抽水蓄能電站月牙肋岔管設計與分析

方子帆 吳德新 肖華攀 李 輝

（三峽大學 機械與材料學院，湖北 宜昌 443002）

岔管是水電站地下工程的關鍵部位之一，由于其結構形狀復雜，受力狀態不明確，其結構設計歷來為人們所重視.月牙肋岔管在各個方面較其他形式的岔管具有水頭損失小等優勢，隨著我國水電事業的發展，內加強月牙肋岔管得到了廣泛的應用.根據我國電力行業標準《水電站壓力鋼管設計規范》的規定，對于岔管一般應做水壓試驗，這樣一方面可以檢查岔管是否有滲漏現象，另一方面可以減小或消除在岔管成型過程中產生的殘余內應力［1］.在進行水壓試驗時，需要用封頭和岔管焊接，由于岔管的本體材料一般為高強度鋼，而封頭則選擇較經濟的鋼材，有必要對封頭特別是接頭處的強度進行校核.水壓試驗支架的布置形式能在很大程度上影響試驗結果，選擇合理的支撐形式可以得到更接近岔管真實受力情況的試驗結果.

1 月牙肋岔管設計參數

1.1 觀測點參照標準

某電站岔管為Y形對稱內加強月牙肋岔管.岔管的最大設計內水壓力為9.06MPa，主管直徑4 554 mm，支管直徑3 137mm，分岔角70°，月牙肋采用140 mm厚B780CF鋼板，管殼鋼板材質為70mm厚B780CF鋼板，彈性模量E1＝2.06×105MPa，泊松比υ1＝0.3，重度γ1＝7.85×10－5N／mm3.水壓試驗工況管殼與肋板鋼材的力學性能參數見表1.參照標準［2］對岔管受力區域進行分類，計算岔管與肋板各受力區域的鋼材許用應力，列于表2.

表1 鋼材力學性能參數

表2 鋼材的抗力限值（允許應力） （單位：MPa）

1.2 封頭設計方法

進行岔管水壓試驗所需封頭可按GB150－2011進行設計.在試驗中選擇非標準橢圓封頭，封頭最大允許工作壓力［pw］的計算公式為

式中，Di為封頭內直徑；hi為封頭曲面深度；δe為悶頭計算厚度；［σ］t為設計溫度下悶頭材料的許用應力；φ為焊接接頭系數，根據GB150－2011，雙面焊焊接接頭系數取0.95，單面焊焊接接頭系數取0.9；K為形狀系數，該非標準橢圓悶頭形狀系數為

進水端封頭內徑DiA＝4 554mm，厚度δeA＝78 mm，采用雙面焊焊接；出水端兩封頭的內徑DiB＝DiC＝3 137mm，厚度δeB＝δeC＝78mm，岔管B端封頭單面焊焊接，C端封頭雙面焊焊接；封頭的材料選擇Q345R鋼板，其彈性模量E2＝1.92×105MPa，泊松比v2＝0.3，重度γ2＝7.85×10－5N／mm3.

1.3 支架布置方式

岔管水壓試驗采用金屬滾球支架，由于有金屬滾球的存在，水壓試驗時支架對岔管在水平面上的約束很小，這樣較文獻［1］中支架的布置方式更有利于得到接近岔管真實的受力情況.支架的布置方式如圖1所示（俯視圖）.

圖1 支架布置圖

整個支撐由底座，支架和擋板組成，支座底板與擋板之間留有10～15mm間隙，另一側不設置擋板，如圖2所示.

圖2 金屬滾球支架示意圖

2 有限元分析

2.1 計算模型

計算模型采用笛卡爾直角坐標系，XOZ面為水平面，坐標原點位于主錐管與支錐管公切球球心處，X軸指向主錐管為正，Y軸豎直向上為正，坐標系為右手系.有限元模型包括岔管管殼，月牙肋，進出水口封頭和支架，模型采用SOLID45單元模擬.

