新疆JBK水電站岔管有限元分析計算

陳 剛

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

水力發(fā)電是將高水位的勢能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，根據(jù)磁生電原理由轉(zhuǎn)子的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。由于一臺發(fā)電機(jī)組無法滿足水電站配電需求，而需要多臺機(jī)組同時發(fā)電，但修建發(fā)電洞成本很高，不建議一臺機(jī)一條洞。目前，水電站一般是采用1洞2～5機(jī)的形式進(jìn)行發(fā)電，很明顯出洞口分岔處是關(guān)鍵部位。如果設(shè)計不合理將會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，鋼岔管受力不均勻，最終導(dǎo)致水頭損失。若局部漏水嚴(yán)重時，甚至可能爆管，這將對下游發(fā)電廠房機(jī)組人員安全造成嚴(yán)重威脅。因此，對該分岔處的鋼岔管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計非常必要。

1 工程概況

JBK水電站工程由攔河大壩、泄洪、引水建筑物及地面廠房等主要建筑物組成；大壩為砼面板堆石壩，攔河壩為1級建筑物，溢洪洞、深孔泄洪洞為2級建筑物，發(fā)電洞及電站廠房為3級建筑物。攔河大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，洪峰流量為1 184.89 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)2000年一遇，洪峰流量為2 164.51 m3/s。廠房設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，洪峰流量為1 047.70 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，洪峰流量為1 321.54 m3/s。

JBK水電站發(fā)電洞鋼岔管承受的水壓力為1.7 MPa，是一個復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，對工程安全非常重要。為此，必須采用有限元法對鋼岔管原方案的管壁和肋板應(yīng)力進(jìn)行校核，驗證原設(shè)計方案是否滿足規(guī)范中允許應(yīng)力要求。

由于根據(jù)規(guī)范中經(jīng)驗公式得出的鋼岔管基本體型參數(shù)以及管壁厚度[1]，無法較為合理地假設(shè)邊界條件，錐管頂端處以及肋板與錐管焊縫處均無法考慮鋼岔管整體應(yīng)力分布，更無法計算出細(xì)部的應(yīng)力集中[2,3]。隨著計算機(jī)硬件及軟件水平的提高，有限元計算分析方法在水利設(shè)計及優(yōu)化時得到廣泛應(yīng)用。本次采用大型商業(yè)軟件ABAQUS進(jìn)行三維有限元分析計算其中最大的1#卜型鋼岔管的受力狀態(tài)，驗證設(shè)計是否滿足鋼岔管運行及試驗狀態(tài)下的應(yīng)力需求[5]。

2 幾何參數(shù)

新疆JBK水電站1#岔管采用卜型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管，分岔角68°，主錐、支錐各由3節(jié)錐管過渡，岔管公切球內(nèi)半徑3.617 4 m，采用07MnCrMoVR鋼，岔管厚度32 mm，肋板厚度72 mm。運行工況內(nèi)水壓力為1.7 MPa，1#鋼岔管具體參數(shù)見表1。

新疆JBK水電站1#岔管采用卜型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管平面尺寸圖見圖1，并用此圖建立模型。

表1 鋼岔管原方案幾何參數(shù)尺寸表

圖1 發(fā)電洞鋼岔管平面布置圖

鋼岔管各個管節(jié)用數(shù)字編號表示，管殼應(yīng)力控制點選擇各個管節(jié)母線的轉(zhuǎn)折部位，用字母表示，分別為A、B、C、D、E、F、G、H、I點，中心分叉處為A點，見圖2。

圖2 卜型鋼岔管及肋板平面布置圖

3 邊界條件

為減少邊界約束對鋼岔管主體應(yīng)力的影響，主直管和支直管長度分別取公切球半徑的兩倍以上[1]。在運行工況下，各管節(jié)厚度及梁厚度均扣除2 mm的銹蝕磨損裕度，假定3個直管管口，因管道和回填混凝土的限制，無軸向位移。

在水壓試驗工況下，依規(guī)范規(guī)定水壓試驗壓力為1.25倍設(shè)計壓力，即岔管管內(nèi)壁承受2.125 MPa內(nèi)水壓力；結(jié)構(gòu)厚度不扣除銹蝕磨損裕度，采用最后優(yōu)化方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算，水壓試驗工況，在主支管端加悶頭。

