韓曉鳳

(中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司，廣西 南寧 530023)

0 引 言

鋼岔管作為水電站引水系統(tǒng)中的管道分岔結構，是銜接主管與各支管的特殊異形管段。鋼岔管的主要形式有三梁岔管、月牙肋岔管、球形岔管、無梁岔管等[1-2]。其中，月牙肋岔管是在三梁岔管基礎上發(fā)展而來的，其體形采用多錐節(jié)平滑過渡，取消了三梁岔管中的主錐和支錐之間的腰梁，只用一個基本嵌入管體的月牙形肋板作為加強構件代替三梁岔管的U梁。較三梁岔管，月牙肋岔管沒有突出岔管之外的腰梁和U梁，管節(jié)之間轉角較小，因此結構尺寸小，水流流態(tài)好，目前應用較廣泛。常規(guī)的月牙肋鋼岔管設計雖然復雜，但隨著三維設計手段的推廣，設計較成熟，已經走向了參數化和模板化設計[3-5]。

目前工程中設計的鋼岔管是將主管、岔管、支管的管軸線布置在同一個水平面內，即岔管整個體形是以管道軸線所在水平面為對稱面的上下對稱結構，使得岔管底部向下凹，在實踐中不可避免地帶來地下洞室開挖、混凝土澆筑、管內積水排水，管內檢修場地不便等問題。采用底部同高程的平底岔管是解決上述問題的可行途徑，傅金筑等[6]提出一種平底等截面積的鋼岔管，其岔管段體形呈圓餅形，頂部和底部為圓形平面，周圍為半個圓環(huán)面，可以接多個圓柱形支管；汪洋等[7]基于傳統(tǒng)三梁岔管提出一種平底鋼岔管，其管身段包括圓柱形主管、支錐和支管，由圓柱曲面和圓錐曲面直接相貫，將支錐管的軸線傾斜后，形成平底，加強結構包括腰梁和U梁。

本文在傳統(tǒng)月牙肋鋼岔管基礎上，提出了一種新型的平底月牙肋鋼岔管，該結構由多個主錐管錐節(jié)、支錐管錐節(jié)和月牙肋組成。該岔管體形光滑，無需腰梁，僅設主體在岔管內部的不對稱月牙肋，使得平底岔管的體形和應用條件得到改善。

1 多錐節(jié)平底月牙肋鋼岔管的設計

1.1 體形設計的關鍵環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)月牙肋鋼岔管的主管、主錐管、支錐管、支管的管軸線在同一個水平面，沿主管和一條支管軸線的剖面如圖1a所示。岔管是上下對稱結構，對稱面即為軸線所在水平面，相鄰管段有公切球保證管段交線為平面曲線。由于這種對稱特點，傳統(tǒng)月牙肋岔管相鄰錐管的相貫線可以在管軸線所在的水平面上用幾何做圖法或解析法得出[8]。也正是由于上下對稱的特點，使得岔管底部下凹，特別是管徑較大時，帶來前述施工和應用不便的問題。為了解決傳統(tǒng)月牙肋岔管底部的下凹問題，本文多錐節(jié)平底月牙肋鋼岔管的主管、主錐管、支錐管、支管的底部將保持在同一個水平面，如圖1b所示。由此，該岔管各管節(jié)的軸線不在同一水平面，是非對稱的結構。岔管必須經過水壓試驗證其安全性，岔管是按壓力容器的標準設計的[9-10]，所以看似僅發(fā)生底部變平的較小變化，實際上卻帶來了非常復雜的空間幾何變化問題。由圖1b可知，軸線不在同一水平面的錐管兩兩相貫，只有使相鄰管段存在公切球，才能保證相貫線為平面曲線，保證月牙肋是平面的。這是體形設計的關鍵點和難點。

圖1 岔管沿主管和一條支管軸線的剖面對比

1.2 平底岔管體形特征與參數

本文借助三維設計CATIA軟件，采用空間解析幾何做圖法，構建了多錐節(jié)平底月牙肋鋼岔管三維模型，解決了軸線不在同一水平面的錐管兩兩相貫成平面曲線的問題，如圖2所示。多錐節(jié)平底月牙肋鋼岔管由管體段和月牙肋組成，其中管體段包括主管圓柱段、多個主管過渡錐段、主錐管段、支錐管段、多個支管過渡錐段和支管圓柱段，不對稱的月牙肋板置于岔管內部。

圖2 多錐節(jié)平底月牙肋鋼岔管的組成

多錐節(jié)平底月牙肋鋼岔管的體形參數主要包括平面參數、立面參數和厚度參數。具體為①平面參數包括主管半徑r0、半徑比R0/r0(最大公切球半徑R0與r0的比值)、支管半徑ri、分岔角β、各錐管半錐角αi、管節(jié)長度sij；②立面參數包括相鄰錐管的軸線夾角θi；③厚度參數有管壁厚度t0。

