肋板形狀對月牙肋鋼岔管應力影響的研究

胡馨之,伍鶴皋,石長征,蘇 凱

(武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北武漢430072)

肋板形狀對月牙肋鋼岔管應力影響的研究

胡馨之,伍鶴皋,石長征,蘇 凱

(武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北武漢430072)

結合某水電站月牙肋鋼岔管的工程實際,利用自主研發的月牙肋岔管體形設計程序和ANSYS軟件,對岔管結構進行三維有限元計算,得到了不同分岔角下各肋板方案的計算結果,對比了管殼及肋板關鍵點的應力,討論了不同肋板形狀對肋板應力分布及管殼應力的影響。研究認為,管殼最大應力在肋板內緣曲線為橢圓曲線時較小,肋板水平截面應力在肋板內緣曲線為橢圓曲線,外緣曲線相對于相貫線偏移不等寬時較小,同時應力分布更加均勻,有利于發揮鋼材的作用。

月牙肋鋼岔管；體形設計；肋板形狀；管殼；肋板；有限元；應力

1 問題的提出

內加強月牙肋岔管是在三梁岔管的基礎上發展而來的一種岔管結構形式,其特點是采用嵌入管內的月牙形肋板代替三梁岔管的U形梁,以承受不平衡水壓力。月牙肋岔管具有受力合理、結構尺寸小、外表光滑、結構可靠以及制作安裝方便等優點,在大中型電站及抽水蓄能電站的地下埋管中應用廣泛[1-3]。作為內伸的加強構件,肋板的體形設計已經得到了較多的關注；劉沛清等探討了肋寬比對岔管水力特性的影響[4],為肋板設計中肋寬比的確定提供了更為可靠的依據；謝冠峰等分析了不同月牙肋板厚度對岔管整體結構應力的影響,提出了優化的肋板結構尺寸[5]；杜芳琴等比較分析了有限元計算中肋板不同單元類型和網格疏密對應力計算結果的影響[6],使得月牙肋岔管有限元分析更加精確和先進。但上述研究僅關注了肋寬比、肋板厚度及肋板有限元網格剖分對計算結果的影響,而忽略了肋板形狀對于月牙肋鋼岔管應力的影響。

事實上，月牙肋肋板形式多樣,在水電站壓力鋼管設計規范[7]中,肋板內緣線一般為拋物線,亦可采用橢圓曲線的形式；肋板外緣線一般以相貫線為基礎向管殼外適當偏移等寬距離,以滿足管殼與肋板焊縫的要求。但在部分設計院所采用的月牙肋岔管體形中,肋板外緣線會在相貫線的基礎上,向管殼外偏移不等寬距離[8],以達到改善月牙肋肋板頂底端局部應力的目的。

表1 岔管不同分岔角方案主要體形參數

注：1)表中所列管壁厚度分別為基本錐、過渡錐和直管段管壁厚度；2)表中正常運行工況計算時,岔管管壁厚度應扣除2mm的銹蝕厚度．

在以往的水電站月牙肋鋼岔管設計中,當肋板曲線采用規范上所推薦的內緣曲線為拋物線,外緣曲線在相貫線基礎上偏移等寬距離時,肋板等效應力的最大值一般出現在水平最大截面的內側。如果肋板內外緣曲線采用有別于規范推薦的曲線,肋板應力分布規律及對鋼岔管管殼應力的影響如何,目前文獻中尚未見到相關研究成果。為此，本文以某水電站為例,采用自主研發的月牙肋岔管體形設計程序[9]和ANSYS軟件，針對采用不同分岔角的月牙肋岔管,分析討論了不同肋板形狀對肋板應力分布及管殼應力的影響。

2 岔管設計參數

某水電站輸水發電系統壓力管道采用一管兩機的布置形式,岔管中心距廠房上游邊墻的垂直距離約為77.5 m,采用對稱“Y”形內加強月牙肋岔管結構。岔管前主管管徑5.8 m,岔管后支管管徑4.1 m,設計內水壓力3.0 MPa,按鋼岔管單獨承載進行設計計算。

岔管設計在結構上應使岔管結構能有足夠的安全度,水力學上做到水流盡量平順、水力損失最小[10]。

圖1 岔管體形圖(單位：mm)

