水电站多锥节平底月牙肋钢岔管设计

韩晓凤

(中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，广西 南宁 530023)

0 引 言

钢岔管作为水电站引水系统中的管道分岔结构，是衔接主管与各支管的特殊异形管段。钢岔管的主要形式有三梁岔管、月牙肋岔管、球形岔管、无梁岔管等[1-2]。其中，月牙肋岔管是在三梁岔管基础上发展而来的，其体形采用多锥节平滑过渡，取消了三梁岔管中的主锥和支锥之间的腰梁，只用一个基本嵌入管体的月牙形肋板作为加强构件代替三梁岔管的U梁。较三梁岔管，月牙肋岔管没有突出岔管之外的腰梁和U梁，管节之间转角较小，因此结构尺寸小，水流流态好，目前应用较广泛。常规的月牙肋钢岔管设计虽然复杂，但随着三维设计手段的推广，设计较成熟，已经走向了参数化和模板化设计[3-5]。

目前工程中设计的钢岔管是将主管、岔管、支管的管轴线布置在同一个水平面内，即岔管整个体形是以管道轴线所在水平面为对称面的上下对称结构，使得岔管底部向下凹，在实践中不可避免地带来地下洞室开挖、混凝土浇筑、管内积水排水，管内检修场地不便等问题。采用底部同高程的平底岔管是解决上述问题的可行途径，傅金筑等[6]提出一种平底等截面积的钢岔管，其岔管段体形呈圆饼形，顶部和底部为圆形平面，周围为半个圆环面，可以接多个圆柱形支管；汪洋等[7]基于传统三梁岔管提出一种平底钢岔管，其管身段包括圆柱形主管、支锥和支管，由圆柱曲面和圆锥曲面直接相贯，将支锥管的轴线倾斜后，形成平底，加强结构包括腰梁和U梁。

本文在传统月牙肋钢岔管基础上，提出了一种新型的平底月牙肋钢岔管，该结构由多个主锥管锥节、支锥管锥节和月牙肋组成。该岔管体形光滑，无需腰梁，仅设主体在岔管内部的不对称月牙肋，使得平底岔管的体形和应用条件得到改善。

1 多锥节平底月牙肋钢岔管的设计

1.1 体形设计的关键环节

传统月牙肋钢岔管的主管、主锥管、支锥管、支管的管轴线在同一个水平面，沿主管和一条支管轴线的剖面如图1a所示。岔管是上下对称结构，对称面即为轴线所在水平面，相邻管段有公切球保证管段交线为平面曲线。由于这种对称特点，传统月牙肋岔管相邻锥管的相贯线可以在管轴线所在的水平面上用几何做图法或解析法得出[8]。也正是由于上下对称的特点，使得岔管底部下凹，特别是管径较大时，带来前述施工和应用不便的问题。为了解决传统月牙肋岔管底部的下凹问题，本文多锥节平底月牙肋钢岔管的主管、主锥管、支锥管、支管的底部将保持在同一个水平面，如图1b所示。由此，该岔管各管节的轴线不在同一水平面，是非对称的结构。岔管必须经过水压试验证其安全性，岔管是按压力容器的标准设计的[9-10]，所以看似仅发生底部变平的较小变化，实际上却带来了非常复杂的空间几何变化问题。由图1b可知，轴线不在同一水平面的锥管两两相贯，只有使相邻管段存在公切球，才能保证相贯线为平面曲线，保证月牙肋是平面的。这是体形设计的关键点和难点。

图1 岔管沿主管和一条支管轴线的剖面对比

1.2 平底岔管体形特征与参数

本文借助三维设计CATIA软件，采用空间解析几何做图法，构建了多锥节平底月牙肋钢岔管三维模型，解决了轴线不在同一水平面的锥管两两相贯成平面曲线的问题，如图2所示。多锥节平底月牙肋钢岔管由管体段和月牙肋组成，其中管体段包括主管圆柱段、多个主管过渡锥段、主锥管段、支锥管段、多个支管过渡锥段和支管圆柱段，不对称的月牙肋板置于岔管内部。

图2 多锥节平底月牙肋钢岔管的组成

多锥节平底月牙肋钢岔管的体形参数主要包括平面参数、立面参数和厚度参数。具体为①平面参数包括主管半径r0、半径比R0/r0(最大公切球半径R0与r0的比值)、支管半径ri、分岔角β、各锥管半锥角αi、管节长度sij；②立面参数包括相邻锥管的轴线夹角θi；③厚度参数有管壁厚度t0。

