水电站压力管道平顶平底月牙肋钢岔管结构设计及应力分析.pdf

常规月牙肋钢岔管为上下对称结构,在压力管道检修放空时,钢岔管底部存在积水问题;在压力管道运行前充水时,钢岔管顶部存在积气问题。为解决上述问题,提出了一种平顶平底钢岔管,其由多个主锥管锥节、支锥管锥节和不对称月牙肋组成;主管与主锥管的管顶线位于同一水平面,支锥管与支管的管底线位于同一水平面;相邻管节间设公切球,以使相邻管节间相贯线为平面曲线。以C C S水电站压力管道为例,对中心对称钢岔管、平底钢岔管、平顶平底钢岔管进行有限元分析,结果表明,中心对称钢岔管上下对称、受力最好,平顶平底钢岔管较平底钢岔管应力集中现象有所缓解。此外,平顶平底钢岔管在体型上实现了压力管道及钢岔管的完全自流排水与完全自流排气,有效缩短压力管道检修排水时间,有利于机组高效稳定运行。关键词:压力管道;钢岔管;排水与排气;平底钢岔管;平顶平底钢岔管中图分类号:T V 7 3 2+.4 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 8-0 1 1 2(2 0 2 3)0 8-0 0 6 3-0 4 收稿日期:2 0 2 3-0 3-1 7;修回日期:2 0 2 3-0 4-0 9作者简介:张智沛(1 9 9 5-),男,硕士,工程师,从事水电站发电引水系统设计工作。1 概述钢岔管是水电站发电引水系统的重要组成部分之一,当前较为常用的月牙肋钢岔管便具有较好的工作应力状态和较小的水头损失1。钢岔管作为连接压力管道主管与支管的特殊异形管段,结构形式通常是以管道轴线所在平面为对称面的上下对称结构(见图1)2。由于主管与支管管径的不同,当压力管道检修放空时,因钢岔管中心底部高程低于支管管底高程,钢岔管底部部分水体不能自流排出,存在底部积水问题,不便于压力管道的正常检修;在压力管道充水时,因钢岔管中心顶部高程高于主管管顶高程,钢岔管顶部部分气体不能自流排出,存在顶部积气问题,对机组的高效和稳定运行存在一定影响。目前国内部分高校和设计单位对钢岔管底部积水问题进行了研究并提出相应的解决方案3-4。武汉大学研究并提出了一种对称平底钢岔管,钢岔管各管节管底位于同一高程,认为平底钢岔管体形匀称,水力特性良好,受力合理,没有明显的应力集中,可以在实际工程中推广采用1,5-6;中国能源建设集团提出了一种多锥节平底月牙肋钢岔管7-8,并且通过二次开发实现快速设计;长江勘测规划设计研究有限责任公司以西藏德罗水电站为例,对平底钢岔管的体型与结构设计进行了研究,认为平底钢岔管既能方便排水检修,也能满足受力要求,可在工程中进行推广应用9;中国电建集团在新疆夏特水电站(2 4 8 MW)建设中率先采用了平底钢岔管设计,2 0 1 9年1 0月取得水压试验成功,2 0 2 1年1 1月首台机组正式并网发电,标志着平底钢岔管在工程实践中获得成功1 0。平底钢岔管在结构上实现了钢岔管底部的自流排水,较好地解决了钢岔管底部积水问题,便于压力管道的检修,但仍未能解决压力管道充水时钢岔管的顶部积气问题;与上下对称钢岔管结构相比,平底钢岔管方案还将导致更多的顶部积气。本文在中心对称钢岔管、平底钢岔管的设计原则和设计理念的基础上,提出了一种上游主管各管节的管顶与钢岔管顶部位于同一高程、下游支管各管节的管底与钢岔管底部位于同一高程的钢岔管结构,称之为平顶平底钢岔管。平顶平底钢岔管能够实现在压力管道检修放空时完全自36流排水、在运行前充水时可以完全自流排气,有效缩短压力管道检修排水时间,有利于机组高效稳定运行。2 平顶平底钢岔管体型设计与分析常规月牙肋钢岔管的主管、主锥管、支锥管与支管的管轴线位于同一水平面,沿主管和一条支管轴线的剖面如图1所示。岔管为上下对称结构,对称面为管轴线所在的水平面,相邻管段间有公切球,以保证管段的相贯线为平面曲线。图1 中心对称钢岔管剖面示意平底月牙肋钢岔管的主管、主锥管、支锥管与支管的管底线位于同一水平面,沿主管和一条支管轴线的剖面如图2所示。岔管为上下非对称结构,相邻管段间有公切球,以保证管段的相贯线为平面曲线。图2 平底钢岔管剖面示意平顶平底月牙肋钢岔管的主管与主锥管的管顶线位于同一水平面,支锥管与支管的管底线位于同一水平面,沿主管和一条支管轴线的剖面如图3所示,三维体型如图4所示。岔管为上下非对称结构,相邻管段间设公切球,以保证管段的相贯线为平面曲线。图3 平顶平底钢岔管剖面示意 由于平顶平底钢岔管支锥管与支管的管底线位于同一水平面,在压力管道检修放空时,钢岔管内的水体可以完全自流排出;主管与主锥管的管顶线位于同一水平面,在压力管道运行前充水时,钢岔管内的气体可以完全自流排出。图4 平顶平底钢岔管三维体型示意3 工程案例对比与分析选取C o c a C o d o S i n c l a i r(简称C C S)水电站钢岔管进行对比分析,C C S水电站位于南美洲厄瓜多尔,主要建筑物组成包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道、地下厂房等。