巨型薄壁水電站輸水鋼管抗外壓失穩(wěn)性能分析

1、巨型薄壁水電站輸水鋼管抗外壓失穩(wěn)性能分析摘要：將加勁巨型輸水鋼管分為管身段和加勁環(huán)管段，分析了隨著鋼管的巨型超薄化，其抗外壓失穩(wěn)性能的驟減特征，提醒了加勁環(huán)的型式、尺寸、布置間距及材料性能等因素對其抗外壓失穩(wěn)才能的影響，給出了加勁環(huán)的合理形式、尺寸及布置間距。關(guān)鍵詞：巨型薄壁鋼管抗外壓失穩(wěn)管徑壁厚加勁環(huán)隨著低本錢、無污染水能資源的大力開發(fā)，水電站輸水鋼管日趨巨型、超巨型化，而考慮焊接質(zhì)量等因素，管壁厚度一般控制在40以內(nèi)。這種巨型超薄壁鋼管在施工、運行期間不可防止受到隨機外壓、部分外壓、均勻外壓作用時極易失穩(wěn)，近年來我國就發(fā)生十多起水電站輸水鋼管外壓失穩(wěn)實例，又如三峽水電站巨型鋼管施工中也曾出

2、現(xiàn)外壓失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，對巨型薄壁鋼管開展外壓失穩(wěn)規(guī)律分析，研究其抗外壓失穩(wěn)性能及其影響因素，已成為目前大型水電站建立中亟待解決的問題。該文將帶有加勁環(huán)的巨型薄壁鋼管視為環(huán)間管身段和環(huán)部位管段稱環(huán)管段二部分，綜合應(yīng)用ises理論及彈性環(huán)外壓穩(wěn)定分析理論，并考慮了材料的塑性失效狀態(tài)，提醒出管徑、管壁厚度、加勁環(huán)型式、尺寸、間距、鑄管材料諸因素對巨型薄壁鋼管抗外壓失穩(wěn)性能的影響，并給出了加勁環(huán)的合理型式、尺寸及布置間距。1管身段分析1.1計算模型、公式與計算成果為透析管徑巨型化與管壁超薄化以及加勁環(huán)間距對管身段抗外壓失穩(wěn)性能的影響，計算模型采用了相對管半徑r/t=20400、相對環(huán)間距L/r=0.1

3、50r管半徑，t壁厚，L環(huán)間距范圍內(nèi)的529個管身段計算對象構(gòu)成的有序系統(tǒng)，應(yīng)用ises理論1計算其臨界失穩(wěn)外壓值Pr及其失穩(wěn)波數(shù)n值；為理解失穩(wěn)時材料屬性，以16n鋼、A3鋼為例，計算材料在塑性屈從時管身段所能承當(dāng)?shù)氖鈮海嬎愎讲捎茫簊t=Pr(2式中E、s分別為管身材料的彈性模量、泊松比和屈從極限，P為管身段塑性失效外壓，其余符號意義同前。整編計算結(jié)果可繪制成如圖1所示的計算曲線圖中縱坐標lgPr是Pr的對數(shù)值，L/r為曲線參數(shù)，曲線1、2為16n鋼、A3鋼材質(zhì)的管身段塑性失效外壓曲線，同時表1給出了管身段Pr值隨相對管半徑r/t與相對環(huán)間距L/r增大而驟減的變化趨勢分析，表2給出了

4、相應(yīng)于不同r/t、L/r值時的管身段臨界失穩(wěn)波數(shù)n值。1.2計算成果分析1.2.1隨著鋼管的巨型超薄化，管身段抗外壓失穩(wěn)才能驟減由圖1所示曲線可見：管身臨界失穩(wěn)外壓Pr值隨r/t增大而減小，在r/t=20220以內(nèi)為驟減，此范圍以外漸趨平緩。例如由表1可看出，在L/r=0.15.0范圍內(nèi)，當(dāng)r/t由20增至220時，管身段Pr值將驟減至初值r/t=20的Pr值的0.250.54；隨著Pr驟減，當(dāng)管徑增大至一定值時，管身抗外壓失穩(wěn)才能將變得極低，例如L/r=5.0、r/t=400的Pr值僅為0.12100kPa，即只能承受約1.2外壓水頭。1.2.2管身段Pr值驟減比率受加勁環(huán)間距影響不大計算結(jié)

