貼邊岔管設計探討

吳 均

(新疆水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊 830000)

文章編號：1006—2610(2015)03—0077—03

貼邊岔管設計探討

吳 均

(新疆水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊 830000)

對于大型貼邊岔管設計宜采用有限元法計算，但對于中、小型貼邊岔管設計可采用面積補償法、圓環法等結構分析方法計算。文章結合工程實例，對中、小型貼邊岔管設計采用幾種結構分析方法進行計算對比，并用有限元法對計算結果進行驗證。結果表明，采用面積補償法、圓環法等結構分析方法計算結果與有限元計算結果是一致的。

水電站;貼邊岔管;結構分析;有限元

0 前 言

新疆某水電站工程主要任務是發電和發電反調節，工程裝機規模為100 MW(2×35 MW+2×15 MW)，采用大小機。引水隧洞采用一洞四機的供水方式，岔管采用對稱Y型岔，其中鋼襯段主管直徑為6.2 m，支管直徑為3.4 m(大機)和2.4 m(小機)。

在施工階段，業主提出為滿足工程管理區和下游林地的用水要求，工程建成后需要從壓力管道(鋼襯鋼管段)上開孔取水。經計算，取水口管管徑為400 mm，對應的取水口直徑也選為400 mm。此時，壓力鋼管已經制作安裝完成，經綜合考慮，取水管與已制作安裝完成的鋼管宜采用貼邊岔管形式。由于受交通及其他建筑物布置限制，最終取水口布置在壓力鋼管主管段上。

1 貼邊岔管結構分析計算方法

目前，貼邊岔管計算方法較多，本文結合新疆某水電站工程貼邊岔管設計實例，對中、小型工程貼邊岔管設計計算常用的面積補償法、圓環法等結構分析方法進行了對比，并用有限元對計算結果進行了驗算[1-6]。

該水電站工程貼邊岔管主管直徑6.2 m，取水管直徑0.4 m，岔管處設計水頭為120 m(含水擊壓力)，主管壁厚為26 mm。由于該取水管垂直于主管布置，取分岔角為90°。主管及取水管管材均為Q345R鋼。

1.2 面積補償法

面積補償法在中、小型貼邊岔管設計中是一種應用較廣的方法。面積補償法是在管道破口處增加補強板，確定補強板尺寸時沿主管軸線的縱剖面，在主管的破口處補強板截面積Ad不小于主管破口截面積Ae；補強板厚度td為主管壁厚t的1.0～1.3倍，如圖1所示。

圖1 面積補償法計算結構示意圖

依據補強板尺寸確定方法，可事先初擬補強板的尺寸，再根據以下經驗公式，計算貼邊岔管銳角貼邊外緣最大主應力值。

(1)

(2)

式中：t為主管壁厚,取26 mm；p為內水壓力設計值,N/mm2；d、D分別為支、主管軸線交點處的直徑,取400 mm和6 200 mm；α2、α1分別為支、主管半錐頂角,均都取為0°；β為分岔角,取90°；σ0為主管膜應力,N/mm2；σ為孔口局部應力,N/mm2。

初步擬定補強板尺寸：寬為300 mm，厚度與主管壁厚一致，均為26 mm，材質與主管同。經計算，補強后主管最大膜應力為157.5 MPa，銳角貼邊外緣最大主應力為73.9 MPa，都小于鋼材極限抗力限值187.5 MPa。其中主管最大膜應力接近鋼材極限抗力限值，材料得到了比較充分的利用，說明初步擬定的補強板尺寸是比較合理的。

1.3 圓環法

在臨床治療中,婦科腹腔鏡手術是首選的手術治療方法。婦科腹腔鏡手術方法具體眾多優點,如手術安全性高、手術中出血量小、手術后恢復快等,從而有利于患者術后康復。但是婦科腹腔鏡手術效果與麻醉技術有著密切關系,因此在實施腹腔鏡手術過程中,麻醉至關重要[2][3]。

圓環法也是中、小型貼邊岔管設計中一種應用較廣的方法，其計算簡圖如圖2所示。

圖2 圓環法計算結構示意圖

圓環法計算原則是把補強板當作一圓環加勁結構，豎向荷載pr為主管破口處的不平衡力，橫向荷載則為主管管壁對補強板變形產生的約束力。

在確定管壁破口處應力時，需要先明確管壁破口處最大彎矩和最大拉應力。 管壁破口處最大彎矩和最大拉應力可依據下列公式計算：

(3)

N=prrd

(4)

管壁破口處環向應力可依據下列公式計算：

(5)

(6)

式中:M為彎矩,N·mm;N為軸拉力,N；r為主管半徑,取3 100 mm;rd為圓環中心半徑,取350 mm；p為內水壓力設計值,N/mm2;σ1、σ2分別為環向應力,N/mm2；A為補強板加勁結構有效截面積,mm2；Z為補強板有效截面上計算點至重心軸的距離,mm；I為補強板有效截面對重心的慣性矩,mm4。

