基于某电站“卜”型高压钢岔管体型优化设计研究

基于某电站“卜”型高压钢岔管体型优化设计研究

王虎林1 曹大为2 张国辉2  王永一2  关李海3   任天卫2 

（1.  新疆新华水电投资股份有限公司，邮编830017    2.中国电建集团，邮编100024   3.国能电力工程管理有限公司，邮编100010）

摘要：为了满足高压钢岔管在电站高泥沙工况下的运行条件，满足钢岔管部位受力要求，在发挥材料强度的同时，达到降低管壁厚度、减少泥沙磨损、延长使用寿命、同时达到降低投资的目的。本文对某水电站上“卜”形高压钢岔管的体型进行了优化设计，研究中考虑到该岔管体型复杂，内水压力大及岔管布置处复杂的地基条件，在常规计算得出岔管体型结构的基础上，采用有限元计算软件对钢岔管体型进行了优化分析与设计。通过对腰线转折角、岔管壁厚以及肋板宽度不断调整，最终确定推荐尺寸钢岔管。经对推荐尺寸钢岔管结构分析后发现，体型优化设计后钢岔管在满足设计安全要求的前提下，极大提升了工程经济性，满足电站安全使用要求。

关键词：钢岔管；体型优化设计；结构设计；水利水电工程设计；ANSYS有限元模拟。

1 概述

某水电站位于新疆阿克苏地区拜城县，电站总装机容量160MW，电站单独调节时，多年平均发电量5.424亿kWh，年利用小时数3390h。

电站采用引水式开发，由渠首、引水系统、岸边厂房、尾水建筑物等组成。渠首建筑物包括进水闸、引水明渠、泄洪冲沙闸、泄水明渠和侧堰，总长298.6m。引水系统长约15.8km（沿4#机），引用流量66.0m3/s，引水隧洞开挖洞径5.94m，调压室采用阻抗式调压室，发电厂房为岸边式厂房，装4台（2台单机70MW，2台单机10MW）立轴混流式水轮发电机组。

本工程压力管道采用钢板衬砌,全长905.19m，采用一管四机的布置形式，1#、2#支管长51.74m， 3#、4#支管长64.11m，共设有三个岔管。根据机组布置和大小机流量关系，岔管采用一个“卜”型岔、两个“Y”型岔。主管为地下埋管，壁厚12～40mm，支管为明管，壁厚为24～30mm。1#钢岔管为“卜”型结构，考虑到该岔管存在各支管尺寸相差较大，流量分配极不均匀，岔管布置在深厚覆盖层等不利因素，故采用传统解析法确定岔管体型存在不足。通过三维有限元计算，计算岔管应力，对1#岔管体形进行优化，研究分析各部位不同工况下的应力、变形，确保优化后的岔管设计安全、经济。图1.1为“卜”型钢岔管照片：

图1.1 某电站高压钢岔管现场实拍图

2 钢岔管体型优化设计

利用ANSYS有限元计算软件，采用线弹性模型，针对优化前方案进行正常运行工况下三维有限元计算，根据《水电站压力钢管设计规范》（NB/T 35056-2015）的规定，正常运行工况下荷载由静水压力和水击压力组成内水压力，分项系数分别为1.0、1.1，经计算内水压力设计值为3.997MPa。岔管钢材拟采用07MnCrMoVR型调质钢板，钢材的力学性能参数见表2-1。

表2-1 钢材力学性能参数

在电站正常运行工况下进行体型优化设计，主要针对腰线转折角、岔管壁厚、肋板宽度进行优化设计。将优化设计前后岔管各部位的应力及变形进行对比，确定推荐方案的岔管体型。优化设计钢岔管满足应力分布合理、变形均匀且较小、肋宽比合理等要求，同时降低管壁及肋板厚度。优化前钢岔管具体尺寸和体型图分别见表2-2、图2.1。

表2-2 优化设计前钢岔管体型尺寸

注：计算壁厚=表中的壁厚-2mm（锈蚀厚度）。

网格剖分全部采用ANSYS中四节点板壳单元, 月牙肋由于厚度较厚，为分析肋板Z向的应力情况，故采用45号八节点实体单元模拟。由于管径较大，将网格作较细的剖分，直管或锥管段沿圆周划分成80等份。岔管有限元模型计算网格见图2.2所示。

根据优化设计前方案正常工况下三维有限元计算结果，整理各个特征点的环向应力、Mises应力及径向位移如表2-3所列。

表2-3  优化设计前正常运行工况下特征点的应力（MPa）及位移

2.1 腰线转折角优化设计

根据优化设计前方案的计算结果可知：岔管主管侧管节的主要高应力区在钝角区腰线A、B、C点，这些点的应力显著高于管壳腰线上其它控制点。根据局部膜应力的计算结果可知，正常运行工况下该部位应力的不均匀度为8%，可见在正常运行工况下，岔管主管腰线一侧的局部应力分布较不均匀，这主要是由于A点的转折角度偏大引起的。虽然原方案在腰线转折角应力水平都在抗力限值以内，但从岔管结构优化分析的结果来看，各转折角的应力分布较不均匀，腰线转折角还有一定的优化设计空间。

在保持分岔角不变的情况下，对主管腰线转折角进行优化设计，岔管主管A、B两个转折角由原设计的12°、 8°调整为11°、 9°。根据优化后计算结果表明，岔管的应力及位移分布规律与原设计方案相同，但该部位的应力分布更为均匀，正常运行工况下该部位应力的不均匀度由8%降低为4.3%；且A点的局部膜应力由原先的246MPa降低为239MPa，局部膜应力+弯曲应力也相应的有所降低。因此可见，主管转折角的调整改善了结构受力条件。

