某水電站高壓鋼岔管三維有限元計算

雷娜

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

某水電站高壓鋼岔管三維有限元計算

雷娜

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

基于有限元數值分析，建立岔管三維有限元模型，能夠反映岔管在高內水壓力作用下的整體應力及局部應力狀態，能較為精確完整地反映鋼岔管運行期的實際受力情況。以新疆某水電站高壓鋼岔管為例，采用AUTODESK軟件建立模型導入有限元軟件，修改后生成幾何模型及有限元模型，采用殼單元進行模擬計算，取得了較為合理的成果，對于同類鋼岔管的建模及計算有一定的參考意義。

鋼岔管；有限元；薄殼結構

1 工程概況

某水電站工程由大壩、溢洪道、導流兼泄洪沖沙洞、發電引水系統、廠房等建筑物組成。電站采用“一洞三機”的布置方式。工程等別為Ⅱ等，工程規模為大（2）型。

發電引水洞及電站地面廠房布置于左岸，發電引用流量40m3/s，毛水頭660m，整個引水系統總長19km，發電引水系統由進口引渠、閘井段、發電引水洞、調壓井、斜井段、下平洞段、岔管段和水電站廠房組成。

1.1 計算模型

1#岔管最終方案采用800MPa級鋼材，管壁厚46mm，肋板厚100mm，肋寬比0.35，肋板腰部外伸寬度150mm，主管入口直徑2.6m，直支管出口直徑由2.0m增加到2.1m，斜支管出口直徑由1.35m增加到1.4m，其管殼平面結構及肋板結構如圖1，圖2。

圖1 岔管體型

圖2 肋板體型

1.2 鋼管材質

岔管選用800MPa級鋼材（HT780），鋼材彈性模量Es=2.06×105MPa，泊松比μs=0.3，線膨脹系數αs＝1.2× 10-5/℃，比重γs=78.5×10-5N/mm3。

1.3 允許應力

對岔管應力變化較大的部位，都在各管節的連接處及肋板內緣的腰部；另岔管中心分岔點附近管殼內、外壁往往存在較高的彎曲峰值應力，這些位置是岔管的應力控制部位。其中整體膜應力區域對應每個管節中間區域（應力分布較為均勻），局部膜應力區域對應相鄰管節連接部位（產生不同程度的應力集中），局部膜應力+彎曲應力區域對應受彎曲作用管節連接處內、外壁及肋板表面，局部自限性峰值應力對應岔管頂點O點附近及檔部附近區域，該部位中面膜應力不高，但管壁表面峰值應力較高，主要是軸向彎曲應力，且應力集中范圍很小，應力具有自限性，即局部屈服和小量變形可以使變形連續要求得到滿足，從而變形不再繼續增大，這種類型的應力不會導致對結構的破壞。

2 計算模型及基本假定

2.1 計算模型

計算模型包括岔管整體有限元模型及肋板有限元模型，計算假定鋼板材料為均勻、連續且各向同性介質［1-2］。單元類型采用殼單元，實常數根據管壁厚度分段分配。岔管整體有限元模型及肋板有限元模型如圖3，圖4。

圖3 岔管整體有限元模型

圖4 肋板有限元模型

2.2 邊界條件

為減少邊界約束對鋼岔管主體部分的影響，主直管和支直管長度分別取該處鋼管半徑的兩倍以上，因結構上下對稱，取岔管上半部分進行計算，上下結構的分界面施加對稱約束。

在運行工況下，管內壁承受7.5MPa內水壓力；各管節厚度及梁厚度均扣除2mm的銹蝕磨損裕度。假定3個直管管口，因管道和回填混凝土的限制，無軸向位移。

2.3 強度條件

應力控制按照SL281—2003《水電站壓力鋼管設計規范》規定執行，即第四強度理論計算的等效應力應小于等于允許應力與焊縫系數的乘積［4-5］，本計算取焊縫系數φ=0.9。