4 強(qiáng)度條件

應(yīng)力控制按照規(guī)范[5]中式6.1.3規(guī)定執(zhí)行，即按照第四強(qiáng)度理論計算公式(1)的等效應(yīng)力應(yīng)該小于等于允許應(yīng)力與焊縫系數(shù)的乘積，根據(jù)規(guī)范確定焊縫系數(shù)φ=0.95。管壁不同部位的允許應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)見表2、表3，計算時需依據(jù)鋼岔管各個部位的不同應(yīng)力類型，進(jìn)行應(yīng)力校核。

表2 允許應(yīng)力取值

表3 07MnCrMoVR鋼材允許應(yīng)力

注：表3中應(yīng)力單位均為MPa。

5 有限元計算分析

根據(jù)邊界約束長度取為公切球直徑1.5倍，單元類形為考慮橫向剪切應(yīng)變的曲面殼單元[1-4,7]，再將鋼岔管殼體結(jié)構(gòu)劃分為相應(yīng)網(wǎng)格密度的四邊形網(wǎng)格[6,8-9]，節(jié)點總數(shù)為8 642個，單元總數(shù)為7 986個，運行工況體型及試驗工況體型離散后模型見圖3。

圖3 1#鋼岔管原體型方案運行工況及試驗工況管殼和肋板網(wǎng)格

6 成果分析

由于半錐頂角與肋板厚度選用不合適會導(dǎo)致管殼應(yīng)力不均勻度較大，即應(yīng)力差較大，通過調(diào)整半錐頂角方法，降低腰線處管殼高應(yīng)力，之后降低肋板厚度，釋放一部分管殼變形量，有助于肋板分擔(dān)更多的應(yīng)力，計算成果見表4。

表4 正常運行工況1#鋼岔管關(guān)鍵點Mises應(yīng)力 /MPa

從正常運行工況的計算結(jié)果來看，1#岔管殼中面最大Mises應(yīng)力為329.5 MPa，出現(xiàn)在基本錐與主管過渡錐相接處的D點，大于鋼材的局部膜應(yīng)力的允許值325 MPa；管殼表面峰值應(yīng)力為484.1 MPa，小于鋼材的局部膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力的允許值490 MPa；肋板最大Mises應(yīng)力為215.4 MPa，小于相應(yīng)局部膜應(yīng)力允許值272 MPa。這說明1#岔管原方案的管壁厚度和肋板尺寸在正常運行工況下不安全。

從試驗工況的計算結(jié)果來看，1#岔管殼中面最大Mises應(yīng)力為410.8 MPa，出現(xiàn)在基本錐與主管過渡錐相接處的D點，大于鋼材的局部膜應(yīng)力的允許值406 MPa；管殼表面峰值應(yīng)力為615.3 MPa，大于鋼材的局部膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力的允許值610 MPa；肋板最大Mises應(yīng)力為285.6 MPa，小于相應(yīng)局部膜應(yīng)力允許值325 MPa。這說明1#岔管原方案管壁厚度的表面峰值應(yīng)力已超過鋼材屈服強(qiáng)度，在試驗工況下是不安全的，在優(yōu)化工作中應(yīng)予以加強(qiáng)鋼岔管體型強(qiáng)度或修改體型。

7 結(jié) 論

1) 按照規(guī)范結(jié)構(gòu)力學(xué)方法所得原設(shè)計方案計算成果，對于大型和重要的水電站，這種計算方法不能滿足要求。目前，采用有限元分析方法設(shè)計鋼岔管早已為工程界所接受，有限元法可以較為精確地求得管殼及肋板局部的應(yīng)力大小及應(yīng)力分布情況，模擬岔管各個部位的變形情況，特別是能夠反映岔管局部范圍的應(yīng)力集中情況，可為比較精確的岔管設(shè)計提供可靠的依據(jù)。

2) 從計算結(jié)果來看，采用傳統(tǒng)規(guī)范法設(shè)計的鋼岔管體型管殼表面大部分控制點的應(yīng)力基本滿足規(guī)范要求。但是對于復(fù)雜的焊縫處來說，如腰線部分以及A點錐管相交處，這里的應(yīng)力集中值無法計算，原設(shè)計體型在運行工況以及試驗工況鋼岔管管壁應(yīng)力不滿足規(guī)范要求，所以非常有必要對此類鋼岔管進(jìn)行有限元優(yōu)化分析。