2.2岔管壁厚优化设计

经过腰线转折角度优化后，岔管的膜应力区及局部应力区应力均小于抗力限值。可见岔管钢材的性能并没有弯曲发挥，岔管壁厚仍然存在优化空间，因此将岔管主管的壁厚由46mm优化为44mm，支管过渡锥由46mm优化为40mm再进行计算。

根据计算结果，优化设计后整体膜应力最大值由原先的188MPa增加至197MPa，局部膜应力最大值由原先的239MPa增加至252MPa，局部膜应力+弯曲应力最大值由原先的262MPa增加至287MPa，但仍小于各自的抗力限值。对岔管壁厚的调整在发挥材料强度的同时达到了降低管壁厚度、节省钢材、降低投资的目的。

2.3肋板宽度优化设计

经过岔管壁厚的调整后发现，在肋宽比为0.31时，肋板应力控制点LB1的Mises应力为317MPa，大于抗力限值289MPa，这就需要适当加大肋板的宽度，以满足LB1点小于抗力限制的要求。在保持岔管体形、肋板的厚度不变的前提下，对肋板的宽度进行调整，使得肋宽比不断提高直至满足LB1点Mises应力限制的要求。

经过将原设计方案的肋宽比0.31增加至0.347，控制点LB1的应力最大值由原先的317MPa降低为286MPa，小于抗力限值289MPa。

3. 优化后钢岔管结构分析

3.1 钢岔管有限元结果

经过对岔管腰线转折角、壁厚以及肋板宽度的优化，确定某电站钢岔管的推荐尺寸，本节对推荐尺寸的钢岔管进行有限元结构分析，材料的力学参数及模型建立情况与2.钢岔管体型优化中相同。图3.1为正常工况下钢岔管各部位受力云图，图3.2为各特征线应力曲线情况。

3.2  钢岔管计算结果分析

根据计算结果，对推荐尺寸的钢岔管在正常运行工况的受力状态进行分析可知：

（1）正常运行工况下所有特征点的局部膜应力+弯曲应力均小于钢材的抗力限值，整个岔管Mises应力最大值、环向应力最大值均小于钢材的抗力限值305MPa，有安全裕度；局部膜应力环向应力、Mises应力均小于抗力限值259MPa，有安全裕度；整体膜应力小于抗力限值210MPa，有安全裕度。

（2）由于岔管结构不对称，故肋板承受一定的侧向弯曲作用且沿肋板厚度方向应力不完全相同，肋板腰部内缘应力高于肋板其他部位，但均小于抗力限值289MPa；除此之外，由于该岔管为非对称结构，其应力分布也呈现不对称性，岔管主管各管节由于管径大于支管各管节，其应力总体上高于支管部分；支管1的管径又大于支管2的管径，其应力总体上高于支管2部分。岔管应力分布复杂的部位在岔管的肋旁管壳一线以及主、支锥相贯线。

（3）由于结构不对称，岔管裆部承受两侧支管的不平衡力，但该处应力值较低，不是岔管设计的应力控制部位。岔管主管腰线的应力显著高于管壳腰线，正常运行工况下，岔管主管腰线一侧的局部应力分布均匀，不均匀度最大为3.8%。岔管1支管侧各管节在正常运行工况状态下的应力值不高，正常运行工况该部位应力的不均匀度最大为4.6%，应力分布较为均匀，且应力值较小。岔管2支管侧各管节在正常运行工况下的应力值较低，均小于200MPa，支管2腰线的局部应力分布较为均匀，且应力水平低，不均匀度最大为8.7%。

（4）腰线转折角呈现一定程度的应力集中，对比内、中、外表面的应力特征线，一般特征线内表面最大，中面次之、外表面较小；在主、支管相贯线OC、OK以及OH的应力较为复杂，在靠近岔管顶部的应力较大。正常运行工况下岔管顶点变位与腰线变位不均匀程度较大，除I、J两点以外其他腰线部位的径向位移均为负值，顶部节点的径向位移都为正值。最大的径向位移发生在主管的顶部，其值为5.4mm。

4.结论与展望

（1）经过体型优化设计，在正常工况下推荐尺寸钢岔管的力学性能以及经济性明显提升，岔管局部膜应力、弯曲应力等力学指标均小于钢材的抗力限制，满足结构安全设计要求。

（2）岔管主管各管节尺寸大于支管各管节，因此主管应力明显大于支管，且应力集中区域主要分布在岔管肋旁管壳一线以及主、支锥相贯线。

（3）相比较岔管主管，支管1、2各点应力指标明显小于主管，整体应力水平较低且分布更加均匀。两支管裆部虽承受来着不同支管的不平衡力，但裆部应力值较低，不属于岔管设计控制部位。

（4）岔管属于非对称结构，肋板承受侧向弯曲作用，肋板腰部内缘应力高于肋板其他部位。在正常工况下，肋板LB1点的局部膜应力为286MPa，仅小于抗力限制3MPa，在后续设计及施工过程中，应加强对肋板处的安全监测。

（5）采用ANSYS有限元计算方法对非对称卜型岔管的研究可以有效的优化岔管体型，改善岔管受力条件，优化壁厚，节约钢材用量，是一种有效的设计手段。本文钢岔管所属电站已投入运行发电多年，经放空维修钢岔管结构安全稳定、运行良好。

参考文献

[1]潘崇仁.新疆某电站卜型钢岔管三维有限元优化分析 [J].广西水利水电，2017,(2).

[2]陈刚.新疆JBK水电站岔管有限元分析计算 [J].水利科技与经济，2018,(6).

[3]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.