多功能大口徑高壓鋼岔管有限元分析

姚廣亮,陳小云,伍鶴皋,石長征

(1.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510635；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

鋼岔管的應(yīng)用更多是用于水量的分流或者要求一根鋼管需要供應(yīng)多臺機(jī)組時設(shè)置，針對分水岔管的分析研究較多[1-2]，對結(jié)合車輛掉頭岔、檢修進(jìn)人岔、通風(fēng)岔等多功能大口徑高壓的岔管群研究比較少。本文以某引調(diào)水工程為背景，利用ANSYS軟件建立鋼岔管群三維模型，進(jìn)行整體受力分析[3-6]，最后得到較合理的鋼管壁厚和加強(qiáng)方案，以供同類工程參考。

1 工程概況

某引調(diào)水工程位于我國南方地區(qū)，輸水線路總長超100 km，采用深埋盾構(gòu)隧洞方式進(jìn)行輸水，輸水隧洞內(nèi)徑達(dá)2.9～8.2 m。該工程運(yùn)行管理規(guī)定每年定期進(jìn)行停水檢修。由于輸水線路長，檢修維護(hù)工作量大，人工步行檢查和維護(hù)效率低，難以在較短的檢修停水期內(nèi)完成巡檢和維護(hù)工作，需要采用機(jī)動車輛作為交通工具，因此需要在盾構(gòu)工作井內(nèi)設(shè)置檢修鋼岔管作為檢修車輛進(jìn)出或掉頭通道。

該工程全線共超30座永久工作井，以其中的某一座滲漏排水井為例，井內(nèi)設(shè)車輛掉頭支管、進(jìn)人支管及通風(fēng)支管。主管內(nèi)徑為5.25 m，掉頭支管內(nèi)徑為5.25 m，垂直于主管水平布置，并設(shè)置三梁加強(qiáng)，加強(qiáng)梁截面高度為1.4 m，梁截面厚度為80 mm；進(jìn)人管內(nèi)徑為1.40 m，垂直于主管水平布置，其管中心線與主管中心線相距約0.435 m，設(shè)置貼邊鋼板加強(qiáng)，貼邊寬度為0.4 m，鋼板厚度為20 mm；通風(fēng)支管內(nèi)徑為1.20 m，垂直于主管豎向布置，其軸線與主管豎向軸線重合，設(shè)置貼邊鋼板加強(qiáng)，貼邊寬度為0.4 m，鋼板厚度為20 mm。鋼岔管群布置形式見圖1所示。

圖1 多功能鋼岔管布置示意

鋼岔管設(shè)計壓力達(dá)到1.1 MPa，PD為528 m2，屬于較高PD值岔管。與水電站高壓岔管相比，本工程鋼岔管PD值雖然相對較小，但岔管處于盾構(gòu)工作井中，外包混凝土厚度最薄處僅0.5 m，無法依靠外包混凝土分擔(dān)內(nèi)水壓力，需要岔管自身承擔(dān)巨大的內(nèi)水壓力，對岔管本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求較高。另外本工程鋼岔管承擔(dān)停水檢修期通車任務(wù)，岔管的支管末端設(shè)置有可開啟鋼制堵板(即“悶頭”)作為檢修車輛的掉頭。由于岔管設(shè)計壓力高，為避免堵板滲漏損壞工作井內(nèi)設(shè)備，對堵板的密封性能要求很高，進(jìn)而對支管的變形控制要求也很高。目前，雖然有解析公式可以計算岔管應(yīng)力，但計算結(jié)果不夠精確，有必要采用有限元分析方法對檢修三通岔管進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形進(jìn)行分析，并對岔管壁厚、三梁高度和壁厚、主管和支管交角等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足堵板密封變形控制要求。

2 有限元模型計算

2.1 材料基本參數(shù)

岔管擬采用Q355C鋼材，容重?s=7.85×10-5N/mm3，鋼材彈性模量Es=2.06×105N/mm2，泊松比νs=0.30，線膨脹系數(shù)αs=1.2×10-5℃。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，Q355C鋼材的拉伸性能見表1所示。

