“卜”形月牙肋岔管在超高水頭電站設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

張金斌，蒲楠楠

(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司浙江分公司， 浙江 杭州 310002)

岔管作為復(fù)雜的空間組合結(jié)構(gòu)，是輸水系統(tǒng)中一種常見(jiàn)的布置形式[1]。其布置型式應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)條件、廠房及輸水系統(tǒng)布置、岔管水力條件等因素綜合考慮確定[2]。在常見(jiàn)岔管型式中，“卜”形結(jié)構(gòu)岔管因布置靈活簡(jiǎn)便，建造規(guī)模小等特點(diǎn)，在中低水頭電站中應(yīng)用較廣。而 “卜”形岔管選用貼邊補(bǔ)強(qiáng)的型式居多，選用月牙肋型式的較少。在高水頭及超高水頭電站中，應(yīng)用最多的岔管的布置型式為對(duì)稱“Y”形，“卜”形岔管甚少。同時(shí)，由于水頭較高，傳統(tǒng)的三梁式和貼邊式等岔管已難以滿足工程要求，只能采用月牙肋結(jié)構(gòu)[3]。月牙肋岔管具有受力明確、結(jié)構(gòu)尺寸小、流態(tài)好、水頭損失小等優(yōu)點(diǎn)[4]，但國(guó)內(nèi)外對(duì)水頭高于1 000 m的超高水頭電站“卜”形月牙肋岔管的應(yīng)用及研究并不多見(jiàn)，如何合理設(shè)計(jì)超高水頭電站“卜”形月牙肋岔管仍是行業(yè)內(nèi)一大難題[5-17]。

本文以JLH超高水頭電站為例，進(jìn)行超高水頭電站壓力鋼管“卜”形月牙肋岔管的體型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明。同時(shí)，為了反映岔管實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，本文利用有限元數(shù)值模型對(duì)岔管各運(yùn)行工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真模擬計(jì)算分析，全面考慮不同工況受力狀態(tài)對(duì)岔管結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)水壓實(shí)驗(yàn)等驗(yàn)證岔管設(shè)計(jì)的合理性。因此，對(duì)于超高水頭電站鋼岔管的設(shè)計(jì)和研究有極其重要的意義。

1 工程概況

云南JLH水電站發(fā)電引水系統(tǒng)采用一洞三機(jī)的引水方式，每條壓力輸水系統(tǒng)管路由進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管、“卜”型岔管、壓力鋼管支管、進(jìn)水閥、水輪機(jī)蝸殼、尾水管等組成。本工程1#、2#岔管均采用“卜”型月牙肋岔管型式。1#、2#岔管均采取非對(duì)稱“Y”型布置形式，本文以1#岔管設(shè)計(jì)過(guò)程舉例說(shuō)明。

本工程1#鋼岔管主管內(nèi)徑 0.9 m，支錐管內(nèi)徑分別為0.7 m和0.5 m，軸線分岔角ω=55°，電站設(shè)計(jì)水頭約1 030.20 m，考慮岔管的重要性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、以及制作安裝過(guò)程中殘余應(yīng)力影響，岔管設(shè)計(jì)水頭按照1 100 m考慮，即內(nèi)水壓力P=11.0 MPa，試驗(yàn)工況內(nèi)水壓力P=13.75 MPa。

本工程1#鋼岔管具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

(1) 內(nèi)水壓力大。本電站水頭超過(guò)1 000 m，屬于超高水頭電站。岔管設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力11.0 MPa，試驗(yàn)工況內(nèi)水壓力13.75 MPa，規(guī)模位居已建及在建電站前列。

(2) 非對(duì)稱布置。根據(jù)引水隧洞和廠房布置，本工程鋼岔管采取非對(duì)稱“Y”型(“卜”型)布置形式，岔管的受力特點(diǎn)與對(duì)稱布置形式有所不同。肋板兩端殼體的不對(duì)稱受力，將導(dǎo)致在肋板的對(duì)稱面上產(chǎn)生剪力，超出《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》[18](NB/T 35056—2015)中關(guān)于肋板中心受拉的基本設(shè)計(jì)假定。

基于以上技術(shù)特點(diǎn)，本工程鋼岔管按照明鋼岔管結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行初步體型設(shè)計(jì)。

2 岔管體型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法

2.1 岔管體型的幾何設(shè)計(jì)

(1) 最大公切球直徑。最大公切球直徑?jīng)Q定岔管的擴(kuò)大率。擴(kuò)大率過(guò)大，則流線與管壁脫流而產(chǎn)生漩渦，由此產(chǎn)生水力損失增加；擴(kuò)大率過(guò)小，也會(huì)產(chǎn)生較大水力損失。本工程岔管為非對(duì)稱“Y”型岔管，最大公切球半徑宜選用主管半徑的1.1倍～1.2倍，并兼顧環(huán)向焊縫的間距，本工程取最大公切球半徑值為600 mm。主錐管前及主岔后設(shè)過(guò)渡段。

