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某混合式抽水蓄能电站钢岔管体型设计的研究

2024-09-19 21 上传者：管理员

摘要：结合某混合式抽水蓄能电站具体特点，利用ANSYS有限元计算分析软件进行钢岔管结构设计分析，计算了两种典型工况的应力变形规律，并按照明管准则对钢岔管进行结构复核。结果表明：岔管转折处应力集中情况明显，位移应力分布符合一般规律；正常运行工况控制肋板体型，水压试验工况控制管壁体型。各工况下钢岔管均满足结构安全性要求，为混合式抽水蓄能电站钢岔管设计提供参考。

关键词：
体型设计
发电系统
月牙肋岔管
有限元方法
混合式抽水蓄能
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钢岔管对于输水发电系统安全可靠运行具有重要的意义，其结构受力复杂，体型对于施工组织、工期均有一定影响，设计出合理、可靠、经济的钢岔管对工程建设推进、发电运行意义重大。针对某大型流域梯级混合抽水蓄能电站项目，结合其工程指标特点及结构布置，研究钢岔管的体型结构。

通过理论计算公式，对岔管管壁厚度、肋板厚度、分岔体型等参数进行初步计算分析；然后利用初步设计体型，基于有限元理论，结合ANSYS程序研究钢岔管的结构受力特点；通过考虑围岩联合承载的埋管三维有限元计算，结合明管准则对岔管结构体型进行复核，再通过敏感计算分析得到水压试验的指导值，最后得到钢岔管的较优体型，为后续混合式抽水蓄能电站钢岔管结构设计提供参考。

1、设计理论与方法

1.1设计方法及思路

某混合式抽水蓄能电站利用已有上下水库成库，形成新建输水发电系统。该电站设计水头较传统抽蓄电站低，输水系统水头损失对经济动能指标影响较大，钢岔管处水头损失较大，因此需要降低岔管处流速以降低输水系统水头损失；此外，由于混合式抽水蓄能电站流量大，从经济流速角度也应适当加大管径，此时岔管主管直径8 m,流速6.12 m/s。但是，加大管径后带来的超大岔管制作难度、运输安装难度、水压试验难度、施工辅助工程量等方面对工程投资、安全可靠性均存在不利影响。因此，本电站钢岔管设计时，通过综合考虑岔管制作难度及水头损失，拟定主管直径为6.7 m,流速为8.72 m/s。

本电站采用“两洞四机”供水方式，故采用对称Y形月牙肋钢岔管。基于相关规范理论公式[1-2]对岔管体型进行设计，再利用三维有限元计算方法对结构进行优化设计。

1.2设计输入及基本体型

本电站装机容量1 200 MW,为一等大(1)型工程，钢岔管等主要建筑物按1级建筑物设计，额定水头234 m,通过调节保证计算岔管设计水头480 m,主管直径6.7 m。按照NB/T 35056—2015《水电站压力钢管设计规范》、NB/T 35110—2018《水电站地下埋藏式月牙肋钢岔管设计规范》的理论方法，经初步计算，支管直径4.6 m,对称Y形月牙肋钢岔管分岔角70°,岔管基本体型见图1。

2、计算模型及荷载

2.1计算参数及荷载

考虑岔管所处位置的水头较高，岔管钢材拟采用800 MPa级Q690钢材，钢材容重γs为7.85×10-5N/mm3,钢材弹性模量Es为2.06×105N/mm2,泊松比νs为0.30,线膨胀系数αs为1.2×10-5/℃。钢板相应的设计强度指标见表1。本电站钢岔管所处地质条件为Ⅲ类围岩，计算时取Ⅲ类围岩地质物理力学参数中值进行计算，即围岩单位弹性抗力K0为40 MPa/cm,岩石膨胀系数αd值取0.4×10-5/℃,泊松比μd为0.325。考虑钢岔管与围岩、回填混凝土间总缝隙值取1.5 mm。岔管设计内水压力4.80 MPa,正常运行工况计算时采用点点接触单元模拟钢衬与围岩的联合承载机制[3-5]。

图1岔管基本体型(单位:mm)

表1岔管钢材的设计强度指标

按承载能力极限状态，各计算点的应力应符合下列要求：

σ≤σR。

各计算点的应力应按第四强度理论计算，其计算式为：σ=[σθ2+σx2+σr2-σθσx-σθσr-σxσr+3(τθx2+τθr2+τxr2)]12;σR=1γ0ψγdf。

根据埋藏式月牙肋岔管结构系数规定，计算得到钢岔管各部位的应力控制指标见表2,对应钢岔管的应力关键部位见图2。

表2钢管各部位应力控制指标

图2岔管关键点位置示意

2.2计算模型

按照NB/T 35056—2015《水电站压力钢管设计规范》的规定，模型的建立尽量贴近岔管的实际受力情况：在正常运行工况下，模型在主管和支管端部取固端全约束，为了减小约束端的局部应力影响，主支管段轴线长度从分岔点向上下游分别取最大公切球直径的1.5倍以上；在水压试验工况下，模型仅在岔管底部支撑部位设置竖向支撑，岔管端部取最大公切球直径的1.5倍以上距离设置闷头。

钢岔管网格剖分全部采用ANSYS中四节点shell181板壳单元，肋板采用solid185实体单元，围岩采用contac52单元模拟。有限元模型建立在笛卡尔直角坐标系坐标(X,Y,Z)下，XOY面为水平面，竖直方向为Z轴，向上为正，坐标系成右手螺旋，坐标原点位于主管与主锥管连接断面的管中心处。钢岔管工况有限元模型计算网格见图3～4。

