新安江在役壓力鋼管有限元校核評估

王盼盼，駱 鳴，唐 璇，周 靖

（國網新源水電有限公司新安江水力發電廠，浙江 杭州 311608）

1 引言

中國是一個擁有豐富的水資源的國家，中華人民共和國成立以來，我國修建了眾多大中小型水利水電工程，承擔發電、防洪、灌溉等多項任務，對穩定電力生產和促進國民經濟發展起著重要作用[1]。

壓力鋼管是水利水電工程重要組成部分，主要作用是將水庫、前池、調壓室的水輸往水輪機，其安全運行對水電站至關重要[2]。水電站壓力鋼管是一種典型的薄殼結構，它是由鋼板一節一節焊接在一起的，對于大型的壓力鋼管，由于交通運輸條件的限制，通常把鋼管分節制造后運送到工地，在現場進行管道對焊接、支座安裝、無損探傷、混凝土澆筑等一系列操作。在壓力鋼管制造安裝過程中，焊縫質量是至關重要的，受現場環境條件及人為因素影響，壓力鋼管焊縫中的焊接缺陷是不可避免的，焊接產生的夾渣、氣孔、裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，往往破壞焊接結構的穩定，危及工程的安全運行[3，4]。

明管和埋管各有其優點。本文研究對象是廠房明管段鋼管，明管由伸縮節、管壁等結構經螺栓和焊接組合，適用于引水式地面廠房，通常支撐在分開的支座上，宜布置在地形條件優越的地段，并與進水口、主廠房的建筑物協調一致。明管開有進人孔，工作人員可由進人孔進入鋼管內部進行安全操作，檢查與維護，為壓力鋼管安全運行提供了保障，運行中可以方便的檢查、維修、動靜應力檢測等，必要時根據使用時間及損壞情況及時更換；其次，它受力明確，結構分析結果較為可信[5，6]。

2 有限元計算理論及方法

ANSYS 有限元分析步驟一般為：

（1）建立有限元模型。首先確定定義文件名，然后定義模型的單元類型、實常數、材料參數等，注意在選取材料參數時，區別線性與非線性的特點，應選取合適的單元類型和材料參數，最后依據模型尺寸，建立幾何模型和有限元模型。

（2）劃分網格。網格劃分有自由網格、掃略網格、映射網格劃分，根據自身需求和模型體的規則形狀，選取合適的網格劃分方式。

（3）定義分析類型和分析選項。通過Solution Control 來設置求解控制選項。

（4）施加荷載與約束。對有限元模型施加荷載與約束，注意施加荷載和約束的正確性，不能出現多余或缺少的約束和荷載，否則計算結果會不準確。

（5）求解。在Solution 求解器里求解。

（6）后處理。查看分析結果，靜力分析結果在后綴（.rst）文件中，可通過后處理查看結構應力和位移計算值。

3 引水鋼管有限元仿真計算

3.1 工程背景

某電站主要水工建筑物包括：大壩、壩內式發電廠房、進水口、發電引水鋼管、溢洪道、放水管及過壩設施等，兩條發電引水鋼管分別位于6 號和7 號壩段內，壓力管道中水流從上游游向下游，最后達到蝸殼端，共分27 節，壓力管道整體分節平面圖如圖1 所示。

圖1 壓力管道整體分節平面圖

明鋼管段分為1～4 節，直徑均為5.5 m，進口中心高程119.0 m，管身長4.8 m，每節管長1.2 m，共設兩道加勁環。廠房明管段鋼管整體外觀形態較好，無明顯移位、變形、損傷，運行狀態良好。

3.2 鋼管整體模型

考慮上、下游兩側部分墻體與鋼管共同承擔水壓力荷載，將共同承擔荷載的墻體離散為solid65塊體單元。solid65 單元通常用來模擬鋼筋混凝土材料，為三維8 節點實體單元，每個節點有3 個自由度，該單元可產生塑性變形，并在3 個方向上可開裂或者被壓破。墻體混凝土材料彈性模量E=2.06×104MPa，泊松比v=0.15，容重24.0 kN/m3。

坐標系定義：X 軸為徑向并與地面方向平行，Y 軸為徑向并與地面方向垂直，Z 軸為由下游側指向上游側。

計算工況：計算工況主要考慮鋼管的內水壓力和自重。庫水位145.4 m，鋼管作用靜水頭56.09 m，鋼管中心高程為89.3 m。

約束處理：與鋼管共同承擔水壓力荷載的混凝土墻體的四周為固定約束。

建模過程：先建立幾何模型，再對建好的幾何模型進行網格劃分，壓力鋼管采用點到面的建模方法，首先定義關鍵點，然后依次建立相關的線、面、體，加以布爾運算及坐標系的頻繁變換，依次建立壓力鋼管管壁、加勁環、混凝土墻體，最后形成廠房明管段鋼管三維幾何模型，如圖2 所示。中間圓柱體部分為廠房明管段鋼管管壁，兩側立方體部分為模擬的混凝土墻體。

