鋼岔管水壓試驗封頭計算及有限元分析

摘 要：本文介紹了北京市南水北調配套工程的東干渠工程中壓力管道鋼岔管水壓試驗平板封頭的理論計算及有限元分析過程，為類似低壓鋼岔管水壓試驗封頭選用提供借鑒和參考。

關鍵詞：鋼岔管；加強梁；強度；剛度；有限元

中圖分類號：TV743 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）30-0256-02

1 工程概述

北京市南水北調配套工程的東干渠工程，位于北京市東南部南海子郊野公園東側，即現狀三海子東路以東、黃亦路以北。主要管道包括一期調節池、亦莊泵站、進水管線、退水管、亦莊樞紐調度中心等。壓力鋼管范圍包括：DN3600進水管管道、DN2600東干渠溢流管道、DN2400亦莊泵站出水管線、DN1200調節池溢流管線、DN1800亦莊分水管線172m、DN1200退水管線1.2km，合計工程量2600t。其中鋼岔管兩個，合計306t，該項目工地現場制造的方式。鋼岔管的水壓試驗在工地制造廠完成。本文針對C2岔管水壓試驗采用平板封頭的形式進行受力分析計算和有限元分析。

C2岔管主管D=2420mm，錐管D=2420/2220，支管D=2220；管壁δ=18mm；材質：16MnR。設計水壓試驗參數0.9MPa。參與水壓試驗的C2岔管體型結構布置見圖1。平板封頭由于結構簡單、安裝方便而成為首先考慮的擋水型式。

2 封頭選型及參數設計

選用平板封頭型式。采用整鋼板下料成形，封頭下部承受內壓，上部布置加勁結構，整體與鋼管采用對接熔透焊縫，其焊縫要求100%超聲波探傷檢驗BⅠ合格。封頭結構見圖2。封頭的主要參數及材料選擇設計如下，數據以主管封頭計算為例。

封板與鋼管連接環形縫采用組合焊縫接頭，滿足連接強度要求。

4 封頭有限元分析

4.1 有限元建型和約束、載荷加載

采用SOLIDWORKS軟件建模，建模完成后導入ANSYS進行有限元分析。

鋼板材料為16MnR，其彈性模量E=2.07×1011Pa；泊松比μ=0.28；密度ρ=7.85×103kg/m3；許用應力163MPa。

網格劃分采用實體殼單元類型劃分。管壁采用固定約束類型，載荷以壓力的形式加載。載荷0.9MPa，安全系數1.15。

4.2 有限元分析結果

（1）位移分析

由圖4～5可知：封板中心處相對于周邊支撐處最大位移為1.62mm，管徑為2.4m，最大撓度按照L/800控制，要求不超過3.0mm，因此，滿足剛度要求。

（2）應力分析

由圖6～7可知：應力最大處位于與封板加強梁相近的管壁上，最大應力值約150MPa左右，封板面板最大應力約為110MPa左右，封板加強梁的外側翼板最大應力約為130MPa左右。而材料的屈服極限σs=210MPa，許用應力163MPa，因此滿足強度要求。

5 結 論

最終水壓試驗過程中，分級加載保壓，試驗過程中所有焊縫和連接部件均進行泄漏檢查；分級保壓過程，壓力表指針穩定沒有發生顫動現象，同時進行應力測試，并對數據進行了采集和保存。試驗過程平穩，各項數據都在規范要求的范圍內，順利完成了水壓試驗。平板封頭因為制造簡便、成本低而被廣泛應用在低壓岔管水壓試驗中的封頭。

收稿日期：2018-9-19

作者簡介：陳愛國（1965-），男，湖北洪湖人，高級工程師，本科，主要從事金屬結構制造與安裝工作。