1.3 月牙肋體形特征與參數

與傳統(tǒng)月牙肋岔管不同，由于平底月牙肋鋼岔管是非對稱結構，其月牙肋也是非對稱結構，如圖3所示。月牙肋外緣曲線由兩支錐管相貫線向外平移一定距離獲得，內緣曲線由若干個控制肋板寬度的點，用樣條曲線擬合。月牙肋的體形參數主要包括月牙肋厚度tw、肋板外緣距相貫線距離rw、肋板截面寬度BT、BT1、BT2。

圖3 不對稱月牙肋體形示意

2 管節(jié)展開圖的制作方法

管節(jié)展開圖是施工詳圖的關鍵部分，是加工下料的依據。由于結構的不對稱，平底月牙肋鋼岔管的管節(jié)展開圖也是不對稱的。圖4選取主錐管段和2個支錐管段說明管節(jié)展開圖的繪制方法，其中陰影部分是展開圖。借助CATIA軟件的曲面展開功能沿指定的斷開處展開，并自編二次開發(fā)程序，自動讀取展開圖中曲線上定義的足夠數量的散點坐標，生成高精度的展開點坐標表格供加工使用。管節(jié)曲面全部展開后，自動讀取曲面面積和材料屬性，統(tǒng)計工程量，快速生成材料表。

圖4 管節(jié)展開過程示意

3 工程應用

3.1 岔管模型與基本參數

老撾某工程高壓岔管為非對稱Y形岔管，主管管徑3.6 m，支管管徑2.4 m，最大公切球直徑4.32 m，支管分岔角65°。設計水頭900 m，管壁厚64 mm，肋板厚150 mm。管節(jié)和月牙肋均采用S690 QL高強鋼材，鋼材屈服強度σs=630～690 MPa，抗拉強度σb=900～940 MPa。

考慮2種岔管設計方案，方案1是傳統(tǒng)月牙肋鋼岔管，方案2是本文提出的多錐節(jié)平底月牙肋鋼岔管。2種方案的岔管體形參數基本一致，不同之處是①立面上錐管的軸線平角不同，方案1是在同一平面，夾角θi=0；方案2θi=2°～9°。②肋板的寬度不同，方案1中Bt=0.80 m；方案2中Bt=1.95 m。

圖5為方案2多錐節(jié)平底月牙肋鋼岔管的三維模型示意。

圖5 多錐節(jié)平底月牙肋鋼岔管三維模型示意

3.2 岔管應力分析比較

將2種設計方案的鋼岔管進行結構有限元分析，采用殼單元離散管身，實體單元離散月牙肋板，按照明鋼管單獨承擔水壓力分析應力。

3.2.1 應力的分布特點和控制部位

經計算，在正常運行工況下，2種方案鋼岔管應力分布的共同點是在相鄰管節(jié)的交界線附近有局部應力集中現象，管身的最大局部應力控制部位在主錐管和支錐管相交處，即腰線轉折角處。肋板的最大應力發(fā)生在內邊緣。不同點是傳統(tǒng)岔管的應力分布上下對稱，月牙肋的最大應力位于中部。平底岔管的應力分布上下不對稱，管底處的應力大于管頂，月牙肋的最大應力偏于管底位置。圖6給出了多錐節(jié)平底岔管管身和肋板的應力分布云圖。

圖6 多錐節(jié)平底月牙肋岔管等效應力云圖(單位：MPa)

3.2.2 應力校核情況

表1 管殼和月牙肋最大等效應力 MPa

3.3 管節(jié)展開圖和工程量統(tǒng)計

按照前述管節(jié)展開方法，以圖4b左支錐管段為例，自動讀取展開圖中曲線上自定義的足夠數量的散點坐標，生成高精度的放樣點坐標表格供加工使用，如圖7所示ED曲線段的坐標。同樣，對應于圖3，月牙肋外緣曲線和內緣曲線的放樣點坐標表格如圖8所示。自動計算展開圖面積統(tǒng)計工程量，計算出本工程平底鋼岔管凈質量約為118 t。

圖7 典型管節(jié)展開圖和放樣點坐標(單位：mm)

圖8 多錐節(jié)月牙肋體形及放樣點坐標(單位：mm)

4 結 語

本文提出了一種水電站多錐節(jié)平底月牙肋鋼岔管，該岔管形式由多個主錐管錐節(jié)、支錐管錐節(jié)和不對稱月牙肋組成，該結構既保證了整個岔管底部在同一水平面，又能滿足軸線不在同一水平面的錐管兩兩相貫成平面曲線。通過實現三維體形建模設計、有限元分析、自動繪制管節(jié)展開圖、自動輸出管節(jié)和月牙肋放樣點坐標表等關鍵環(huán)節(jié)，完成一整套設計工作。工程應用實例表明，平底月牙肋鋼岔管受力較均勻，由于結構的不對稱性，月牙肋寬度較傳統(tǒng)對稱月牙肋略大，方案可行，有望在水利水電工程中推廣應用。