齊熱哈塔爾電站岔管計算分析

段雪瑩，王立成，阮建飛

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津300222）

1 工程概況

齊熱哈塔爾水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什市塔什庫爾干塔吉克自治縣境內(nèi)的塔什庫爾干河上。電站為低閘壩長隧洞引水式電站，岸邊式地面廠房。工程主要任務(wù)是發(fā)電，電站總裝機容量210 MW，多年平均年發(fā)電量為7.546 億kW·h。工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，永久性主要建筑物為3 級，次要建筑物為4 級。

電站岔管采用對稱Y 型布置，結(jié)構(gòu)型式采用結(jié)構(gòu)簡單、制作簡便的月牙肋岔管。1 號岔管分岔角為74°，主管管徑6.0 m，支管管徑4.2 m。2 號岔管分岔角亦為74°，主管內(nèi)徑4 m，支管管徑2.8 m。兩個岔管結(jié)構(gòu)類似，本文只對1號岔管進行計算，岔管鋼材選用SHY685NS-F。1 號岔管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 岔管平面布置

2 結(jié)構(gòu)力學法計算

2.1 計算工況及荷載

考慮岔管在巖體中埋深較淺，按明岔管進行計算分析。根據(jù)DL/T5141—2001《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》附錄F月牙肋岔管結(jié)構(gòu)分析方法。1 號岔管工作水頭在正常運行水擊壓力情況為4.37 MPa，在水壓試驗情況下，岔管內(nèi)水壓力取正常運行最高內(nèi)水壓力設(shè)計值的1.25 倍，為5.46 MPa。運行工況如表1所示。

表1 岔管各工況的荷載

2.2 鋼材特性

鋼材用日本產(chǎn)牌號為SHY685NS-F 鋼，彈性模量E=2.10×105MPa，泊松比μ=0.3，應(yīng)力控制要求：正常運行工況，整體膜應(yīng)力小于260 MPa，局部應(yīng)力小于380 MPa；水壓試驗，整體膜應(yīng)力小于355 MPa，局部應(yīng)力小于515 MPa。

2.3 計算結(jié)果

正常運行水擊壓力工況（持久狀況）明岔管按整體膜應(yīng)力估算管壁厚度成果見表2，明岔管按局部應(yīng)力估算管壁厚度計算成果見表3。

表2 持久狀況1 號岔管按整體膜應(yīng)力估算管壁厚度成果表

表3 持久狀況1 號岔管按局部應(yīng)力估算管壁厚度成果表

水壓試驗工況（短暫狀況）下，1 號岔管按整體膜應(yīng)力估算管壁厚度成果見表4，明岔管按局部應(yīng)力估算管壁厚度計算成果見表5。

表4 短暫狀況明岔管管按整體膜應(yīng)力估算管壁厚度成果表

表5 短暫狀況明岔管按局部應(yīng)力估算管壁厚度成果表

根據(jù)“大型岔管管壁宜設(shè)計為變厚，相鄰管節(jié)的壁厚之差值不宜大于4 mm”的規(guī)定：1 號岔管管節(jié)1，3，5 取62 mm；2，4，6 取58 mm。

3 有限元方法計算分析

3.1 計算模型

根據(jù)上述條件，采用有限元程序ANSYS，建立岔管的三維模型，并剖分單元施加荷載進行計算。考慮岔管在巖體中埋深較淺，按明岔管進行計算分析。模型假定鉛垂向上為Z 方向。計算模型三維單元圖如圖2所示。

圖2 岔管三維單元圖

3.2 計算結(jié)果

經(jīng)過計算，岔管的應(yīng)力結(jié)果見表6及圖3至6 所示。

4 計算結(jié)果分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)計算及有限元計算結(jié)果可以看出，岔管的Mises 應(yīng)力控制因素一般在岔管管殼及月牙肋板內(nèi)側(cè)，而其他部位的Mises 應(yīng)力一般不大，不作為設(shè)計的控制因素。有限元計算管壁最大Mises 應(yīng)力為427 MPa，月牙肋板上的最大Mises 應(yīng)力為347 MPa，均小于鋼材的允許應(yīng)力，滿足要求。并且最大的應(yīng)力接近允許應(yīng)力，材料利用充分，體型設(shè)計合理。

表6 1 號岔管加強結(jié)構(gòu)最大mises 應(yīng)力 MPa

圖3 岔管最大mises 應(yīng)力圖(工況1)

圖4 岔管月牙肋最大mises 應(yīng)力圖(工況1)

圖5 岔管最大mises 應(yīng)力圖(工況2)

圖6 岔管月牙肋最大mises 應(yīng)力圖(工況2)

［1］ 中水北方公司.齊熱哈塔爾水電站初步設(shè)計報告［R］.2009.

［2］ SL281-2003，水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2003.