C C S电站共布置有8台1 8 7.5 MW发电机组,引水发电系统内以一管四机形式布置两条引水压力管道。压力钢管全程为地下埋管,外包混凝土衬圈及围岩1 1。3.1 结构方面以厄瓜多尔C C S水电站3#与4#机钢岔管设计为例,主钢管直径为3.7 m,壁厚为4 8 mm,两支管直径为2.6 m,壁厚为6 8 mm,公切球直径为4.2 5 5 m。月牙肋板厚为1 2 0 mm,月牙肋内伸宽度为7 5 0 mm,外伸宽度为1 5 0 mm。采用不同的钢岔管体型设计方案,钢岔管底部的积水高度、顶部的积气高度见表1所示。从表1可以看出,采用中心对称钢岔管方案,钢岔管底部积水高度大约是顶部积气高度的2.7倍;采用平底钢岔管方案,钢岔管底部无积水,顶部积气高度与常规方案相比有所增加,增幅为1 3 1%;采用平顶平底钢岔管方案,钢岔管底部无积水,能够有效减少检修时间;顶部无积气,避免产生空化空蚀等不良现象,有利于管道和水轮机组稳定运行。表1 不同形式钢岔管积水与积气高度m 钢岔管形式底部积水高度顶部积气高度中心对称钢岔管0.8 7 20.3 2 2平底钢岔管 0.0 0 00.7 4 3平顶平底钢岔管0.0 0 00.0 0 0462 0 2 3年8月 第8期张智沛,等:水电站压力管道平顶平底月牙肋钢岔管结构设计及应力分析N o.8 A u g.2 0 2 33.2 应力方面以C C S水电站钢岔管为例进行有限元分析1 2-1 3。按照明钢管单独承受水压力计算,分为正常运行与水压试验两种工况;正常运行工况设计内水压力(含水锤压力)为6.8 3 M P a,水压试验按美国A S ME规范进行,试验压力值为设计压力的1.3倍1 4。肋板和钢管材 料 分 别 为S UM I T E N 6 1 0 Z和S UM I T E N 6 1 0 F-TMC,钢材允许应力按规范要求中明钢管选取1 5-1 6。钢岔管为线弹性结构,网格划分时,钢管和月牙肋采用壳单元模拟,主管与支管端部采取固定约束。针对3种钢岔管形式分别建立模型进行有限元计算,其有限元模型分别见图5 图7所示。图5 中心对称钢岔管有限元模型示意图6 平底钢岔管有限元模型示意图7 平顶平底钢岔管有限元模型示意各岔管应力分布示意如图8 图1 0所示,分布特点包括:共同点:在管节相贯线附近均发生应力集中现象,钢管最大应力均位于主管和主锥管相贯线上,月牙肋最大应力位于内侧边缘;不同点:常规对称钢岔管应力上下对称,钢管和月牙肋最大应力均位于结构对称面上;平底钢岔管钢管最大应力位于相贯线底部,月牙肋最大应力位于中下部;平顶平底钢岔管钢管和月牙肋最大应力均位于中部偏下。图8 中心对称钢岔管M i s e s应力示意(单位:M P a)图9 平底钢岔管M i s e s应力示意(单位:M P a)图1 0 平顶平底钢岔管M i s e s应力示意(单位:M P a)钢管和月牙肋最大等效应力见表2所示,由统计结果可知:3种形式的钢岔管在正常运行和水压试验下钢管和月牙肋的最大应力均小于允许应力,满足受力要求;常规对称钢岔管结构应力集中程度最弱,受力最好;平底钢岔管应力集中程度最大;平顶平底钢岔管应力集中程度较平底钢岔管有所缓解,局部最大膜应力降幅达到9.4%,受力情况较好。表2 不同形式钢岔管最大等效应力M P a 岔管形式应力类型正常运行水压试验M i s e s应力允许应力M i s e s应力允许应力中心对称 钢岔管 平底钢岔管平顶平底 钢岔管 整体膜应力2 2 03 1 92 8 54 0 6局部膜应力2 1 93 8 93 8 74 6 4肋板应力3 0 33 8 93 9 44 6 4整体膜应力2 5 13 1 93 2 64 0 6局部膜应力3 3 03 8 94 3 04 6 4肋板应力2 8 33 8 93 6 84 6 4整体膜应力2 3 03 1 92 9 84 0 6局部膜应力2 9 93 8 93 8 94 6 4肋板应力2 7 53 8 93 5 84 6 44 结语本文提出了一种平顶平底月牙肋钢岔管,由多个主锥管锥节、支锥管锥节和不对称月牙肋组成,该钢岔管上游主管各管节的管顶与钢岔管顶部位于同一高程、下游支管各管节的管底与钢岔管底部位于同一高程,且两锥管的相贯线为平面曲线。以C C S水电站钢岔管为例进行有限元分析,对比了中心对称钢岔管、平底钢岔管、平顶平底钢岔管的应力分布,结果表明,中心对称钢岔管上下对称、受力最好,平顶平底钢岔管较平底钢岔管应力集中现象有所缓解。在钢岔管体562 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 3型上实现了在压力管道检修放空时完全自流排水、在运行前充水时可以完全自流排气,有效缩短压力管道检修排水时间,有利于机组的高效和稳定运行。参考文献:1 汪洋,伍鹤皋,杜芳琴.一种新型水平底钢岔管设计理论的研究与应用J.水利学报,2 0 1 4,4 5(1):9 6-1 0 2.2 国家能源局.水电站压力钢管设计规范:N B/T 3 5 0 5 62 0 1 5S.北京:中国电力出版社,2 0 1 6.3 苏凯,李聪安,伍鹤皋,等.