表1 Q355C鋼材的拉伸性能

根據(jù)文獻(xiàn)[8]的規(guī)定，岔管鋼材允許應(yīng)力見表2。本工程鋼管除個別位置焊縫外，均采用雙面焊接，故焊縫系數(shù)ψ取為0.95。對于板厚為16～63 mm鋼板，由于其屈強(qiáng)比大于0.7，所以其屈服強(qiáng)度取為0.7倍抗拉強(qiáng)度，即為329MPa，據(jù)此計算鋼岔管允許應(yīng)力。

表2 岔管鋼材的允許應(yīng)力

2.2 計算荷載及組合

鋼岔管計算分正常運(yùn)行工況、水壓試驗(yàn)工況和停水檢修工況。正常運(yùn)行工況考慮靜水壓力+水擊壓力，荷載值為1.1 MPa；水壓試驗(yàn)工況內(nèi)水壓力按正常運(yùn)行工況內(nèi)水壓力的1.25倍[8-9]，考慮1.375 MPa；停水檢修工況不考慮內(nèi)水壓力，而外水壓力取0.1 MPa。

2.3 計算模型

按照水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，計算模型在主管兩端部取固端全約束；為了減小約束端的局部應(yīng)力影響，主管段軸線長度從分岔點(diǎn)向上游、下游分別為11.25 m、11.25 m。車輛掉頭岔悶頭矢高1.05 m，岔管計算參數(shù)見表3所示。鋼岔管管殼網(wǎng)格全部采用ANSYS中shell 181殼單元。有限元模型建立在笛卡爾直角坐標(biāo)系坐標(biāo)(X，Y，Z)下，XOY面為水平面，豎直方向?yàn)閆軸，向上為正，坐標(biāo)系成右手螺旋，在正常運(yùn)行工況下，有限元模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為10 359個，單元總數(shù)為10 250個，LG04#工作井三岔管的有限元模型計算網(wǎng)格如圖2所示。

表3 岔管計算參數(shù)

a 側(cè)視示意

b 俯視示意

3 正常運(yùn)行工況分析

本節(jié)采用有限元法，對岔管方案進(jìn)行正常運(yùn)行工況計算，內(nèi)水壓力為1.1 MPa。根據(jù)計算結(jié)果，整理了岔管管殼的Von Mises應(yīng)力，以及岔管的位移云圖(如圖3～圖5所示)。應(yīng)力以拉為正，壓為負(fù)。另外，將圖6所示各關(guān)鍵點(diǎn)的內(nèi)、中、外表面的Mises應(yīng)力值分別列于表4中。分析表4和圖3～圖4可知，工作井掉頭岔中面應(yīng)力極值均小于鋼材的局部應(yīng)力允許值209 MPa，其外面與內(nèi)面應(yīng)力極值均小于鋼材的局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力允許值250 MPa，滿足允許應(yīng)力的要求。掉頭岔悶頭部位整體膜應(yīng)力和局部應(yīng)力也分別低于鋼材相應(yīng)的允許應(yīng)力156 MPa和250 MPa，說明掉頭岔悶頭的矢高尺寸和壁厚均能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。鋼岔管最大合位移為8.34 mm，出現(xiàn)在主管頂部靠近三梁附近區(qū)域。從表4中各關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力均能滿足正常運(yùn)行工況下的允許應(yīng)力要求。

a 外表面

b 內(nèi)表面

c 中面圖3 三岔管正常運(yùn)行工況Mises應(yīng)力云示意(單位：MPa)

a 外表面

b 內(nèi)表面

c 中面圖4 正常運(yùn)行工況三梁Mises應(yīng)力云示意(單位：MPa)

圖5 正常運(yùn)行工況管殼合位移云示意(單位：m)

圖6 三岔管關(guān)鍵點(diǎn)位置示意

表4 正常運(yùn)行工況下岔管計算結(jié)果MPa

4 水壓試驗(yàn)工況分析

對鋼岔管進(jìn)行水壓試驗(yàn)，可削減構(gòu)件應(yīng)力峰值、鈍化缺陷處應(yīng)力和對設(shè)計、材料、施工質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)的有效方法[10-11]。本節(jié)采用有限元法，對岔管方案進(jìn)行水壓試驗(yàn)工況計算，內(nèi)水壓力為1.375 MPa。水壓試驗(yàn)布置如圖7所示，關(guān)鍵點(diǎn)如圖8所示。按照壓力鋼管設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，主管兩端部為橢球悶頭，悶頭矢高為1.05 m，經(jīng)過試算悶頭厚度取30 mm。一端悶頭中心點(diǎn)取固端全約束，另一端取X方向和Z方向位移約束。鋼岔管管殼網(wǎng)格全部采用ANSYS中shell 181殼單元(計算結(jié)果見表5所示)。