图3正常运行工况计算模型

图4水压试验工况计算模型

3、有限元计算分析

3.1正常运行钢板设计及应力成果

在正常运行工况下，岔管在基本锥与主管支锥管相交的部位出现最大Mises应力307.1 MPa,此处为管壳转折处，存在应力集中情况，受力类型为局部膜应力+弯曲应力，低于应力限值397 MPa。圆管范围内整体膜应力最大值为244 MPa,接近应力限值291 MPa。月牙肋肋板板材厚度超过100 mm,其Mises应力限值为300 MPa。月牙肋肋板Mises应力在内侧最大为245 MPa,低于应力限值；在月牙肋板最宽处，应力分布规律为自肋板内缘向外缘应力逐渐降低，肋板外缘Mises应力最低为111 MPa;应力等值线基本与肋板内外缘轮廓线平行，但是在肋板2/3高度处Mises最低为67.7 MPa。相应应力云图见图5～6,正常运行工况钢板Mises应力汇总见表3～4。

图5正常运行工况下钢岔管(不含肋板)内表面Mises应力(单位:MPa)

图6正常运行工况下肋板Mises应力(单位:MPa)

表3正常运行工况管壳关键点Mises应力汇总

表4正常运行工况钢板Mises应力汇总

3.2明管准则复核计算

通过正常运行工况优化得到的体型，需要通过“明管准则”进行复核计算，限制埋藏式月牙肋钢岔管围岩分担内荷载比率，即使在不考虑围岩分担内水压力作用时，岔管的最大应力也不超过钢材的屈服强度，以此限制管壁及肋板的最小厚度，保证埋藏式月牙肋钢岔管的安全。从明管准则复核计算结果可知，岔管管壳外、中、内面各点应力均小于允许值618 MPa,满足明管校核准则应力要求，其中管壳表面峰值应力为456 MPa,出现在管壳腰部主锥与支锥相贯处，低于钢材的局部膜应力加弯曲应力的允许值618 MPa;肋板最大Mises应力为430.3 MPa,低于肋板应力允许值599 MPa。管壳各应力和肋板应力均低于允许应力且留有一定安全裕度，这说明岔管管壁厚度和肋板尺寸是由正常运行工况控制，体型设计成果满足明管准则。相应应力云图见图7～8,关键点Mises应力汇总见表5～6。

图7明管准则复核后钢岔管(不含肋板)内表面Mises应力(单位:MPa)

图8明管准则复核后肋板Mises应力(单位:MPa)

单位:MPa

表5明管准则复核管壳关键点Mises应力汇总

表6明管准则复核钢板Mises应力汇总

为研究岔管外部总缝隙值和围岩单位弹性抗力系数对于岔管结构受力的影响，本文继续针对不同总缝隙值(1.0、1.5、2.0 mm)和围岩不同单位弹性抗力系数(30、40、50 MPa/cm)进行分析。根据明管准则复核工况下钢岔管的应力和相应管壳厚度条件下岔管联合承载时的应力结果，分别整理了埋管状态与明钢管状态围岩承载比(见表7)。通过分析发现，总缝隙值越大、围岩弹性抗力系数越小，则围岩对岔管的内荷载分担率越低。推荐体型围岩承载比为25.83%,不超过允许值30%。

表7岔管联合承载时围岩承载比

3.3水压试验钢板设计及应力成果

根据NB/T 35056—2015《水电站压力钢管设计规范》规定，考虑围岩分担内水压力的岔管，水压试验的压力值应根据地下埋藏式岔管体型、试验条件及水压试验工况计算确定。通过计算分析，当水压试验水头达到442 m时，钢板整体膜应力达到351 MPa,接近应力限值359 MPa,经过计算确定水压试验的压力值为0.92倍内水压力，相应应力汇总见表8～9。通过分析发现，水压试验工况下管壁应力比肋板应力更接近应力限值，相应正常运行工况下肋板应力却比管壁应力更接近于应力限值，说明在正常运行工况下，计算应力值控制肋板的厚度，水压试验工况下，计算应力值控制管壁的厚度。

单位:MPa

表8水压试验工况管壳关键点Mises应力汇总

表9水压试验工况钢板Mises应力汇总

4、结论

(1)岔管应力、围岩承载率受管壁与围岩间总缝隙值影响较大。总缝隙值越大，则围岩对岔管的内荷载分担率越低，岔管应力越大，因此做好岔管外侧回填混凝土质量有利于岔管与围岩联合承载。

(2)围岩弹性抗力值对围岩承载率影响较大。围岩弹性抗力系数越小，围岩承载率越低，做好岔管外侧灌浆质量对联合承载有利。

(3)混合式抽水蓄能电站额定水头低、流量大，在岔管体型设计时需适当提高流速，降低岔管直径，对于岔管安装质量、施工组织、经济性均是有利的。

参考文献:

[1]水电水利规划设计总院.水电站压力钢管设计规范:NB/T 35056—2015[S].北京:中国电力出版社,2016:29-30.

[2]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/T 35110—2018[S].北京:中国水利水电出版社,2018:15.

[3]周彩荣,伍鹤皋,石长征,等.埋藏式月牙肋钢岔管布置形式选择和承载特性研究[J].水力发电学报,2014,33(4):208-213.

[4]周彩荣,伍鹤皋,石长征,等.埋藏式月牙肋钢岔管应力控制标准的比较研究[J].水力发电,2014,40(4):54-57.