經初步研究,采用不同分岔角時,滿足鋼材抗力限值要求的岔管主要體形參數見表1。以分岔角70°的岔管為例,體形如圖1所示。

3 岔管模型及計算方案

按照水電站鋼岔管的受力條件,假定模型在主管和支管端部取固端全約束,為了盡量減小約束端對岔管應力的影響,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。本文采用自行研制的月牙肋岔管體形設計程序,在程序設置中鋼岔管和月牙肋網格剖分全部采用ANSYS中SHELL63板殼單元模擬,計算網格及關鍵點如圖2所示。

圖2 岔管計算網格及關鍵點示意

圖3 肋板體形示意

月牙肋肋板形狀取決于肋板外緣曲線及內緣曲線的選取。肋板外緣曲線一般為橢圓曲線,有兩種選取方式,一是在管殼與肋板相貫線的基礎上向外偏移相同寬度,與相貫線一樣均為具有一定偏心的橢圓曲線,如圖3a所示的橢圓曲線①；二是向外偏移寬度不相同,采用圖3a所示的1/4橢圓曲線②。內緣曲線則分為拋物線與橢圓曲線兩種,以分岔角70°的岔管為例,肋板體形如圖3b所示。

針對不同分岔角,選取不同的肋板形狀,具體方案如表2所示。表中X,Y方向與圖3中坐標方向一致。

表2 不同肋板形狀方案體形參數

4 肋板形狀對管殼應力的影響分析

根據有限元計算結果,各方案岔管管殼外表面、中面和內表面各關鍵點的等效應力如表3所示。由表3可知：

(1)各方案管殼中面最大等效應力均出現在主、支管基本錐管節的母線轉折C點,肋板內外緣形狀對C點數值影響不大。

(2)各方案管殼外表面最大等效應力均出現在主支管相貫線頂點附近的D點,其中各方案數值相差不到1%,則肋板形狀對D點管殼應力影響很小。

(3)管殼內表面最大等效應力均出現在與肋板相連的B點,其中若只考慮肋板內緣形狀,橢圓曲線方案B點應力可比拋物線方案降低不到2%；而肋板外緣形狀對B點應力的影響同樣不到2%。

總體來看,當分岔角和岔管體形相同的情況下,肋板內緣形狀為橢圓曲線的方案,管殼中面及表面的最大應力值在一定程度上有所減小；對于肋板外緣形狀,不同方案下遠離肋板的管殼C、D點應力值差別不大,但對與肋板相連的A、B點略有影響。

5 肋板形狀對其自身應力的影響分析

根據有限元計算結果,整理了各方案肋板關鍵點的等效應力如表4所示,同時將分岔角70°情況下4個肋板方案的等效應力分布如圖4所示。

由表4和圖4可知：

(1)各方案不同肋板曲線(內緣線,相貫線及外緣線)上的關鍵點,隨著角度由0°變化到90°,應力值逐步減小。其中,最大值均出現在肋板水平最大界面的內緣0°-1點,對比可知,肋板內緣形狀為橢圓曲線,外緣形狀為偏移不等寬橢圓曲線②的方案應力值最小。

表3 岔管管殼關鍵點等效應力值 MPa

圖4 肋板等效應力分布(單位：MPa)

(2)在水平0°截面上,當肋板外緣曲線相同時,如果內緣曲線為拋物線,點1應力明顯大于點2、3,截面應力分布很不均勻；如果內緣曲線為橢圓曲線,點1的應力降低,而點2、3的應力增加,截面應力分布漸趨均勻。當肋板內緣曲線相同,外緣曲線為偏移不等寬的橢圓曲線②時,點1應力值較小,截面應力分布更加均勻。

(3)在45°截面上,當肋板外緣曲線相同時,由于內緣為橢圓形的肋板寬度小于拋物線方案,因此該截面上點1、2的應力值均呈現出內緣橢圓曲線方案數值較大、拋物線方案較小的分布規律；當肋板內緣曲線相同時,外緣曲線為偏移等寬的橢圓曲線①方案的肋板寬度小于偏移不等寬方案,因此該截面上點1、2、3的應力值均呈現出偏移等寬方案數值較大、偏移不等寬方案較小的分布規律,并且在點3處,應力值下降尤其明顯。

