青海橋頭鎮供水工程四通無梁岔管設計

楊興義，劉 宇，陳亞琴

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

橋頭鎮供水工程位于青海省西寧市大通縣寶庫鄉與新莊鄉境內的黑泉水庫下游寶庫峽中。橋頭鎮供水工程作為黑泉水庫的延伸工程，與西寧市第七水廠聯接，在不影響水庫給第七水廠供水的基礎上，為了充分利用水能，以供水效益最佳為目標，工程應盡可能多發電。橋頭鎮供水工程電站總裝機規模15MW，共3臺機組，單機容量5MW。

引水系統采用一管三機供水方式，明壓力鋼管末端接一四通鋼岔管，由岔管通過三條支管分別向三臺水輪機供水。主管管徑2.5m，三條支管管徑均為1.4m，分岔角為120°(兩支管分岔角為60°)。四通岔管水平布置并埋設在鎮墩中。

2 基本資料

根據本工程鋼岔管的實際情況，岔管采用Q345R鋼，查有關資料和SL281－2003《水電站壓力鋼管設計規范》，鋼材允許應力按基本荷載和特殊荷載，并考慮焊接殘余應力的影響，取焊縫系數φ=0.95，取σs=325MPa，得到鋼材允許應力(見表1)。分岔管處最大設計內水壓力為150m(含水擊壓力)。

表1 鋼材允許應力 MPa

對分岔管進行兩個工況的計算:

(1)正常運行工況。正常發電，運行時機組因故緊急關機情況，荷載組合為:內水壓力(含水擊壓力)——基本荷載組合。

(2)水壓試驗工況。荷載組合為:最大內水壓力(含水擊壓力)的1.25倍+悶頭壓力——特殊荷載組合。

3 四通無梁鋼岔管三維有限元分析

3.1 計算模型

模型計算范圍的確定按不影響鋼岔管單元應力、應變分布和滿足足夠的精度要求考慮。按規范規定，模型在主管和支管端部取固端全約束，為了減小約束端的局部應力影響，主、支管段軸線長度從公切球球心向上、下游分別取最大公切球直徑的1.5倍左右，為4.5m。鋼岔管網格剖分全部采用ANSYS中四節點板殼單元。由于管徑較小，直管或錐管段沿圓周劃分成32等份。

有限元模型建立在笛卡爾直角坐標系坐標(X，Y，Z)下，X軸水平，指向上游為正;Y軸鉛直向上為正;Z軸水平向左(面向下游)為正，坐標系成右手螺旋，坐標原點位于主錐管與支錐管公切球球心處。鋼岔管運行工況計算網格見圖1。

3.2 計算方案

按照規范解析法初步確定鋼岔管的管壁厚度和體形后，采用有限元法對解析法確定的岔管體形和管壁厚度進行復核。然后在此基礎上，對鋼岔管的管壁厚度進行優化計算，最終得到滿足鋼材允許應力的管壁厚度。相應的計算方案列于表2。

3.3 成果分析

根據計算結果，將圖2所示各關鍵點的Mises應力值列于表3。

表2 岔管計算方案及有關參數

圖1 岔管運行工況有限元網格

圖2 岔管關鍵點位置示意

表3 鋼岔管管殼關鍵點Mises應力值

在初設方案的基礎上，將鋼岔管最大管殼厚度減為20mm，管殼應力已經很接近鋼材的允許應力，個別點應力值甚至超出了鋼材的允許應力。從表3可以看出，優化后的鋼岔管管殼部分最大Mises應力達263.8MPa，出現在支錐管B和支錐管C的母線轉折處，超出了鋼材的允許應力(局部膜應力區為247MPa)17MPa左右。根據規范規定，當采用有限元法計算峰值應力時，其允許應力取值可以適當提高。結合本工程的實際和上述規定，本工程岔管壁厚采用20mm可以滿足結構強度的要求。

在管端施加悶頭，對鋼岔管進行水壓試驗工況的計算，試驗水壓力為1.75MPa(1.4MPa的1.25倍)。從表3可以看出，在水壓試驗工況下，鋼岔管管殼部分最大Mises應力達353.4MPa，也出現在支錐管B和支錐管C的母線轉折處鈍角區，已經超過了特殊荷載組合工況下鋼岔管的鋼材允許應力(局部應力區為309MPa)，也超過了鋼材的屈服強度325MPa，說明優化后的管壁厚度要滿足水壓試驗壓力1.75MPa的要求仍有一定困難。試驗時可適當降低水壓試驗壓力，確保結構安全。