3 計算成果

計算成果主要以節點應力及應力云圖表示。了解岔管各管節轉折部位應力及整體應力分布。

3.1 節點應力

節點應力如表3，列出點A~K個點的中面、表面及底面應力及肋板應力。

由節點應力得出：

（1）岔管運行工況下鈍角區腰線各控制點的應力均在表2對應鋼材的局部膜應力以及局部膜應力+彎曲應力的允許應力范圍之內，且仍有一定余度。

（2）岔管頂點O點中面膜應力不高，滿足運行工況允許應力的要求。

（3）O點附近NO、DO線上的局部區域中面膜應力也不高，滿足允許應力要求。

（4）運行工況下由于肋板的加強作用，I點岔襠部位整體應力并不高，均滿足允許應力要求。

表3 運行工況應力 單位：MPa

3.2 應力云圖

本次計算給出肋板直支管側及斜直管側表面應力及中面應力分布云圖，岔管內壁、外壁及中面等效應力云圖如圖5~圖10。

由圖5～圖7可知，運行工況下肋板應力分布均勻，最大值出現在與岔管相接的岔襠部位，均為超過允許應力且有一定余度。滿足設計要求。

圖8~圖10可知，管殼內、外壁及中面膜應力，在岔管頂點O點附近的局部應力集中范圍和程度略有區別。從內外壁應力云圖可以清晰地看出岔管頂點O附近區域的的存在范圍較小的峰值應力，此類應力具有自限性。而管壁中面的應力云圖表明管壁中面應力相對均勻。運行工況下應力極值均未超過允許應力，滿足設計要求。

圖5 運行工況肋板直支管側表面應力

圖6 運行工況肋板中面應力

圖7 運行工況肋板斜支管側表面應力

圖8 運行工況岔管內壁面應力

圖9 運行工況岔管中面等效應力

圖10 運行工況岔管外表面等效應力

4 結語

（1）按照規范結構力學方法所得計算成果和岔管水壓試驗結果有很大的差異，對于大型和重要的水電站，這種計算方法較難滿足要求［3-5］。

（2）目前，采用有限元分析方法設計鋼岔管已為工程界所接受，有限元法可以較為精確地求得管殼及肋板局部的應力大小及應力分布情況，模擬岔管各個部位的變形情況，特別是能夠反映岔管局部范圍的應力集中情況，為岔管設計提供可靠的依據。

［1］王勖成，邵敏．有限單元法基本原理和數值方法（第2版）［M］．北京：清華大學出版社，1997．

［2］李哲斐．鋼岔管結構的優化設計［D］．南京：河海大學，2005．

［3］潘家錚.壓力鋼管［M］．北京：電力工業出版社，1982．

［4］王小軍.基于三維有限元的卜型月牙肋鋼岔管設計及應力分析［J］.水電能源科學，2016（3）．

［5］SL281—2003，水電站壓力鋼管設計規范［S］．

（責任編輯：姜彤宇）

Three-dimensional finite element simulated calculation of high pressure steel branch pipe of a hydropower station

LEI Na
（Xinjiang Scientific Research Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China）

Based on the numerical analysis of finite element method，the establishment of branch pipe three-dimensional finite element model can reflect the whole and local stress state of branch pipe under the action of high water pressure，the actual stress of bifurcated pipe is accurately reflected in operation period.This paper take a high pressure branch pipe of hydropower station in Xinjiang as an example，the Autodesk software is use to establish the model and imported the finite element software，the geometry model and finite element model are generated after modified.The shell element is used to simulate and obtained the reasonable results.It have a certain reference for similar steel branch pipe modeling and calculation.

steel branch pipe；finite element；thin shell structure

TV732.4

B

1672-9900（2017）01-0059-04

2017-02-10

雷 娜（1985-），女（漢族），陜西渭南人，碩士，主要從事水利水電工程勘測設計工作，（Tel）18290806017。