新安江在役壓力鋼管有限元校核評估

王盼盼，駱 鳴，唐 璇，周 靖

（國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江 杭州 311608）

1 引言

中國是一個(gè)擁有豐富的水資源的國家，中華人民共和國成立以來，我國修建了眾多大中小型水利水電工程，承擔(dān)發(fā)電、防洪、灌溉等多項(xiàng)任務(wù)，對穩(wěn)定電力生產(chǎn)和促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用[1]。

壓力鋼管是水利水電工程重要組成部分，主要作用是將水庫、前池、調(diào)壓室的水輸往水輪機(jī)，其安全運(yùn)行對水電站至關(guān)重要[2]。水電站壓力鋼管是一種典型的薄殼結(jié)構(gòu)，它是由鋼板一節(jié)一節(jié)焊接在一起的，對于大型的壓力鋼管，由于交通運(yùn)輸條件的限制，通常把鋼管分節(jié)制造后運(yùn)送到工地，在現(xiàn)場進(jìn)行管道對焊接、支座安裝、無損探傷、混凝土澆筑等一系列操作。在壓力鋼管制造安裝過程中，焊縫質(zhì)量是至關(guān)重要的，受現(xiàn)場環(huán)境條件及人為因素影響，壓力鋼管焊縫中的焊接缺陷是不可避免的，焊接產(chǎn)生的夾渣、氣孔、裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，往往破壞焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，危及工程的安全運(yùn)行[3，4]。

明管和埋管各有其優(yōu)點(diǎn)。本文研究對象是廠房明管段鋼管，明管由伸縮節(jié)、管壁等結(jié)構(gòu)經(jīng)螺栓和焊接組合，適用于引水式地面廠房，通常支撐在分開的支座上，宜布置在地形條件優(yōu)越的地段，并與進(jìn)水口、主廠房的建筑物協(xié)調(diào)一致。明管開有進(jìn)人孔，工作人員可由進(jìn)人孔進(jìn)入鋼管內(nèi)部進(jìn)行安全操作，檢查與維護(hù)，為壓力鋼管安全運(yùn)行提供了保障，運(yùn)行中可以方便的檢查、維修、動(dòng)靜應(yīng)力檢測等，必要時(shí)根據(jù)使用時(shí)間及損壞情況及時(shí)更換；其次，它受力明確，結(jié)構(gòu)分析結(jié)果較為可信[5，6]。

2 有限元計(jì)算理論及方法

ANSYS 有限元分析步驟一般為：

（1）建立有限元模型。首先確定定義文件名，然后定義模型的單元類型、實(shí)常數(shù)、材料參數(shù)等，注意在選取材料參數(shù)時(shí)，區(qū)別線性與非線性的特點(diǎn)，應(yīng)選取合適的單元類型和材料參數(shù)，最后依據(jù)模型尺寸，建立幾何模型和有限元模型。

（2）劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分有自由網(wǎng)格、掃略網(wǎng)格、映射網(wǎng)格劃分，根據(jù)自身需求和模型體的規(guī)則形狀，選取合適的網(wǎng)格劃分方式。

（3）定義分析類型和分析選項(xiàng)。通過Solution Control 來設(shè)置求解控制選項(xiàng)。

（4）施加荷載與約束。對有限元模型施加荷載與約束，注意施加荷載和約束的正確性，不能出現(xiàn)多余或缺少的約束和荷載，否則計(jì)算結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確。

（5）求解。在Solution 求解器里求解。

（6）后處理。查看分析結(jié)果，靜力分析結(jié)果在后綴（.rst）文件中，可通過后處理查看結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移計(jì)算值。

3 引水鋼管有限元仿真計(jì)算

3.1 工程背景

某電站主要水工建筑物包括：大壩、壩內(nèi)式發(fā)電廠房、進(jìn)水口、發(fā)電引水鋼管、溢洪道、放水管及過壩設(shè)施等，兩條發(fā)電引水鋼管分別位于6 號(hào)和7 號(hào)壩段內(nèi)，壓力管道中水流從上游游向下游，最后達(dá)到蝸殼端，共分27 節(jié)，壓力管道整體分節(jié)平面圖如圖1 所示。