(2) 主支錐圓錐角。根據(jù)托馬及Ruus試驗(yàn)結(jié)果，支管采用錐管連接型式比不采用錐管連接型式的水頭損失可減少一半以上，并考慮局部應(yīng)力影響，本工程岔管主錐管腰半錐頂角α1=11°，主岔管半錐頂角α2=15.5°，支錐半錐頂α3=10.0°。其中：下標(biāo)1表示主管，下標(biāo)2、3分別表示主岔管和支岔管，下同。

2.2 岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 管壁厚度選擇。按照水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范，管壁厚度取月牙肋岔管膜應(yīng)力區(qū)的管壁厚度及局部應(yīng)力區(qū)的管壁厚度中的大值(在此基礎(chǔ)上加上2 mm的銹蝕厚度)確定。

(2) 腰線轉(zhuǎn)折角。岔管主支管現(xiàn)采用錐管過(guò)渡連接有利于減少水頭損失，但相鄰管節(jié)過(guò)大的腰線轉(zhuǎn)折角會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。腰線轉(zhuǎn)折角一般不大于15°。

岔管主要體型設(shè)計(jì)成果如表1所示。

表1 岔管體型設(shè)計(jì)結(jié)果

3 月牙肋鋼岔管有限元計(jì)算

為分析設(shè)計(jì)成果的合理性，采用有限元分析方法，模擬原型岔管邊界條件和受力狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。為了減小約束端的局部應(yīng)力的影響，模型計(jì)算范圍在選取時(shí)加以考慮。

岔管主管直徑0.9 m，支管直徑分別為0.7 m、0.5 m，采用非對(duì)稱“Y”型月牙肋結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中，經(jīng)試算及體型優(yōu)選，岔管采用軸線岔角55°，分岔角59.5°(見(jiàn)圖1)。本次設(shè)計(jì)及計(jì)算主要采用AutoCAD作體型計(jì)算；采用ABAQUS作有限元分析。

圖1岔管體型圖(單位：mm)

模型基本假定如下：

(1) 岔管結(jié)構(gòu)假定單獨(dú)承擔(dān)內(nèi)水壓力，即按明岔管進(jìn)行計(jì)算，不計(jì)巖體或混凝土抗力。

(2) 計(jì)算荷載按照靜水壓力模擬。

(3) 假定岔管結(jié)構(gòu)復(fù)核線彈性假定，結(jié)構(gòu)按線彈性有限元計(jì)算。

3.1 材料選用及力學(xué)指標(biāo)

(1) 材料。材料特性見(jiàn)表2。

表2 材料特性表

(2) 允許應(yīng)力。規(guī)范允許的應(yīng)力按下式計(jì)算：

(1)

其中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，γ0=1.0；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)。允許應(yīng)力取值見(jiàn)表3。

表3 允許應(yīng)力取值

(3) 計(jì)算原則及假定。不考慮圍巖的共同作用，計(jì)算模型取八節(jié)點(diǎn)四邊型板殼單元，主管和支管分別取長(zhǎng)大于三倍管徑長(zhǎng)，選擇持久狀況分析。

3.2 荷載、網(wǎng)格剖分及邊界條件

有限元模型建立在笛卡爾直角坐標(biāo)系坐標(biāo)(X、Y、Z)上，XOY為水平面，垂直方向?yàn)閆軸，坐標(biāo)系復(fù)核右手螺旋法則。主管端部周邊取全約束；支管端部平面在X方向約束，Y、Z方向自由；結(jié)構(gòu)底部在Z方向約束，X、Y方向自由。模型共計(jì)6 403個(gè)節(jié)點(diǎn)，6 301個(gè)單元。

對(duì)于網(wǎng)格的剖分，出于精度考慮和硬件設(shè)備的能力，將網(wǎng)格作了較細(xì)的剖分(見(jiàn)圖2、圖3)。岔管全局種子尺寸60 mm。

圖2 岔管網(wǎng)格

圖3月牙肋網(wǎng)格

3.3 岔管計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)所建立的數(shù)值模型，分別計(jì)算了正常運(yùn)行工況P=11.0 MPa及水壓試驗(yàn)工況P=13.75 MPa下的空間應(yīng)力分布情況。為減小邊界約束對(duì)岔管結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，將主、支管沿水流方向延伸一倍管徑后施加邊界約束，在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，取出遠(yuǎn)離邊界影響區(qū)域的岔管結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

正常運(yùn)行工況計(jì)算的岔管應(yīng)力見(jiàn)圖4—圖8，由圖可知，運(yùn)行工況管殼內(nèi)外表面最大等效應(yīng)力分別為242.1 MPa和198.7 MPa，出現(xiàn)在腰線折角內(nèi)緣，小于鋼材允許局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力最大允許值306.0 MPa(見(jiàn)圖4、圖6)；整體膜應(yīng)力最大值出現(xiàn)在主管直管段，最大值為198.0 MPa，小于鋼材允許應(yīng)力210.0 MPa(見(jiàn)圖5)；肋板最大應(yīng)力為109.6 MPa，小于鋼材應(yīng)力允許值259.0 MPa(見(jiàn)圖7)。此外，岔管正常運(yùn)行工況最大變形0.910 mm(見(jiàn)圖8)。

