高水头扬水工程岔管应力分析

2020-12-21吴俊杰

水资源与水工程学报 2020年5期

张军，吴俊杰，刘峰

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

1 研究背景

压力管道是泵站扬水工程中重要的输水建筑物，而岔管的安全是泵房后期长期稳定运行的关键。考虑流态、水头损失、受力条件及施工制作工艺等条件，贴边岔管和月牙肋岔管应用较为广泛[1-3]。由于岔管的重要性及受力条件的复杂性，常采用有限元法进行计算[3-8]。目前，贴边岔管常用于中、低水头的中、小管径压力管道[9-11]，翟明杰等[9]运用有限元弹性模型对最大0.9 MPa水压力单支管径比为0.47的垂直贴边岔管进行计算，确定了合理补强板尺寸；郝永志[10]采用弹性模型对最大1.89 MPa水压力单支管径比为0.52的60°贴边岔管进行有限元分析，得出分岔角处应力最大，以此确定补强板尺寸；吴俊杰等[7,11]运用有限元弹性模型对最大1.63 MPa水压力单支管径比为0.2的垂直贴边岔管进行计算，得出以分岔角处控制应力确定补强板厚度和宽度。月牙肋岔管主要用于中、高水头、大管径压力管道[12-16]。根据规范规定，贴边岔管支管与主管的管径比d/D=0.5～0.7，夹角在45°～60°之间[17]，而本工程的贴边岔管单元主管与支管夹角垂直，且贴边岔管与主管的管径比d/D=0.330～0.714，这些特征值均超规范，仅用常规公式计算的结果不能保证工程运行安全。同时，本工程贴边岔管压力水头高，最高水压力为3.5 MPa；支管间距小、数目多，支管数目多为3～6根；主管开孔多且大，主、支管连接处产生应力集中，主支管垂直，且主支管的管径比小，对管道运行安全不利。以往主要针对中、低水头单根贴边岔管进行有限元弹性模型计算，对高水头多根贴边岔管的有限元计算较少，本工程通过整体有限元弹性计算使得高水头岔管中最不利支管的应力满足要求，再逐级量化每个岔口应力，系统地得出了本次岔管单元中每个支管在运行期时所处应力状态，为扬水工程的安全运行提供参考。

2 工程概况

克拉玛依市绿化扬水工程引水流量Q=3.5 m3/s，布置7台水泵，单台泵扬水流量Q=0.5 m3/s；设计扬程H=180 m。进水侧主管管径D进=2.4 m，14根支管管径d进=0.8 m，支管最小间距为0.6 m；出水侧主管管径D出=1.4 m，7根支管管径d出=0.7 m，5根支管管径d出=1.0 m，支管最小间距为1.4 m；过滤器出水侧主管管径D过=1.4 m，5根支管管径d过=1.0 m，支管最小间距为2.0 m；进水侧和出水侧取典型岔管单元进行有限元计算分析，岔管单元具体布置如图1所示。

图1 贴边岔管单元平面布置图

3 研究方法

3.1 计算荷载工况及参数

岔管计算荷载工况以设计内水压力(含水锤)为运行工况(设计工况)，水压试验内水压力为试验工况(校核工况)。1#贴边钢岔管设计内水压力为0.3 MPa，水压试验内水压力为0.375 MPa；2#、3#贴边钢岔管设计内水压力(含水锤)为2.8 MPa；水压试验内水压力为3.5 MPa。

1#岔管拟选用Q345C钢材，2#、3#岔管拟选用Q390C钢材。由于1#钢岔管压力较小，且受施工条件限制，拟采用不贴边方案，初步计算主、支管管壁厚为18 mm，直接开洞焊接。2#岔管初步计算①支管～③支管补强板宽度B=400 mm，④支管～⑥支管补强板宽度B=500 mm，主、支管壁厚t=28 mm。3#岔管初步计算①支管～③支管补强板宽度B=500 mm，主、支管壁厚t=28 mm。依据初拟壁厚和《水电站压力钢管设计规范》(SL281-2003)条文说明中的表12[17]，Q345C钢屈服强度为325 MPa，Q390C钢屈服强度为370 MPa。由于贴边岔管施工难度较大，焊缝施工采用单面焊接，焊缝系数取0.9。依据《水电站压力钢管设计规范》(SL281-2003)中4.1.6条、表6.1.1及表7.2.2[17]，钢材材料本构采用线弹性模型，其特性参数见表1；采用第四强度理论准则(即Mises应力)进行校核，不同工况的允许应力见表2。

表1 钢材材料计算特性参数

表2 不同工况钢材允许应力值 MPa

3.2 计算模型

本工程贴边岔管单元计算三维模型通过Autodesk REVIT建立[18]，再将三维模型导入ABAQUS有限元计算软件，对初拟壁厚和不同工况压力的岔管单元受力基于弹性力学的板壳理论进行分析，主、支管计算边界条件和约束条件取管径的2倍和固端全约束[10,19]，即无轴线位移。内荷载为面力压力作用在钢岔管内壁。网格剖分为四边形超曲面壳单元，1#钢岔管结点总数为10 168，单元总数为3 336；2#钢岔管结点总数为22 366，单元总数为12 484；3#钢岔管结点总数为11 746，单元总数为8 484。岔管平面结构应力控制点分布见图2，1#、2#、3#贴边岔管划分网格后的有限元模型见图3。