圖2 廠房明管段鋼管三維幾何模型

實體模型建成后，定義單元類型及相關參數，之后進行網格劃分，先設置網格大小及形狀，采用掃略Sweep 網格劃分方法，其中網格劃分單元數106 560個，節點總數129 867 個。

廠房壓力明管段鋼管應力分析基本部位分為整體膜應力區、局部應力區?？缰泄鼙谖挥谡w膜應力區。加勁環旁局部區域以及支承環近旁管壁邊緣位于局部應力區。明管段鋼管應力分析部位如圖3所示：

圖3 明管段鋼管應力分析基本部位

3.3 鋼管有限元計算結果

根據計算結果得到明管段鋼管整體膜應力區應力最大折算應力為76.4 MPa，出現在上游側混凝土墻體與明管段上游側加勁環間的區域，小于整體膜應力的抗力限值116.2 MPa；明管段鋼管管壁應力變化范圍為20.3～95.0 MPa，加勁環局部應力大小變化范圍35.8～64.7 MPa，局部應力區最大折算應力為95.0 MPa，出現在明管段與下游側混凝土墻體連接部位，小于局部應力抗力限值169.0 MPa。明管段鋼管的整體膜應力及局部應力均小于相對應的抗力限值。

3.4 鋼管計算值與實測值比較

廠房明管段鋼管應力檢測是根據鋼管的結構特點，在鋼管主要部位的特征斷面布置測點，鋼管平面圖沿鋼管底部展開，從鋼管底線到頂線依次布置測點，明管段鋼管靜應力檢測的測點布置在鋼管與上下游側墻體聯接部位附近、明管段鋼管中部，共布置12 個三向測點。其中1、2、3、4、9、10、11、12 位于靠近混凝土墻體的局部應力區域，5、6、7、8 位于兩加勁環之間的整體膜應力區域。

廠房明管段鋼管各測點靜應力實測結果列于表1。由表1 中數據可知：

（1）鋼管的整體膜應力區實測應力相對較大，鋼管靠近混凝土區域的局部應力區的實測應力相對較小，這與壓力鋼管局部折算應力計算值相對應，鋼管整體膜應力大于局部應力。

（2）在實測水頭下，鋼管最大環向應力、最大折算應力分別為79.2 MPa、69.2 MPa，分別出現在鋼管的整體膜應力區的6 號、5 號測點。

（3）在實測水位下，鋼管最大折算應力值均小于抗力限值，保證了該廠房明管段鋼管運行是安全的。

表1 鋼管靜應力實測值

結構應力檢測只能了解明管段鋼管測點處的應力狀況，而明管段鋼管的整體應力需要通過結構力學計算或者有限元計算得到。為確保明管段鋼管結構應力檢測和有限元計算成果的準確性，將廠房明管段鋼管結構應力檢測實測值與有限元計算值進行比較。

根據廠房明管段鋼管有限元計算所得到的應力云圖，可列出對應于測點位置的應力值，從而對實測應力和計算應力進行比較與分析。在實測水位下，廠房明管段鋼管各測點的折算應力檢測結果與計算結果列于表2。由表2 中數據可知：

（1）在12 個測點中，折算應力實測值與計算值相對誤差在10%以上的測點有1 個，為11 號測點，最大相對差值為11.3%，最小相對差值為2.1%。各個點的現場實測值受現場人為、環境、鋼管運行條件影響，會產生一定范圍內的誤差。

（2）在12 個測點中，有2 個測點的實測應力與計算應力相對差值在5%～10%之間，分別為1 號、2號 測點；其余測點的相對差值均小于5%。

（3）實測結果與計算結果表明：在誤差允許的范圍內，廠房明管段鋼管結構應力檢測實測值與有限元計算值差異較小，兩者互為驗證，計算結果與檢測結果都是可信的。

表2 鋼管測點實測應力值與折算應力值比較

廠房明管段鋼管6 號、11 號測點處模型的最大應力值分別為67.3 MPa 和55.1 MPa，測點處模型最大應力對應的點位于模型的尖端處，應力由一邊向另一邊依次擴散增大，測點不同，測點處應力也不同。

4 結論

以某水電站廠房明管段鋼管為實例，建立廠房明管段鋼管整體幾何模型，計算得出廠房明管段鋼管整體膜應力及局部應力抗力限值。依據該工程廠房明管段鋼管現場靜應力檢測實測資料，計算出廠房明管段鋼管12 個測點的實測折算應力，并與相對應測點的有限元計算值比較，通過對比，驗證了檢測結果和計算結果是可信的。