圖1 壓力管道整體分節(jié)平面圖

明鋼管段分為1～4 節(jié)，直徑均為5.5 m，進(jìn)口中心高程119.0 m，管身長4.8 m，每節(jié)管長1.2 m，共設(shè)兩道加勁環(huán)。廠房明管段鋼管整體外觀形態(tài)較好，無明顯移位、變形、損傷，運(yùn)行狀態(tài)良好。

3.2 鋼管整體模型

考慮上、下游兩側(cè)部分墻體與鋼管共同承擔(dān)水壓力荷載，將共同承擔(dān)荷載的墻體離散為solid65塊體單元。solid65 單元通常用來模擬鋼筋混凝土材料，為三維8 節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3 個(gè)自由度，該單元可產(chǎn)生塑性變形，并在3 個(gè)方向上可開裂或者被壓破。墻體混凝土材料彈性模量E=2.06×104MPa，泊松比v=0.15，容重24.0 kN/m3。

坐標(biāo)系定義：X 軸為徑向并與地面方向平行，Y 軸為徑向并與地面方向垂直，Z 軸為由下游側(cè)指向上游側(cè)。

計(jì)算工況：計(jì)算工況主要考慮鋼管的內(nèi)水壓力和自重。庫水位145.4 m，鋼管作用靜水頭56.09 m，鋼管中心高程為89.3 m。

約束處理：與鋼管共同承擔(dān)水壓力荷載的混凝土墻體的四周為固定約束。

建模過程：先建立幾何模型，再對建好的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，壓力鋼管采用點(diǎn)到面的建模方法，首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次建立相關(guān)的線、面、體，加以布爾運(yùn)算及坐標(biāo)系的頻繁變換，依次建立壓力鋼管管壁、加勁環(huán)、混凝土墻體，最后形成廠房明管段鋼管三維幾何模型，如圖2 所示。中間圓柱體部分為廠房明管段鋼管管壁，兩側(cè)立方體部分為模擬的混凝土墻體。

圖2 廠房明管段鋼管三維幾何模型

實(shí)體模型建成后，定義單元類型及相關(guān)參數(shù)，之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，先設(shè)置網(wǎng)格大小及形狀，采用掃略Sweep 網(wǎng)格劃分方法，其中網(wǎng)格劃分單元數(shù)106 560個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)129 867 個(gè)。

廠房壓力明管段鋼管應(yīng)力分析基本部位分為整體膜應(yīng)力區(qū)、局部應(yīng)力區(qū)。跨中管壁位于整體膜應(yīng)力區(qū)。加勁環(huán)旁局部區(qū)域以及支承環(huán)近旁管壁邊緣位于局部應(yīng)力區(qū)。明管段鋼管應(yīng)力分析部位如圖3所示：

圖3 明管段鋼管應(yīng)力分析基本部位

3.3 鋼管有限元計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到明管段鋼管整體膜應(yīng)力區(qū)應(yīng)力最大折算應(yīng)力為76.4 MPa，出現(xiàn)在上游側(cè)混凝土墻體與明管段上游側(cè)加勁環(huán)間的區(qū)域，小于整體膜應(yīng)力的抗力限值116.2 MPa；明管段鋼管管壁應(yīng)力變化范圍為20.3～95.0 MPa，加勁環(huán)局部應(yīng)力大小變化范圍35.8～64.7 MPa，局部應(yīng)力區(qū)最大折算應(yīng)力為95.0 MPa，出現(xiàn)在明管段與下游側(cè)混凝土墻體連接部位，小于局部應(yīng)力抗力限值169.0 MPa。明管段鋼管的整體膜應(yīng)力及局部應(yīng)力均小于相對應(yīng)的抗力限值。

3.4 鋼管計(jì)算值與實(shí)測值比較

廠房明管段鋼管應(yīng)力檢測是根據(jù)鋼管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在鋼管主要部位的特征斷面布置測點(diǎn)，鋼管平面圖沿鋼管底部展開，從鋼管底線到頂線依次布置測點(diǎn)，明管段鋼管靜應(yīng)力檢測的測點(diǎn)布置在鋼管與上下游側(cè)墻體聯(lián)接部位附近、明管段鋼管中部，共布置12 個(gè)三向測點(diǎn)。其中1、2、3、4、9、10、11、12 位于靠近混凝土墻體的局部應(yīng)力區(qū)域，5、6、7、8 位于兩加勁環(huán)之間的整體膜應(yīng)力區(qū)域。