4 錐殼片取代球殼片方案

4.1 錐殼片構造設計

從三維有限元計算分析可以看出，無梁岔管球殼部位受力比較均勻，如果單從受力條件看，應該首選球殼。但對于體形尺寸比較大的無梁岔管，其球殼片的制作需要專用的模具，制作工藝復雜、難度大。為了解決以上難以克服的問題，本工程采用了無球殼片異形無梁岔管結構，用錐殼片替代了無梁岔管的球殼片。

該種結構形式岔管的錐殼片構造設計原理見圖3。圖中A'A為主錐管腰線，B'B為支錐管腰線，O為主支錐管軸心線的交匯點，即主支管相交的最大公切球球心，A、B分別為最大公切球(半徑R0)同主支錐管的切點，AC、BD分別為順主、支錐管漸擴方向設置的錐殼片。圖中各參數有如下關系:

式中 αi——沿主管方向錐殼片半錐頂角;

αsi——沿支管方向錐殼片半錐頂角;

Δi——錐管(殼)之間的母線折角;

Li——第i組錐殼體腰線節距。

圖3 錐殼片同錐管節幾何關系示意

結合錐殼體折角大小Δi，錐殼體焊縫最小間距的要求，擬定出合適的整個岔管錐殼片組合的組數。同主管錐管直接相接的錐殼體，組成第1組錐殼片，依此為第2組…第i組。每一組錐殼片的公切球球心與岔管的最大公球球心重合，同一組錐殼片內，以及每一錐殼片同其相鄰的上、下錐殼片之間，都符合公切球幾何關系，所以每一塊錐殼片與其上下左右錐殼片之間的相交線都為平面曲線。

從式(3)可見，同一組錐殼片與其相鄰的上一組或下一組錐殼片的母線折角相同。隨著錐殼片組數的遞增，各組錐殼片的公切球半徑逐漸減小，主錐管同各支錐管軸線方向上的錐殼片的半錐頂角在不斷減小的過程中互相趨近。在最后一組錐殼片交匯部位，為避免焊縫集中，用一斜板封頂，這樣，就在岔管中心部位的頂(底)構造了一個近似球面的錐殼片組合曲面。顯然，岔管體形越大，可以構造出符合焊縫間距要求的錐殼片組數愈多，錐殼片之間的聯接折角越小，曲面體的受力情況與球殼面越接近。

表4 錐殼片有關參數

圖4為本工程采用錐殼片取代球殼片后的四通鋼岔管體形，頂(底)部的曲面分別由2組共8塊錐殼片和一塊封頂板組成，所有錐殼片之間的折角均等于13°。具體參數列于表4。

4.2 應力分析

圖4 錐殼片取代球殼片示意

據表4設計的錐殼片體形尺寸和表2基本管節厚度參數，采用有限元法對錐殼片取代球殼片方案進行應力分析(見圖5、6)。從圖5可見，膜應力區管殼應力已接近鋼材的允許應力，管殼部分最大Mises應力達287MPa左右，出現在支錐管B和支錐管C的母線轉折處，超過了明鋼岔管的鋼材允許應力(局部膜應力區為247MPa)40MPa。說明當岔管錐管壁厚采用20mm、錐殼片厚度采用22mm時，材料強度已不滿足明鋼岔管的受力要求。但本工程鋼岔管埋設于3號鎮墩中，并不完全暴露在空氣里，按明管設計本身安全系數就有一定富裕。如考慮外包混凝土及敷設的鋼筋共同承擔內水壓力，管殼應力集中可得到很大的改善。根據規范規定，其允許應力取值可以適當提高。本工程岔管錐管壁厚采用20mm、錐殼片厚度采用22mm，是可以滿足結構受力要求的。

5 結 語

圖5 錐殼片方案管殼Mises應力(MPa)

圖6 錐殼片轉折處Mises應力(MPa)

本文針對橋頭鎮供水工程電站的具體情況，采用三維有限元對四通無梁明鋼岔管的應力進行了計算分析。經過多種結構方案和計算工況的比較，推薦采用的異型無梁岔管應力狀態良好，滿足結構強度的要求。鑒于異型無梁岔管對水流流態的影響較大，為減小水頭損失，應設導流板。工程實際應用表明，異型無梁岔管施工工藝簡便、造價低、安全可靠。

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