水电站月牙肋钢岔管研究进展综述J.水利学报,2 0 1 7,4 8(8):9 6 8-9 7 6.4 陈艺超.压力钢管镇墩裂缝成因与防治措施J.浙江水利科技,2 0 2 2(4):7 1-7 4.5 汪洋.水平底钢岔管设计理论及结构水力特性协同优化D.武汉:武汉大学,2 0 1 6.6 鲁志航,伍鹤皋,严利冰,等.基于C A T I A的平底三梁钢岔管辅助设计系统开发与应用J.中国农村水利水电,2 0 2 0(5):1 4 5-1 4 9.7 韩晓凤.水电站多锥节平底月牙肋钢岔管设计J.水力发电,2 0 2 1,4 7(4):7 0-7 3.8 韩晓凤,文强,厉海元.基于知识工程模板的月牙肋岔管参数化设计J.水利水电技术,2 0 1 5,4 6(1 1):5 0-5 5.9 汪碧飞,熊泽斌,陈锐.西藏德罗水电站钢岔管体形与受力特性研究J/O L.人民长江,2 0 2 2-1 1-1 4.h t t p:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/4 2.1 2 0 2.t v.2 0 2 2 1 1 1 1.1 3 2 4.0 0 2.h t m l.1 0 徐云斌,胡建,薛晟黎.新疆夏特水电站国内首个水平底钢岔管水压试验应力变形检测J.四川水力发电,2 0 2 2,4 1(1):6 5-7 0.1 1 张兴元,贾栋林.C C S水电站压力钢管环型焊缝全位置焊接技术介绍J.水电站机电技术,2 0 1 7,4 0(1 0):2 6-2 7,6 6.1 2 姚广亮,陈小云,伍鹤皋,等.多功能大口径高压钢岔管有限元分析J.广东水利水电,2 0 2 2(1 2):7 4-7 8.1 3 王冬生,伍鹤皋,李明.某水利枢纽工程钢岔管水压试验爆管原因分析与处理措施研究J.水利规划与设计,2 0 2 2(1 2):7 1-7 5.1 4 伍鹤皋,周彩荣,石长征.水电站钢岔管应力控制标准的比较与应用研究C/水电站压力管道 第八届全国水电站压力管道学术会议论文集.成都:中国水力发电工程学会,2 0 1 4.1 5 国家能源局.水电站压力钢管设计规范:N B/T 3 5 0 5 62 0 1 5S.北京:中国电力出版社,2 0 2 0.1 6 万利台,饶柏京.水源山抽水蓄能电站压力钢管设计J.广东水利水电,2 0 2 2(7):2 4-2 7,3 2.(本文责任编辑 胡雁)D e s i g n o f F l a t T o p a n d B o t t o m C r e s c e n t-r i b S t e e l B i f u r c a t i o n o f P e n s t o c k i n H y d r o p o w e r S t a t i o nZ HA N G Z h i p e i,B A I X i n g e,WU H a o,WA N G G u a n l i n(Y e l l o w R i v e r E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g C o.,L t d.,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3,C h i n a)A b s t r a c t:T h e c o n v e n t i o n a l c r e s c e n t-r i b s t e e l b i f u r c a t i o n i s s y mm e t r i c a l s t r u c t u r e i n t h e u p a n d d o w n d i r e c t i o n.T h e r e i s r e m a i n i n g w a t e r a t t h e s t e e l b i f u r c a t i o n b o t t o m w h i l e e m p t y i n g w a t e r i n t h e p e n s t o c k f o r m a i n t e n a n c e,a n d t h e r e i s r e m a i n i n g a i r a t t h e s t e e l b i f u r c a t i o n t o p w h i l e f i l l i n g w a t e r i n t o t h e p e n s t o c k f o r o p e r a t i o n.I n o r d e r t o s o l v e t h o s e p r o b l e m s,a f l a t t o p a n d b o t t o m s t e e l b i f u r c a t i o n i s p r o p o s e d.T h 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