廠房明管段鋼管各測點(diǎn)靜應(yīng)力實(shí)測結(jié)果列于表1。由表1 中數(shù)據(jù)可知：

（1）鋼管的整體膜應(yīng)力區(qū)實(shí)測應(yīng)力相對較大，鋼管靠近混凝土區(qū)域的局部應(yīng)力區(qū)的實(shí)測應(yīng)力相對較小，這與壓力鋼管局部折算應(yīng)力計(jì)算值相對應(yīng)，鋼管整體膜應(yīng)力大于局部應(yīng)力。

（2）在實(shí)測水頭下，鋼管最大環(huán)向應(yīng)力、最大折算應(yīng)力分別為79.2 MPa、69.2 MPa，分別出現(xiàn)在鋼管的整體膜應(yīng)力區(qū)的6 號(hào)、5 號(hào)測點(diǎn)。

（3）在實(shí)測水位下，鋼管最大折算應(yīng)力值均小于抗力限值，保證了該廠房明管段鋼管運(yùn)行是安全的。

表1 鋼管靜應(yīng)力實(shí)測值

結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測只能了解明管段鋼管測點(diǎn)處的應(yīng)力狀況，而明管段鋼管的整體應(yīng)力需要通過結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算或者有限元計(jì)算得到。為確保明管段鋼管結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測和有限元計(jì)算成果的準(zhǔn)確性，將廠房明管段鋼管結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測實(shí)測值與有限元計(jì)算值進(jìn)行比較。

根據(jù)廠房明管段鋼管有限元計(jì)算所得到的應(yīng)力云圖，可列出對應(yīng)于測點(diǎn)位置的應(yīng)力值，從而對實(shí)測應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行比較與分析。在實(shí)測水位下，廠房明管段鋼管各測點(diǎn)的折算應(yīng)力檢測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果列于表2。由表2 中數(shù)據(jù)可知：

（1）在12 個(gè)測點(diǎn)中，折算應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值相對誤差在10%以上的測點(diǎn)有1 個(gè)，為11 號(hào)測點(diǎn)，最大相對差值為11.3%，最小相對差值為2.1%。各個(gè)點(diǎn)的現(xiàn)場實(shí)測值受現(xiàn)場人為、環(huán)境、鋼管運(yùn)行條件影響，會(huì)產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的誤差。

（2）在12 個(gè)測點(diǎn)中，有2 個(gè)測點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力相對差值在5%～10%之間，分別為1 號(hào)、2號(hào) 測點(diǎn)；其余測點(diǎn)的相對差值均小于5%。

（3）實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果表明：在誤差允許的范圍內(nèi)，廠房明管段鋼管結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測實(shí)測值與有限元計(jì)算值差異較小，兩者互為驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與檢測結(jié)果都是可信的。

表2 鋼管測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)力值與折算應(yīng)力值比較

廠房明管段鋼管6 號(hào)、11 號(hào)測點(diǎn)處模型的最大應(yīng)力值分別為67.3 MPa 和55.1 MPa，測點(diǎn)處模型最大應(yīng)力對應(yīng)的點(diǎn)位于模型的尖端處，應(yīng)力由一邊向另一邊依次擴(kuò)散增大，測點(diǎn)不同，測點(diǎn)處應(yīng)力也不同。

4 結(jié)論

以某水電站廠房明管段鋼管為實(shí)例，建立廠房明管段鋼管整體幾何模型，計(jì)算得出廠房明管段鋼管整體膜應(yīng)力及局部應(yīng)力抗力限值。依據(jù)該工程廠房明管段鋼管現(xiàn)場靜應(yīng)力檢測實(shí)測資料，計(jì)算出廠房明管段鋼管12 個(gè)測點(diǎn)的實(shí)測折算應(yīng)力，并與相對應(yīng)測點(diǎn)的有限元計(jì)算值比較，通過對比，驗(yàn)證了檢測結(jié)果和計(jì)算結(jié)果是可信的。