(4)在90°截面上,肋板各關鍵點的應力值整體均較??；內緣形狀為橢圓曲線、外緣形狀為偏移不等寬時,數值相對較大,主要由于此時肋板寬度較為狹窄。

總體來看,肋板內緣采用橢圓曲線,外緣采用1/4橢圓曲線的A4、B4、C4方案時肋板受力狀況最好。

6 結 論

(1)在給定分岔角和體形的情況下,岔管管殼的最大應力值受肋板形狀的影響較小,其中內緣為橢圓曲線時,管殼中面及表面的最大應力值均最小。

(2)肋板內緣形狀為橢圓曲線時,肋板最大截面處內緣的最大應力值比拋物線方案小,且肋板水平截面上的應力分布更加均勻,這主要是由于內緣橢圓形曲線曲率較小,減小了應力集中。肋板外緣形狀為偏移不等寬的1/4橢圓曲線時,肋板最大截面內緣處的最大應力值比偏移等寬方案更小,且肋板水平截面上的應力分布更加均勻。

(3)月牙肋岔管在進行體形設計時,建議肋板內緣采用橢圓曲線,外緣曲線采用相對于相貫線偏移不等寬的1/4橢圓曲線,不僅能夠使肋板最大截面內緣處的最大應力值降低,同時也使整個肋板應力分布更加均勻,有利于發揮鋼材的作用。

[1]潘家錚. 壓力管道[M]. 北京： 電力工業出版社, 1992．

[2]王志國. 高水頭大PD值內加強月牙肋岔管布置與設計[J]. 水力發電, 2001(10): 57- 62．

[3]喬淑娟, 羅京龍, 伍鶴皋. 月牙肋岔管體形優化與設計[J]. 中國農村水利水電, 2004(12)： 118- 120．

[4]劉沛清, 屈秋林, 王志國, 等. 內加強月牙肋三岔管水力特性數值模擬[J]. 水利學報, 2004(3): 42- 46．

[5]謝冠峰, 李火坤. 高水頭卜型月牙肋岔管結構三維應力分析[J]. 南昌大學學報： 工科版, 2009, 31(1)： 90- 95．

[6]杜芳琴, 伍鶴皋, 石長征. 月牙肋鋼岔管設計若干問題探討[J]. 水電能源科學, 2012, 30(8)： 135- 137．

[7]DL/T5141—2001 水電站壓力鋼管設計規范[S]．

[8]王志國. 水電站埋藏式內加強月牙肋岔管技術研究與實踐[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2011．

[9]付山, 伍鶴皋, 汪洋. 基于CATIA二次開發的月牙肋鋼岔管輔助設計系統開發與應用[J]. 水力發電, 2013, 39(7)： 73- 76．

[10]王槐, 邱樹先, 伍鶴皋. 蟠龍抽水蓄能電站月牙肋鋼岔管結構與水力特性研究[J]. 水力發電, 2015, 41(1)： 35- 38．

(責任編輯 焦雪梅)

Effect Study of Rib Shape on the Stress of Crescent-rib Reinforced Branch Pipe

HU Xinzhi, WU Hegao, SHI Changzheng, SU Kai

(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University,Wuhan 430072, Hubei, China)

For an actual hydropower station, the shape of rib reinforced bifurcated pipe is designed by a self-developed program for rib reinforced bifurcation design and ANSYS. The results of each rib scheme under given bifurcated angles are obtained by 3-D finite element method, and the influences of different rib shapes on the stress distribution of rib and shell are discussed. The results show that the maximum stress of shell is smaller in the scheme with an elliptic inner edge curve of rib, the maximum stress on horizontal cross-section of rib which has an elliptic inner edge curve and the outer edge curve of unequal width offset relative to intersecting line is smaller. At the same time, this rib shape can make the stress of rib distribute more evenly, so it is useful for steel to bearing loads．

crescent-rib reinforced branch pipe; shape design; rib shape; shell; rib; FEM; stress

2016- 05- 08

國家自然科學基金資助項目(51179141,51409194)

胡馨之(1992—),女,陜西西鄉人,碩士研究生,研究方向為水電站壓力管道；伍鶴皋(通訊作者)．

TV732.43

A

0559- 9342(2017)03- 0049- 05