由于該岔管用于高水頭電站，載荷模型未考慮結構自重和管內水重，故在岔管和封頭的內表面施加均布載荷.支架與岔管連接處采用公共節點.模型約束施加在支座底板的節點上，其中底座節點施加單方向約束和位移約束.圖4所示的有限元模型的正向視圖位于整體坐標系的XOY平面內，約束的具體添加方式為：旋轉工作平面，使得工作平面的Z軸指向擋板，Y軸方向不變，設置工作平面所在坐標系為當前坐標系，然后將需要施加約束的節點的坐標系設置為當前坐標系進行約束加載［3］.如圖4所示，同一支架底座節點施加Y方向約束（擋板平面與水平面交線方向，Y向），垂向施加位移約束（Z向）.

岔管水壓試驗實體模型和有限元模型在ANSYS中建立，為了便于劃分網格，對實體模型進行了適當分割，然后進行映射網格劃分，圖3和圖4分別為岔管水壓試驗整體網格圖和有限元模型.

圖3 整體模型網格劃分

圖4 有限元計算模型

2.2 計算結果

2.2.1 岔管應力分析

根據《水電站壓力鋼管設計規范SD 144－85》的規定，岔管各點的計算應力應滿足以下條件：

式中，σx、σθ分別為軸向、環向正應力（以拉為正）；τxθ為剪應力；φ為焊縫系數；［σ］為相應計算情況的允許應力.

岔管各管節母線轉折處容易產生局部應力集中現象，是局部膜應力的控制點［4］，肋板是小偏心受拉構件，截面內側應力往往最大，故將這些控制點作為應力結果整理的關鍵點，本工程還在管殼與肋板連接處、主支錐管相貫線處布置測點，尤其是I點和K點，關鍵點位置如圖5所示.

圖5 水壓試驗應力控制點

由于岔管體型的設計是在考慮聯合承載條件下設計的，按照明管校核時管壁厚度和肋板尺寸不足以承擔1.25倍的設計內水壓力.根據若干次計算，提出了所有關鍵點滿足明岔管水壓試驗抗力限值的水壓試驗壓力值，數值為8.9MPa，主要由岔管K點內表面應力控制，整理了岔管的Mises等效應力云圖和變形云圖，如圖6～7所示.將圖5所示的各關鍵點及肋板最大截面處內外側兩點的Mises等效應力值分別列于表3，結果表明可按此方案進行水壓試驗.

表3 有限元模型關鍵點應力 （單位：MPa）

圖6 岔管等效應力云圖

圖7 岔管變形云圖

2.2.2 封頭應力分析

岔管和封頭的制造分別采用了不同材質的鋼板，且在連接處，岔管與封頭的內徑、板材厚度各不相同，為了保證水壓試驗的安全進行，需要對封頭進行強度校核，特別關注連接處的應力分布情況.由于本文不是進行焊接機理分析，所以只是在網格劃分時對封頭和岔管分別設置材料參數以區分不同的材料，計算結果按照式（3）進行校核.考慮到實際工程中，岔管與封頭連接處可能不是圓滑過渡，故在岔管B端與封頭連接處的內表面錯位6mm建模，分析應力集中的極端情形.分析結果表明，封頭的峰值應力出現在焊接接頭處，但B、C端封頭應力分布基本一致，說明過渡段的形態不是產生峰值應力的主要原因，峰值應力是由結構的整體空間形態決定的.

圖8 B端封頭等效應力云圖

圖9 C端封頭等效應力云圖

3 結 語

以月牙肋岔管水壓試驗設計與分析為研究對象，采用金屬滾球支架，設計了水壓試驗用封頭.在ANSYS中建立了岔管、封頭及支架模型，模型中采用位移約束模擬滾球支架與擋板組合體.對岔管和封頭進行了強度校核，計算結果與水壓試驗結果基本一致，對水電站鋼岔管設計與分析具有一定的參考價值.

［1］ 伍鶴皋，汪艷青，蘇 凱，等.內加強月牙肋鋼岔管水壓試驗［J］.武漢大學學報：工學版，2008，41（5）：35－39.

［2］ SL281－2003.水電站壓力鋼管設計規范［S］.北京：水利電力出版社，2003.

［3］ 曾 攀.工程有限元方法［M］.北京：科學出版社，2010.

［4］ 胡木生，張偉平.水電站壓力鋼岔管水壓試驗應力測試［J］.水力發電學報，2010，29（4）：184－188.