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某水电站高压岔管设计分析一体化应用

2025-03-24 4 上传者：管理员

摘要：地下埋藏式压力管道的钢岔管是引水系统中一种重要的永久支护方式，也是引水系统承受内水压力最大的部位，结合了ABAQUS岔管一体化设计分析软件，对某水电站不同工况下的卜型岔进行三维设计和应力计算分析，通过合理设置岔管体型参数，得到不同工况下岔管的应力分布规律。结果表明：计算成果与经验数据匹配，该水电站控制工况为水压试验工况，采用的钢板厚度合适，岔管一体化设计分析可缩短设计周期。

关键词：
一体化设计
三维有限元
压力管道
应力计算
钢岔管
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采用多台机组共用一条压力管道,从一条主管上分出多条支管与机组连接｡近年来,随着关键调峰电源抽水蓄能电站的兴起,这种一分二或者一分三的压力管道布置更为普遍[1]｡岔管体型的合理设计和钢板的板厚选择成为制约引水系统投资经济性的关键性因素,但因岔管内水流情况复杂､水头损失较难计算､三维模型网格划分复杂等[2-3]客观条件存在,国内研究仍未有较为统一的计算分析方法,本文将结合ABAQUS的岔管一体化设计分析软件对国内某水电站的高压岔管进行模拟分析｡

1、工程概况及岔管体型设计

1.1工程概况

某水电站由首部枢纽､引水建筑物和厂房建筑物组成｡引水系统由进水口､有压引水隧洞､开敞式调压室和压力管道组成,采用“一洞三机”型式接入厂房｡压力管道主管内径7.0m,支管内径4.0m,主支管间以一个Y型岔和一个卜型岔衔接｡水电站正常蓄水位2788.00m,设计洪水位2782.03m,校核洪水位2785.21m,死水位2784.00m｡水库总库容116.2万m3,调节库容47.9万m3,装机容量391.8MW｡

1.2岔管体型初拟

本文以某水电站卜型岔为例进行分析,主支岔基本锥采用相同厚度42mm钢板,月牙肋钢板厚度84mm｡主管A进口直径5.702m,支管B出口直径4.042m,支管C出口直径4.042m,最大公切球半径3.279m(扩大率1.150)｡钢岔管设计控制参数见表1,二分钢岔管平面布置见图1｡

表1岔管体形参数

2、计算工况､荷载与模型建立

2.1边界条件与基本参数

压力管道最大水锤升压出现在正常蓄水位2788.00m,三台机满负荷运行,丢弃全负荷时的工况,压力波传播速度C为1200m/s,机组关闭时间为14s｡经计算,正常运行工况压力管道末端压力为2.484MPa;调压室最高涌浪水位为2843.13m,较正常蓄水位升高55.13m,压力管道末端最大内压由最高涌浪控制,最大压力为2.81MPa,水压试验工况最大内水压力按3.5125MPa(2.81MPa×1.25)考虑[4-5]｡

钢管材料选用600MPa级的07MnMoVR,岔管各部位结构抗力限值

图1岔管平面布置(单位:mm)

表2岔管结构系数及抗力限值

2.2计算工况与荷载

本次计算主要考虑两种工况｡

(1)持久工况:正常运行时,考虑岔管单独承载,不考虑外水压力,内水压力取正常运行时最高涌浪水位下的设计压力,取2.81MPa｡

(2)短暂工况:水压试验工况,施工打压考虑按照设计最大内水压力的1.25倍,即3.5125MPa内水压力计算｡

本工程岔管正常工况按埋管计算,水压试验工况按明管计算,考虑钢岔管单独承受内水压力,采用有限元法对其进行整体结构分析｡

2.3模型建立

本计算岔管为钢板结构,考虑建模开销和结构特点,计算模型按照壳单元要求进行三维有限元建模｡为确保网格形状,采用自由网格划分方式,整体包含岔管主体､岔管附加2个子部位,含48个分块｡模型网格划分后,在该部位的单元总数为7183,整体网格示意见图2｡

图2整体网格

3、计算结果

3.1水压试验工况

有限元计算表明:岔管主体应力范围为14.26~342.16MPa,最大值出现部位为:主管A第1段管节面､支管C第1段管节面､AC锥相贯线;整体中面应力范围为14.11~338.40MPa,最大值出现部位为:主管A第1段管节面､支管C第1段管节面､主管A左侧第1段边线､支管C右侧第1段边线､AC锥相贯线;整体顶面应力范围为13.20~345.72MPa,最大值出现部位为:主管A第1段管节面､支管C第1段管节面､主管A左侧第1段边线､支管C右侧第1段边线､AC锥相贯线｡

肋板底面应力范围为17.77~342.09MPa,肋板中面应力范围为16.94~337.28MPa,肋板顶面应力范围为8.76~343.17MPa｡应力计算结果见图3｡

图3应力计算结果(单位:MPa)

3.2正常运行工况

有限元计算表明:岔管主体底面应力范围为30.59~275.13MPa,最大值出现部位为:支管C第1段管节面;岔管主体中面应力范围为46.45~263.13MPa,最大值出现部位为:主管A第1段管节面､支管C第1段管节面､主管A左侧第1段边线､支管C右侧第1段边线､AC锥相贯线;岔管主体顶面应力范围为79.03~270.27MPa,最大值出现部位为:主管A第1段管节面､支管C第1段管节面､AC锥相贯线｡整体应力分布见图4｡

图4整体应力分布(单位:MPa)

4、结论及展望

通过三维设计分析一体化软件对某水电站高压钢岔管进行了分析验证,结果表明,岔管设计体型合理､板厚选择合适,岔管在各工况下应力均满足设计要求,整个计算过程相较于其他传统计算分析方法更为快捷｡除此之外,还进行了主支管之间过渡锥个数的验证,结果表明,过渡锥个数越多,主支管间流态越稳定,钢管应力越小,但同时,施工难度会增加｡笔者建议在设计小偏转角度的主支管时,适当增加过渡锥数量,尽量平顺主支管之间的偏转角｡

参考文献:

[1]闵毅,毕晨曦.CATIA软件对岔管线弹性的有限元计算及分析[J].陕西水利,2018(4):30-32.

[2]毛有智.基于ANSYS的压力钢管的应力变形分析及其壁厚选择[J].贵州大学学报(自然科学版),2013,30(2):111-114.

[3]毛根海,章军军,程伟平,等.卜型岔管水力模型试验及三维数值计算研究[J].水力发电学报,2005(2):16-20,51.

[4]水电水利规划设计总院.水电站压力钢管设计规范:NB/T35056—2015[S].北京:中国电力出版社,2016:27-107.

[5]水电水利规划设计总院.水电站地下埋藏式月牙肋钢岔管设计规范:NB/T35110—2018[S].北京:中国水利水电出版社,2018:12-45.

文章来源:赵明.某水电站高压岔管设计分析一体化应用[J].水电站设计,2025,41(01):64-66+72.