1.3 月牙肋体形特征与参数

与传统月牙肋岔管不同，由于平底月牙肋钢岔管是非对称结构，其月牙肋也是非对称结构，如图3所示。月牙肋外缘曲线由两支锥管相贯线向外平移一定距离获得，内缘曲线由若干个控制肋板宽度的点，用样条曲线拟合。月牙肋的体形参数主要包括月牙肋厚度tw、肋板外缘距相贯线距离rw、肋板截面宽度BT、BT1、BT2。

图3 不对称月牙肋体形示意

2 管节展开图的制作方法

管节展开图是施工详图的关键部分，是加工下料的依据。由于结构的不对称，平底月牙肋钢岔管的管节展开图也是不对称的。图4选取主锥管段和2个支锥管段说明管节展开图的绘制方法，其中阴影部分是展开图。借助CATIA软件的曲面展开功能沿指定的断开处展开，并自编二次开发程序，自动读取展开图中曲线上定义的足够数量的散点坐标，生成高精度的展开点坐标表格供加工使用。管节曲面全部展开后，自动读取曲面面积和材料属性，统计工程量，快速生成材料表。

图4 管节展开过程示意

3 工程应用

3.1 岔管模型与基本参数

老挝某工程高压岔管为非对称Y形岔管，主管管径3.6 m，支管管径2.4 m，最大公切球直径4.32 m，支管分岔角65°。设计水头900 m，管壁厚64 mm，肋板厚150 mm。管节和月牙肋均采用S690 QL高强钢材，钢材屈服强度σs=630～690 MPa，抗拉强度σb=900～940 MPa。

考虑2种岔管设计方案，方案1是传统月牙肋钢岔管，方案2是本文提出的多锥节平底月牙肋钢岔管。2种方案的岔管体形参数基本一致，不同之处是①立面上锥管的轴线平角不同，方案1是在同一平面，夹角θi=0；方案2θi=2°～9°。②肋板的宽度不同，方案1中Bt=0.80 m；方案2中Bt=1.95 m。

图5为方案2多锥节平底月牙肋钢岔管的三维模型示意。

图5 多锥节平底月牙肋钢岔管三维模型示意

3.2 岔管应力分析比较

将2种设计方案的钢岔管进行结构有限元分析，采用壳单元离散管身，实体单元离散月牙肋板，按照明钢管单独承担水压力分析应力。

3.2.1 应力的分布特点和控制部位

经计算，在正常运行工况下，2种方案钢岔管应力分布的共同点是在相邻管节的交界线附近有局部应力集中现象，管身的最大局部应力控制部位在主锥管和支锥管相交处，即腰线转折角处。肋板的最大应力发生在内边缘。不同点是传统岔管的应力分布上下对称，月牙肋的最大应力位于中部。平底岔管的应力分布上下不对称，管底处的应力大于管顶，月牙肋的最大应力偏于管底位置。图6给出了多锥节平底岔管管身和肋板的应力分布云图。

图6 多锥节平底月牙肋岔管等效应力云图(单位：MPa)

3.2.2 应力校核情况

表1 管壳和月牙肋最大等效应力 MPa

3.3 管节展开图和工程量统计

按照前述管节展开方法，以图4b左支锥管段为例，自动读取展开图中曲线上自定义的足够数量的散点坐标，生成高精度的放样点坐标表格供加工使用，如图7所示ED曲线段的坐标。同样，对应于图3，月牙肋外缘曲线和内缘曲线的放样点坐标表格如图8所示。自动计算展开图面积统计工程量，计算出本工程平底钢岔管净质量约为118 t。

图7 典型管节展开图和放样点坐标(单位：mm)

图8 多锥节月牙肋体形及放样点坐标(单位：mm)

4 结 语

本文提出了一种水电站多锥节平底月牙肋钢岔管，该岔管形式由多个主锥管锥节、支锥管锥节和不对称月牙肋组成，该结构既保证了整个岔管底部在同一水平面，又能满足轴线不在同一水平面的锥管两两相贯成平面曲线。通过实现三维体形建模设计、有限元分析、自动绘制管节展开图、自动输出管节和月牙肋放样点坐标表等关键环节，完成一整套设计工作。工程应用实例表明，平底月牙肋钢岔管受力较均匀，由于结构的不对称性，月牙肋宽度较传统对称月牙肋略大，方案可行，有望在水利水电工程中推广应用。