙肋钢岔管设计若干问题探讨[J]. 水电能源科学, 2012, 30(8)： 135- 137．

[7]DL/T5141—2001 水电站压力钢管设计规范[S]．

[8]王志国. 水电站埋藏式内加强月牙肋岔管技术研究与实践[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2011．

[9]付山, 伍鹤皋, 汪洋. 基于CATIA二次开发的月牙肋钢岔管辅助设计系统开发与应用[J]. 水力发电, 2013, 39(7)： 73- 76．

[10]王槐, 邱树先, 伍鹤皋. 蟠龙抽水蓄能电站月牙肋钢岔管结构与水力特性研究[J]. 水力发电, 2015, 41(1)： 35- 38．

(责任编辑 焦雪梅)

Effect Study of Rib Shape on the Stress of Crescent-rib Reinforced Branch Pipe

HU Xinzhi, WU Hegao, SHI Changzheng, SU Kai

(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University,Wuhan 430072, Hubei, China)

For an actual hydropower station, the shape of rib reinforced bifurcated pipe is designed by a self-developed program for rib reinforced bifurcation design and ANSYS. The results of each rib scheme under given bifurcated angles are obtained by 3-D finite element method, and the influences of different rib shapes on the stress distribution of rib and shell are discussed. The results show that the maximum stress of shell is smaller in the scheme with an elliptic inner edge curve of rib, the maximum stress on horizontal cross-section of rib which has an elliptic inner edge curve and the outer edge curve of unequal width offset relative to intersecting line is smaller. At the same time, this rib shape can make the stress of rib distribute more evenly, so it is useful for steel to bearing loads．

crescent-rib reinforced branch pipe; shape design; rib shape; shell; rib; FEM; stress

2016- 05- 08

国家自然科学基金资助项目(51179141,51409194)

胡馨之(1992—),女,陕西西乡人,硕士研究生,研究方向为水电站压力管道；伍鹤皋(通讯作者)．

TV732.43

A

0559- 9342(2017)03- 0049- 05