钱塘垅电站1#内加强月牙肋钢岔管设计

钱塘垅电站1#内加强月牙肋钢岔管设计

发表时间：2015-01-07T15:03:06.567Z 来源：《科学与技术》2014年第11期下供稿作者：陈知渊[导读] 钱塘垅水库位于兰溪市梅溪支流马涧溪东源的小支流上，其坝址位于马涧镇溪源村上游约1km处。

陈知渊

（浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002）

摘要：本文介绍钱塘垅水电站1#内加强月牙肋岔管的设计过程，并用CAD建立钢岔管模型，用ANSYS软件进行有限元分析，在正常运行和水压试验等工况中，岔管及月牙肋的应力均满足要求。

关键词岔管月牙肋 ANSYS 有限元

1 工程概况

钱塘垅水库位于兰溪市梅溪支流马涧溪东源的小支流上，其坝址位于马涧镇溪源村上游约1km处，距兰溪市区30km，距离马涧镇8km。电站厂址位于该水库大坝下游约200m处右岸。钱塘垅水库电站利用水库供水隧洞，通过改造部分供水管道，在保障下游水厂供水的同时，利用富余水头发电。

2 岔管体型设计

本文介绍钱塘垅电站1#岔管的设计，岔管体型图见图1。

图1 1#岔管体型图

1#岔管采用“卜”型结构，主管直径1.6m，支管直径分别为1.6m，1.5m。设计中，经试算及体型优选[2][3]，采用轴线岔角57.5°，分岔角60°。

3 有限元分析

本次设计中用CAD做实体建模，用ANSYS进行有限元分析[4][5][6]。

3.1 模型的建立

主管和支管的长度都取大于三倍管径长，采用四边型壳单元，对于网格的剖分，考虑到计算精度和计算机的计算能力，将网格作了较细的剖分，直管段圆周向布置40个结点，每条相贯线上布置20个结点，共计3590个单元。

3.2 初始条件与边界条件

本工程中，原输水管道与改造后的管道均采用浅层地下埋管。在岔管处，钢管周边浇筑80cm厚的混凝土，再在其上部回填相对密度不小于0.7的石渣1.2m至原地面高程。经估算钢管底部受到混凝土的压力大约70Kpa，与运行工况的内水压力1.08Mpa及水工试验的内水压力1.35Mpa相比均可忽略。因此管道的受力分析中可不考虑围岩的作用，而只受内水压力的作用。

主管端部周边采用全约束，支管端部周边采用X、Y、Z三个方向约束的铰支座，其余结点无约束。

3.3 有限元计算成果

1）正常运行工况

设计内水压力P=1.08Mpa，计算得到岔管内外表面Mises应力、岔管变形如图2、图3。

图2 钱塘珑1#岔管Mises应力云图(外表面) 图3 钱塘珑1#岔管变形矢量图

2）水压试验工况

设计内水压力P=1.35Mpa，计算得到岔管内外表面Mises应力、岔管变形如图4、图5。

正常运行工况与水压试验工况主要计算结果见表3、表4。

从岔管应力计算结果可看出，岔管最大应力出现在主管与支管相接的腰线折角内缘处，在本次岔管设计中，该处应力能够满足要求。在其他pD值较大的岔管设计中，腰线折角内缘处可能需要进行适当的加固处理。

月牙肋的最大应力发生在肋板内缘中心处，在pD值较大的岔管中，此处水流流态比较复杂，此处可能在脉动压力作用下发生破坏，需适当加大尺寸。

本岔管的计算结果在Z向具有较好的对称性，岔管本体部位应力情况复杂多变，远处则应力分布趋于均匀，说明管长符合设计要求。表3 正常运行工况主要应力结果汇总

4 分析与总结

经有限元计算分析，钱塘垅电站1#岔管正常运行工况和压水试验工况的应力和变形都能满足要求。

参考文献

[1] 水电站压力钢管设计规范( SL281- 2003) , 北京: 中国水利水电出版社, 2003

[2] 潘家铮. 压力钢管[M]. 上海科学技术出版社, 1958.

[3] 杨海霞, 李哲斐. 月牙肋钢岔管的优化设计[J]. 固体力学学报, 2006 (S1).

[4] 林德金, 金宏安, 赫庆彬, 等. 巴基斯坦汗华水电站工程进水钢岔管结构设计[J]. 水利水电工程设计, 2010 (003): 23-24.

[5] 李哲斐. 钢岔管结构的优化设计 [D][D]. 南京: 河海大学, 2005.

[6] 朱宏伟, 任德记, 高阳峰, 等. 月牙肋钢岔管的有限元分析[J]. 水利科技与经济, 2008, 14(2): 113-114.