用圓環法計算時，補強板尺寸采用經面積補償法計算后確定的補強板尺寸。即補強板寬為300 mm，厚度與主管壁厚一致，均為26 mm，材質與主管同。經計算，補強后管壁破口處的最大應力為172.2 MPa，小于鋼材極限抗力限值187.5 MPa，說明初步擬定的補強板尺寸是比較合理的。

1.4 人孔補強法

為了便于對壓力鋼管進行檢修及維護，在較長的壓力鋼管上經常會留有進人孔。在進人孔頸管與主管銜接處，也會在主管破口處采用補強板進行補強。人孔補強法主要是參照鋼管進人孔設計方法，人孔補強法適用于下列條件的孔口。

(1) 鋼管內徑D≤1 500 mm，開孔允許的最大直徑d≤1/2D；同時d不允許超過500 mm。

(2) 鋼管內徑D>1 500 mm，開孔允許的最大直徑d≤1/3D；同時d不允許超過1 000 mm。

本文所例水電站主管內徑D=6 200 mm，開孔處直徑d=400 mm，d≤1/3D，進水管軸線與鋼管主管軸線垂直，也可用進人孔設計方法進行計算。

補強板焊接在孔周管殼外緣，板面彎曲，曲率同鋼管外殼，內緣與頸管外壁焊接。當補強板采用厚度與管壁相同時補強板外徑D2由下式決定：

(7)

(8)

式中：D2為補強板外徑，mm；Dk為支管內徑,mm；其余符號意義同前式。

補強板壁厚和主管壁厚一致，均為26 mm，經計算，補強板外徑D2約為677 mm，小于用面積補償法和圓環法計算確定的補強板外徑D2(1 000 mm)。所以，補強板尺寸最終用面積補償法和圓環法計算確定。

確定補強板外徑D2后，可按下式初步判斷擬定的D2及t1能否滿足要求。

(9)

式中：t1為補強板厚度,mm；t2為支管壁厚，取8 mm；φ為焊縫系數，取0.9；其余符號意義同前式。

經計算，式(9)不等式左邊數值為16 061 mm2，右邊數值為10 608 mm2，左邊大于右邊，滿足不等式。可見補強板尺寸選取是合適的。

2 計算結果驗證

針對上述結構分析法確定的補強板厚度及寬度，用有限元法進行復核驗算。計算模型長度為主管直徑的1.5倍(以岔管中心為起點向上游或者向下游計算)，邊界條件采用全約束(即水平豎向位移和轉角)，網格劃分采用四邊形結構化網格，為提高計算精度，在岔管補強處對網格進行了局部加密。計算模型網格劃分及應力云圖如圖3、4所示。

從圖4知，岔管貼邊補強處最大主應力為169.1 MPa，小于鋼材極限抗力限值187.5 MPa，說明通過結構析方法所選取的補強板厚度和寬度是合適的。

3 結 語

(1) 貼邊岔管設計幾種結構分析計算方法的計算結果和有限元計算結果可以看出，在取上述補強板寬度和厚度的情況下，主管破口處應力、貼邊外緣最大主應力、主管膜應力、貼邊補強處最大主應力均接近但小于鋼材極限抗力值，說明通過結構分析法確定的補強板結構尺寸取值是比較合理的。

圖3 計算模型網格劃分圖

圖4 計算模型應力云圖

(2) 對中、小型工程，在設計貼邊岔管時，采用結構分析法確定補強板的厚度及寬度是可行的。

[1] DL/T 5141-2001,水電站壓力鋼管設計規范[S].北京：中國電力版社，2001.

[2] SL 281-2003,水電站壓力鋼管設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2003.

[3] 王巧紅,李文召.嵊州引水工程貼邊岔管方案的有限元計算[J].浙江水利水電專科學校學報,15(2):35-37.

[4] 榮譽,陳潔.岳城水庫供水工程貼邊岔管設計[J].水利水電工程設計,1999，(3):7-8.

[5] 水電部水利水電規劃設計院.水電站機電設計手冊(金屬結構)[M].北京：水利電力出版社，1991.

[6] 黃希元,唐怡生.小型水電站機電設計手冊[M].北京：水利電力出版社，1989.

Study on Design of Welted Bifurcated Penstock

WU Jun

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000,China)

The finite element method is applied for design of large-scaled welted bifurcated penstock. For small and medium-sized welted bifurcated penstocks, the structural analysis methods such as area compensation method, ring method and etc can be applied for calculation. In combination of engineering practice, several structural analyzing methods for design of small/medium-sized bifurcated penstocks are compared. The corresponding results are verified by results by the finite element method. The comparison presents that the results by area compensation method, ring method, etc are in compliance with those by the finite element method.

hydropower station; welted bifurcated penstock; structural analysis; finite element

2015-03-19

吳均(1979- ),男,四川省遂寧市人，工程師，從事水工設計研究工作.

TV674

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.022