貼邊岔管設(shè)計探討

吳 均

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院,烏魯木齊 830000)

文章編號：1006—2610(2015)03—0077—03

貼邊岔管設(shè)計探討

吳 均

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院,烏魯木齊 830000)

對于大型貼邊岔管設(shè)計宜采用有限元法計算，但對于中、小型貼邊岔管設(shè)計可采用面積補償法、圓環(huán)法等結(jié)構(gòu)分析方法計算。文章結(jié)合工程實例，對中、小型貼邊岔管設(shè)計采用幾種結(jié)構(gòu)分析方法進行計算對比，并用有限元法對計算結(jié)果進行驗證。結(jié)果表明，采用面積補償法、圓環(huán)法等結(jié)構(gòu)分析方法計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果是一致的。

水電站;貼邊岔管;結(jié)構(gòu)分析;有限元

0 前 言

新疆某水電站工程主要任務(wù)是發(fā)電和發(fā)電反調(diào)節(jié)，工程裝機規(guī)模為100 MW(2×35 MW+2×15 MW)，采用大小機。引水隧洞采用一洞四機的供水方式，岔管采用對稱Y型岔，其中鋼襯段主管直徑為6.2 m，支管直徑為3.4 m(大機)和2.4 m(小機)。

在施工階段，業(yè)主提出為滿足工程管理區(qū)和下游林地的用水要求，工程建成后需要從壓力管道(鋼襯鋼管段)上開孔取水。經(jīng)計算，取水口管管徑為400 mm，對應(yīng)的取水口直徑也選為400 mm。此時，壓力鋼管已經(jīng)制作安裝完成，經(jīng)綜合考慮，取水管與已制作安裝完成的鋼管宜采用貼邊岔管形式。由于受交通及其他建筑物布置限制，最終取水口布置在壓力鋼管主管段上。

1 貼邊岔管結(jié)構(gòu)分析計算方法

目前，貼邊岔管計算方法較多，本文結(jié)合新疆某水電站工程貼邊岔管設(shè)計實例，對中、小型工程貼邊岔管設(shè)計計算常用的面積補償法、圓環(huán)法等結(jié)構(gòu)分析方法進行了對比，并用有限元對計算結(jié)果進行了驗算[1-6]。

該水電站工程貼邊岔管主管直徑6.2 m，取水管直徑0.4 m，岔管處設(shè)計水頭為120 m(含水擊壓力)，主管壁厚為26 mm。由于該取水管垂直于主管布置，取分岔角為90°。主管及取水管管材均為Q345R鋼。

1.2 面積補償法

面積補償法在中、小型貼邊岔管設(shè)計中是一種應(yīng)用較廣的方法。面積補償法是在管道破口處增加補強板，確定補強板尺寸時沿主管軸線的縱剖面，在主管的破口處補強板截面積Ad不小于主管破口截面積Ae；補強板厚度td為主管壁厚t的1.0～1.3倍，如圖1所示。

圖1 面積補償法計算結(jié)構(gòu)示意圖

依據(jù)補強板尺寸確定方法，可事先初擬補強板的尺寸，再根據(jù)以下經(jīng)驗公式，計算貼邊岔管銳角貼邊外緣最大主應(yīng)力值。

(1)

(2)

式中：t為主管壁厚,取26 mm；p為內(nèi)水壓力設(shè)計值,N/mm2；d、D分別為支、主管軸線交點處的直徑,取400 mm和6 200 mm；α2、α1分別為支、主管半錐頂角,均都取為0°；β為分岔角,取90°；σ0為主管膜應(yīng)力,N/mm2；σ為孔口局部應(yīng)力,N/mm2。

初步擬定補強板尺寸：寬為300 mm，厚度與主管壁厚一致，均為26 mm，材質(zhì)與主管同。經(jīng)計算，補強后主管最大膜應(yīng)力為157.5 MPa，銳角貼邊外緣最大主應(yīng)力為73.9 MPa，都小于鋼材極限抗力限值187.5 MPa。其中主管最大膜應(yīng)力接近鋼材極限抗力限值，材料得到了比較充分的利用，說明初步擬定的補強板尺寸是比較合理的。

1.3 圓環(huán)法

在臨床治療中,婦科腹腔鏡手術(shù)是首選的手術(shù)治療方法。婦科腹腔鏡手術(shù)方法具體眾多優(yōu)點,如手術(shù)安全性高、手術(shù)中出血量小、手術(shù)后恢復(fù)快等,從而有利于患者術(shù)后康復(fù)。但是婦科腹腔鏡手術(shù)效果與麻醉技術(shù)有著密切關(guān)系,因此在實施腹腔鏡手術(shù)過程中,麻醉至關(guān)重要[2][3]。

圓環(huán)法也是中、小型貼邊岔管設(shè)計中一種應(yīng)用較廣的方法，其計算簡圖如圖2所示。

圖2 圓環(huán)法計算結(jié)構(gòu)示意圖

圓環(huán)法計算原則是把補強板當(dāng)作一圓環(huán)加勁結(jié)構(gòu)，豎向荷載pr為主管破口處的不平衡力，橫向荷載則為主管管壁對補強板變形產(chǎn)生的約束力。

在確定管壁破口處應(yīng)力時，需要先明確管壁破口處最大彎矩和最大拉應(yīng)力。 管壁破口處最大彎矩和最大拉應(yīng)力可依據(jù)下列公式計算：

(3)

N=prrd

(4)

管壁破口處環(huán)向應(yīng)力可依據(jù)下列公式計算：

(5)

(6)

