錢塘垅電站1#內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管設(shè)計(jì)

陳知淵

摘要：本文介紹錢塘垅水電站1#內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管的設(shè)計(jì)過(guò)程，并用CAD建立鋼岔管模型，用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，在正常運(yùn)行和水壓試驗(yàn)等工況中，岔管及月牙肋的應(yīng)力均滿足要求。

關(guān)鍵詞 岔管 月牙肋 ANSYS 有限元

1 工程概況

錢塘垅水庫(kù)位于蘭溪市梅溪支流馬澗溪東源的小支流上，其壩址位于馬澗鎮(zhèn)溪源村上游約1km處，距蘭溪市區(qū)30km，距離馬澗鎮(zhèn)8km。電站廠址位于該水庫(kù)大壩下游約200m處右岸。錢塘垅水庫(kù)電站利用水庫(kù)供水隧洞，通過(guò)改造部分供水管道，在保障下游水廠供水的同時(shí)，利用富余水頭發(fā)電。

2 岔管體型設(shè)計(jì)

本文介紹錢塘垅電站1#岔管的設(shè)計(jì)，岔管體型圖見(jiàn)圖1。

圖1 1#岔管體型圖

1#岔管采用“卜”型結(jié)構(gòu)，主管直徑1.6m，支管直徑分別為1.6m，1.5m。設(shè)計(jì)中，經(jīng)試算及體型優(yōu)選[2][3]，采用軸線岔角57.5°，分岔角60°。

3 有限元分析

本次設(shè)計(jì)中用CAD做實(shí)體建模，用ANSYS進(jìn)行有限元分析[4][5][6]。

3.1 模型的建立

主管和支管的長(zhǎng)度都取大于三倍管徑長(zhǎng)，采用四邊型殼單元，對(duì)于網(wǎng)格的剖分，考慮到計(jì)算精度和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，將網(wǎng)格作了較細(xì)的剖分，直管段圓周向布置40個(gè)結(jié)點(diǎn)，每條相貫線上布置20個(gè)結(jié)點(diǎn)，共計(jì)3590個(gè)單元。

3.2 初始條件與邊界條件

本工程中，原輸水管道與改造后的管道均采用淺層地下埋管。在岔管處，鋼管周邊澆筑80cm厚的混凝土，再在其上部回填相對(duì)密度不小于0.7的石渣1.2m至原地面高程。經(jīng)估算鋼管底部受到混凝土的壓力大約70Kpa，與運(yùn)行工況的內(nèi)水壓力1.08Mpa及水工試驗(yàn)的內(nèi)水壓力1.35Mpa相比均可忽略。因此管道的受力分析中可不考慮圍巖的作用，而只受內(nèi)水壓力的作用。

主管端部周邊采用全約束，支管端部周邊采用X、Y、Z三個(gè)方向約束的鉸支座，其余結(jié)點(diǎn)無(wú)約束。

3.3 有限元計(jì)算成果

1）正常運(yùn)行工況

設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力P=1.08Mpa，計(jì)算得到岔管內(nèi)外表面Mises應(yīng)力、岔管變形如圖2、圖3。

圖2 錢塘瓏1#岔管Mises應(yīng)力云圖（外表面） 圖3 錢塘瓏1#岔管變形矢量圖

2）水壓試驗(yàn)工況

設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力P=1.35Mpa，計(jì)算得到岔管內(nèi)外表面Mises應(yīng)力、岔管變形如圖4、圖5。

圖4 錢塘瓏1#岔管Mises應(yīng)力云圖（外表面） 圖5 錢塘瓏1#岔管變形矢量圖

正常運(yùn)行工況與水壓試驗(yàn)工況主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

從岔管應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可看出，岔管最大應(yīng)力出現(xiàn)在主管與支管相接的腰線折角內(nèi)緣處，在本次岔管設(shè)計(jì)中，該處應(yīng)力能夠滿足要求。在其他pD值較大的岔管設(shè)計(jì)中，腰線折角內(nèi)緣處可能需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸烫幚怼?/p>

月牙肋的最大應(yīng)力發(fā)生在肋板內(nèi)緣中心處，在pD值較大的岔管中，此處水流流態(tài)比較復(fù)雜，此處可能在脈動(dòng)壓力作用下發(fā)生破壞，需適當(dāng)加大尺寸。

本岔管的計(jì)算結(jié)果在Z向具有較好的對(duì)稱性，岔管本體部位應(yīng)力情況復(fù)雜多變，遠(yuǎn)處則應(yīng)力分布趨于均勻，說(shuō)明管長(zhǎng)符合設(shè)計(jì)要求。

表3 正常運(yùn)行工況主要應(yīng)力結(jié)果匯總

工況 數(shù)值（MPa） 允許應(yīng)力（MPa） 部位

正常

運(yùn)行 局部應(yīng)力區(qū) 99.709 177.69 腰線折角內(nèi)緣

膜應(yīng)力區(qū) 92.077 122.16

肋板 43.39 116.48 肋板內(nèi)緣中心

表4 水壓試驗(yàn)工況主要應(yīng)力結(jié)果匯總

工況 數(shù)值（MPa） 允許應(yīng)力（MPa） 部位

水壓

試驗(yàn) 局部應(yīng)力區(qū) 124.637 241.3 腰線折角內(nèi)緣

膜應(yīng)力區(qū) 115.097 165.90

肋板 48.403 158.18 肋板內(nèi)緣中心

4 分析與總結(jié)

經(jīng)有限元計(jì)算分析，錢塘垅電站1#岔管正常運(yùn)行工況和壓水試驗(yàn)工況的應(yīng)力和變形都能滿足要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范（ SL281- 2003） ， 北京： 中國(guó)水利水電出版社， 2003

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[3] 楊海霞， 李哲斐. 月牙肋鋼岔管的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 固體力學(xué)學(xué)報(bào)， 2006 （S1）.

[4] 林德金， 金宏安， 赫慶彬， 等. 巴基斯坦汗華水電站工程進(jìn)水鋼岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 水利水電工程設(shè)計(jì)， 2010 （003）： 23-24.

[5] 李哲斐. 鋼岔管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) [D][D]. 南京： 河海大學(xué)， 2005.

[6] 朱宏偉， 任德記， 高陽(yáng)峰， 等. 月牙肋鋼岔管的有限元分析[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì)， 2008， 14（2）： 113-114.