图2 岔管平面结构应力控制点分布

4 结果与分析

4.1 应力计算结果

1#、2#、3#贴边岔管单元运行工况及试验工况应力计算结果见表3和4，应力云图见图4～6。

表3 1#、2#、3#贴边岔管单元运行工况应力计算结果 MPa

对表3、4及图4～6的应力计算结果分析如下：

(1) 1#贴边岔管单元主、支管壁厚度t=18 mm，其运行及试验工况的岔管单元所有控制点应力均小于允许应力，满足规范和设计施工要求。1#贴边岔管中①支管～④支管与主管之间的关键点应力依次减小，①支管与主管相交的焊缝处A点应力最大，分析结果表明：由于①支管距离变径处最近，4个支管中越靠近变径处管壁应力越大。1#贴边岔管通过增加管壁厚度提高支管与主管段的刚度，不施加补强板从而达到较低施工难度的方案是合理可行的。

(2) 2#贴边岔管主管壁厚t=28 mm，①支管～③支管补强板B=400 mm，采用外贴形式，④支管～⑥支管补强板B=500 mm，采用一层外贴形式，支管管壁及补强板厚t=28 mm，贴边岔管单元运行及试验工况的管壁所有关键点应力小于允许应力，管壁相关线处的应力满足规范要求，满足设计要求。2#贴边岔管中①支管～⑥支管中，⑥支管与主管相交的焊缝处A点应力最大，该支管受力最不利，只需保证⑥支管应力能够满足规范要求即可。分析结果表明：由于①支管、②支管、④支管、⑤支管间距较小，补强板无形中加大了该管段的刚度，③支管、⑥支管相对独立且⑥支管开口最大，导致应力最大。为了便于材料采购及施工制作，2#贴边岔管主管、支管壁厚t=28 mm，补强板采用一层外贴，宽度B均为500 mm，厚度同管壁厚度。

表4 1#、2#、3#贴边岔管单元试验工况应力计算结果 MPa

图3 划分网格后的有限元模型

图4 1#、2#、3#贴边岔管运行工况应力云图(单位：MPa)

图 6 1#贴边岔管单元不同工况局部应力云图

(3) 3#贴边岔管主、支管壁厚t=28 mm，①支管～③支管补强板宽度B=500 mm，采用一层外贴形式，补强板厚t=28 mm，贴边岔管单元运行及试验工况的管壁所有关键点应力小于允许应力，满足规范和设计要求。在3#贴边岔管单元中①支管～③支管中，③支管与主管相交的焊缝处A点应力最大，该支管受力最不利，只需保证③支管应力能够满足规范要求即可。分析结果表明：由于①支管、②支管间距较小，仅为2 000 mm，补强板无形中加大了该管段的刚度，③支管相对独立导致应力最大。3#贴边岔管单元主、支管壁厚t=28 mm，补强板宽度B=500 mm，采用一层外贴形式，补强板厚t=28 mm，满足设计施工及规范要求。

4.2 有限元分析

由表3和图4可以看出，在运行工况时，管壁各点的应力均满足规范要求。由于开孔越大，主管缺失部分越多，就会导致主、支管补强板夹角处应力越集中且应力越大。通过计算得出岔管单元中应力最大的支管，使其应力满足要求，再逐级量化每个岔口应力，系统地得出了贴边岔管单元中每个钢岔管在运行期时所处应力状态，为供水工程的安全运行提供保证。

由表4和图5、6可以看出，在试验工况时管壁各个点的应力均满足规范要求，且尚有一定的安全贮备空间。从表3、4中可以得出无论是运行工况还是试验工况，补强板焊缝处A、D及K点应力均非常大，管壁应力状态较低，这是由于钢岔管补强板焊缝处属于变截面段，管壁刚度差异明显，当受水压力时局部范围形变量相同，但是沿管壁厚度方向变形积分不一致导致K点的局部拉应力过大，因此，需要严格把关补强板与主、支管焊缝质量，尽量避免局部拉应力过大。

5 讨论

通常，采用有限元计算单根主管与支管的贴边岔管类型较多[7-11]，这与工程布置有关。由图1可知，进水侧主管与14根支管连接、出水侧主管管径与7根支管连接、过滤器出水侧主管管径与5根支管连接，工程布置较复杂。吴俊杰等[7]采用有限元法分别对月牙肋岔管、贴边岔管单独布置和月牙肋岔管与贴边岔管联合布置进行计算分析，受力最不利点位置均为支管与主管相交处，但联合计算应力值较小。因此，本工程贴边岔管均取相应主管与支管连接最多、支管间距最小的最不利单元进行有限元计算，避免建立整体模型的复杂性，简化了计算过程，提高了设计效率，但结果稍偏安全。为了以后类似工程计算模型的建立、节省投资及对比分析，可分别将主管与单根支管、主管与小间距支管、主管与其全部支管建立整体有限元模型进行计算，将计算结果进行对比分析，提出最优计算模型，提高计算效率。同时考虑其联合受力，可优化主管、支管、补强板厚度，甚至可能减小主管、支管镇墩结构尺寸和锚筋长度，优化支管布置和泵房布置，节省投资，建议类似工程可进行整体岔管有限元计算。