式中:M為彎矩,N·mm;N為軸拉力,N；r為主管半徑,取3 100 mm;rd為圓環(huán)中心半徑,取350 mm；p為內(nèi)水壓力設(shè)計值,N/mm2;σ1、σ2分別為環(huán)向應(yīng)力,N/mm2；A為補強板加勁結(jié)構(gòu)有效截面積,mm2；Z為補強板有效截面上計算點至重心軸的距離,mm；I為補強板有效截面對重心的慣性矩,mm4。

用圓環(huán)法計算時，補強板尺寸采用經(jīng)面積補償法計算后確定的補強板尺寸。即補強板寬為300 mm，厚度與主管壁厚一致，均為26 mm，材質(zhì)與主管同。經(jīng)計算，補強后管壁破口處的最大應(yīng)力為172.2 MPa，小于鋼材極限抗力限值187.5 MPa，說明初步擬定的補強板尺寸是比較合理的。

1.4 人孔補強法

為了便于對壓力鋼管進行檢修及維護，在較長的壓力鋼管上經(jīng)常會留有進人孔。在進人孔頸管與主管銜接處，也會在主管破口處采用補強板進行補強。人孔補強法主要是參照鋼管進人孔設(shè)計方法，人孔補強法適用于下列條件的孔口。

(1) 鋼管內(nèi)徑D≤1 500 mm，開孔允許的最大直徑d≤1/2D；同時d不允許超過500 mm。

(2) 鋼管內(nèi)徑D>1 500 mm，開孔允許的最大直徑d≤1/3D；同時d不允許超過1 000 mm。

本文所例水電站主管內(nèi)徑D=6 200 mm，開孔處直徑d=400 mm，d≤1/3D，進水管軸線與鋼管主管軸線垂直，也可用進人孔設(shè)計方法進行計算。

補強板焊接在孔周管殼外緣，板面彎曲，曲率同鋼管外殼，內(nèi)緣與頸管外壁焊接。當(dāng)補強板采用厚度與管壁相同時補強板外徑D2由下式?jīng)Q定：

(7)

(8)

式中：D2為補強板外徑，mm；Dk為支管內(nèi)徑,mm；其余符號意義同前式。

補強板壁厚和主管壁厚一致，均為26 mm，經(jīng)計算，補強板外徑D2約為677 mm，小于用面積補償法和圓環(huán)法計算確定的補強板外徑D2(1 000 mm)。所以，補強板尺寸最終用面積補償法和圓環(huán)法計算確定。

確定補強板外徑D2后，可按下式初步判斷擬定的D2及t1能否滿足要求。

(9)

式中：t1為補強板厚度,mm；t2為支管壁厚，取8 mm；φ為焊縫系數(shù)，取0.9；其余符號意義同前式。

經(jīng)計算，式(9)不等式左邊數(shù)值為16 061 mm2，右邊數(shù)值為10 608 mm2，左邊大于右邊，滿足不等式。可見補強板尺寸選取是合適的。

2 計算結(jié)果驗證

針對上述結(jié)構(gòu)分析法確定的補強板厚度及寬度，用有限元法進行復(fù)核驗算。計算模型長度為主管直徑的1.5倍(以岔管中心為起點向上游或者向下游計算)，邊界條件采用全約束(即水平豎向位移和轉(zhuǎn)角)，網(wǎng)格劃分采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為提高計算精度，在岔管補強處對網(wǎng)格進行了局部加密。計算模型網(wǎng)格劃分及應(yīng)力云圖如圖3、4所示。

從圖4知，岔管貼邊補強處最大主應(yīng)力為169.1 MPa，小于鋼材極限抗力限值187.5 MPa，說明通過結(jié)構(gòu)析方法所選取的補強板厚度和寬度是合適的。

3 結(jié) 語

(1) 貼邊岔管設(shè)計幾種結(jié)構(gòu)分析計算方法的計算結(jié)果和有限元計算結(jié)果可以看出，在取上述補強板寬度和厚度的情況下，主管破口處應(yīng)力、貼邊外緣最大主應(yīng)力、主管膜應(yīng)力、貼邊補強處最大主應(yīng)力均接近但小于鋼材極限抗力值，說明通過結(jié)構(gòu)分析法確定的補強板結(jié)構(gòu)尺寸取值是比較合理的。

圖3 計算模型網(wǎng)格劃分圖

圖4 計算模型應(yīng)力云圖

(2) 對中、小型工程，在設(shè)計貼邊岔管時，采用結(jié)構(gòu)分析法確定補強板的厚度及寬度是可行的。

[1] DL/T 5141-2001,水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國電力版社，2001.

[2] SL 281-2003,水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2003.

[3] 王巧紅,李文召.嵊州引水工程貼邊岔管方案的有限元計算[J].浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報,15(2):35-37.

[4] 榮譽,陳潔.岳城水庫供水工程貼邊岔管設(shè)計[J].水利水電工程設(shè)計,1999，(3):7-8.

[5] 水電部水利水電規(guī)劃設(shè)計院.水電站機電設(shè)計手冊(金屬結(jié)構(gòu))[M].北京：水利電力出版社，1991.

[6] 黃希元,唐怡生.小型水電站機電設(shè)計手冊[M].北京：水利電力出版社，1989.

Study on Design of Welted Bifurcated Penstock

WU Jun

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000,China)

The finite element method is applied for design of large-scaled welted bifurcated penstock. For small and medium-sized welted bifurcated penstocks, the structural analysis methods such as area compensation method, ring method and etc can be applied for calculation. In combination of engineering practice, several structural analyzing methods for design of small/medium-sized bifurcated penstocks are compared. The corresponding results are verified by results by the finite element method. The comparison presents that the results by area compensation method, ring method, etc are in compliance with those by the finite element method.

hydropower station; welted bifurcated penstock; structural analysis; finite element

2015-03-19

吳均(1979- ),男,四川省遂寧市人，工程師，從事水工設(shè)計研究工作.

TV674

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.022