圖7 三岔管水壓試驗(yàn)布置示意

圖8 三岔管關(guān)鍵點(diǎn)位置示意

表5 水壓試驗(yàn)工況下岔管計算結(jié)果 MPa

由表5可知，主管和掉頭岔岔管的中面應(yīng)力極值均小于鋼材的局部應(yīng)力允許值255 MPa，其外表面與內(nèi)表面應(yīng)力極值均小于鋼材的局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力允許值318 MPa，滿足允許應(yīng)力的要求。掉頭岔悶頭部位整體膜應(yīng)力和局部應(yīng)力也分別低于鋼材相應(yīng)的允許應(yīng)力為223 MPa和318 MPa，說明掉頭岔的悶頭壁厚均能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。主管悶頭部位整體膜應(yīng)力和局部應(yīng)力也分別低于鋼材相應(yīng)的允許應(yīng)力223 MPa和318 MPa，說明主管悶頭的矢高尺寸和壁厚30 mm可以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

5 檢修工況分析

鋼岔管檢修時，鋼管內(nèi)無水壓。根據(jù)鋼管規(guī)范的要求，應(yīng)對鋼岔管應(yīng)校核抗外壓穩(wěn)定。提高鋼管抗外壓穩(wěn)定常用措施為增加管壁厚度、設(shè)計加勁環(huán)、外包鋼筋混凝土等。對直鋼管(圓樁管)抗外壓穩(wěn)定規(guī)范有計算公式[12-13]，但迄今為止，鋼岔管尚無相應(yīng)的抗外壓穩(wěn)定計算公式。一般仍近似按圓柱管(取岔管分岔處最大直徑)校核其抗外壓穩(wěn)定。各岔管臨界外壓力根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》(SL281-2020)中推薦的埋藏式鋼管光面管臨界外壓力公式計算。

(1)

式(1)中t采用計算厚度(即計算時扣除4 mm銹蝕厚度)，鋼材屈服強(qiáng)度取329 MPa，經(jīng)計算，鋼岔管外包鋼筋混凝土后，按埋管計算光面管計算臨界壓力為1.04 MPa，相應(yīng)抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)為10.4，均大于2.0，滿足規(guī)范抗外壓穩(wěn)定要求。

6 結(jié)語

本文對多功能大口徑高壓岔管結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元計算分析，得到了鋼岔管的體型和受力特性，可以得出如下結(jié)論：

1) 經(jīng)過正常運(yùn)行工況、水壓試驗(yàn)工況下掉頭岔、進(jìn)人岔、通風(fēng)岔等通過三梁加強(qiáng)或貼邊補(bǔ)強(qiáng)后，各部位整體膜應(yīng)力、局部應(yīng)力均小于鋼材相應(yīng)的應(yīng)力允許值，說明所設(shè)計的岔管體形、管壁厚度以及加強(qiáng)梁尺寸是可行的，可以滿足工程要求。

2) 檢修工況下，由于鋼岔管外(水)壓力相對較小，鋼(岔)管外包鋼筋混凝土后，不需要設(shè)置加勁環(huán)就能滿足抗外壓穩(wěn)定要求。

許多工程實(shí)踐表明，鋼岔管是輸水系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部位，其施工工藝和質(zhì)量直接影響到工程進(jìn)度和安全，應(yīng)該從材料采購、制作安裝、焊縫檢測等工序入手，加強(qiáng)各個環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量管理，比如加強(qiáng)對原材料鋼板的檢測，要求其滿足相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；對鋼岔管焊接質(zhì)量和焊縫檢測嚴(yán)格要求，避免產(chǎn)生焊接裂紋，在條件允許的情況下，建議進(jìn)行水壓試驗(yàn)，以進(jìn)一步檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量，消減焊接殘余應(yīng)力，確保鋼岔管質(zhì)量。