水壓試驗(yàn)工況計(jì)算的岔管應(yīng)力見(jiàn)圖9—圖13，由圖可知，水壓試驗(yàn)工況管殼內(nèi)外表面最大等效應(yīng)力值分別為302.6 MPa和248.4 MPa，出現(xiàn)在腰線折角內(nèi)緣，小于鋼材允許局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力最大允許值378.0 MPa(見(jiàn)圖9、圖11)；整體膜應(yīng)力最大值出現(xiàn)在主管直管段，最大值為247.6 MPa，小于鋼材允許應(yīng)力260.0 MPa(見(jiàn)圖10)；肋板最大應(yīng)力為137.0 MPa，小于鋼材應(yīng)力允許值319.0 MPa(見(jiàn)圖12)。此外，岔管水壓試驗(yàn)工況最大變形1.138 mm(見(jiàn)圖13)。本工程岔管在持久工況及試驗(yàn)工況的應(yīng)力和變形均能滿足要求。

圖4 岔管Mises應(yīng)力云圖(外表面)

圖5 岔管膜應(yīng)力云圖(中表面)

圖6 岔管Mises應(yīng)力云圖(內(nèi)表面)

圖7 月牙肋M(jìn)ises應(yīng)力云圖

圖8岔管變形矢量圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，本工程鋼岔管的計(jì)算結(jié)果沿Z方向具有良好的對(duì)稱性，岔管本體應(yīng)力情況較為復(fù)雜，向主管及支管延伸方向應(yīng)力分布則趨于均勻。

圖9 岔管Mises應(yīng)力云圖(外表面)

圖10 岔管膜應(yīng)力云圖(中表面)

圖11 岔管Mises應(yīng)力云圖(內(nèi)表面)

圖12 月牙肋M(jìn)ises應(yīng)力云圖

圖13岔管變形矢量圖

4 水壓試驗(yàn)

鑒于本電站為超高水頭電站，鋼岔管結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管壁厚。因此，對(duì)本電站鋼岔管進(jìn)行水壓試驗(yàn)，了解各部位應(yīng)力分布及變形情況，并與有限元計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

4.1 水壓試驗(yàn)過(guò)程

岔管設(shè)計(jì)工作壓力為11.0 MPa，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)水壓試驗(yàn)壓力取設(shè)計(jì)工作壓力的1.25倍，即13.75 MPa。在岔管原型水壓試驗(yàn)過(guò)程中壓力等級(jí)為：一級(jí)壓力值為5.0 MPa，二級(jí)壓力值為11.0 MPa，三級(jí)壓力值為13.75 MPa，與設(shè)計(jì)水壓試驗(yàn)壓力保持一致。水壓試驗(yàn)過(guò)程試驗(yàn)壓力逐級(jí)加壓后分級(jí)卸載。加(減)壓力的速度控制在不高于0.05 MPa/min。

4.2 水壓試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在升壓階段，岔管外壁測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力分布狀態(tài)符合理論規(guī)律，并與岔管內(nèi)水壓力基本呈線性關(guān)系。

在設(shè)計(jì)工況內(nèi)水壓力11.0 MPa下，實(shí)測(cè)主岔管主管外壁最大應(yīng)力189.2 MPa，與計(jì)算值198.7 MPa基本接近，均小于鋼材允許應(yīng)力值。實(shí)測(cè)值略小于計(jì)算值。

在試驗(yàn)最高內(nèi)水壓力13.75 MPa下，實(shí)測(cè)主岔管主管外壁最大應(yīng)力242.1 MPa，與計(jì)算值248.4 MPa基本接近，均小于鋼材允許應(yīng)力值。實(shí)測(cè)值略小于計(jì)算值。

根據(jù)有限元計(jì)算成果與水壓試驗(yàn)成果對(duì)比得出，兩者基本一致。

5 結(jié) 語(yǔ)

在高水頭及超高水頭電站中，應(yīng)用最多的岔管的布置型式為對(duì)稱“Y”形， “卜”形岔管甚少，特別是水頭超過(guò)1 000 m的工程更罕見(jiàn)。

“卜”型月牙肋岔管受力狀態(tài)及空間結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜，本文基于“卜”型鋼岔管及月牙肋的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)“卜”型月牙肋岔管進(jìn)行體型設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元分析以及水壓試驗(yàn)手段進(jìn)行復(fù)核計(jì)算及驗(yàn)證，說(shuō)明該設(shè)計(jì)方法較為合理。

云南JLH水電站已安全運(yùn)行超過(guò)一年，岔管各項(xiàng)指標(biāo)正常。通過(guò)本工程的應(yīng)用，對(duì)超高水頭電站“卜”型月牙肋岔管設(shè)計(jì)和推廣，提供了一定的技術(shù)參考。