5、果說明：Pr驟減比率受加勁環(huán)間距影響不大，例如對表1中r/t=320的情況，當(dāng)L/r從0.3變至5.0時，其Pr值均減至各自初值的0.10.11，降減比率根本相等。1.2.3加勁環(huán)作用及最有效環(huán)間距由圖1曲線顯然可見：減小加勁環(huán)間距可有效進步管身Pr值，且L/r愈小，Pr值及其增長比率愈大。例如對r/t=220情況見表1，當(dāng)L/r由5.0減至1.0再繼續(xù)減至0.1時，管身Pr值增量分別為2.3100kPa和25.4100kPa，即環(huán)距L每減少0.1r時Pr值的平均增量分別為0.0575100kPa和2.54100kPa，后者是前者的44倍。從計算成果看，巨型薄壁鋼管最有效環(huán)間距為L=0.10.

6、6r例如三峽水電站鋼管采用了L=2即L=0.32r。1.2.4零作用環(huán)間距圖1曲線還顯示出，隨環(huán)間距增大，加勁環(huán)作用逐漸減小，至L/r=50時，管身段與光面管的lgPrr/t曲線根本重合，尤其在r/t300范圍內(nèi)完全重合，這說明二者抗外壓失穩(wěn)才能相當(dāng)，此時加勁環(huán)對管身段已不具有任何剛度支持作用。因此工程中應(yīng)防止采用零作用環(huán)間距：L=50r。1.2.5管身段失穩(wěn)波數(shù)由圖1及表2可知，管身段失穩(wěn)波數(shù)n是其縱向與環(huán)向剛度的綜合反映，隨管徑巨型化，管身段環(huán)向剛度降低，失穩(wěn)波數(shù)增加；而在軸向，隨環(huán)間距增大、管身段軸向剛度降低，失穩(wěn)波數(shù)減校對于大管徑密間距加勁管的管身段，失穩(wěn)時為多波形式；而對稀疏環(huán)間距小

7、管徑情況，管身段失穩(wěn)時為少波形式；對于光面管情況n=2。1.3管身段失穩(wěn)時材料屬性圖1中塑性失效外壓曲線1、2將管身段lgPrr/t曲線分為屬于塑性失穩(wěn)和彈性失穩(wěn)的上、下二區(qū)。當(dāng)管徑及環(huán)間距較大時，管身段將在承受較小外壓下發(fā)生彈性失穩(wěn)，Pr落于下區(qū)；而管徑或環(huán)間距較小時，管身段將能在承受較大外壓下失穩(wěn)，同時伴隨有材料塑性變形，Pr落于上區(qū)；管身彈性失穩(wěn)時，材料力學(xué)性能將不能充分發(fā)揮。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.2環(huán)管段分析2.1加勁環(huán)合理構(gòu)造型式加勁環(huán)構(gòu)造型式包括：加勁環(huán)斷面形式及環(huán)與鋼管連接方式。對巨型薄壁鋼管，宜采用與管身軋制為一體的加勁環(huán)，以防止加勁環(huán)與管身間大量焊縫施工量及焊接質(zhì)量不均帶來的

8、不利；加勁環(huán)合理斷面形式與尺寸，應(yīng)能在較小的環(huán)斷面面積下獲得相對較大的臨界失穩(wěn)外壓Pr值，又能使管身段與環(huán)管段的Pr值接近或相等，改善構(gòu)造外壓承載條件，并便于施工。2.2環(huán)管段計算模型、公式與計算成果與管身軋制為一體的加勁環(huán)環(huán)管段部分包括：加勁環(huán)以及與之相連的兩側(cè)0.78rt1/2范圍內(nèi)的管身。計算模型取為：管徑r=6.2、壁厚r=4、加勁環(huán)厚度a=2、4、6、8、10、相對環(huán)間距L/r=0.1、0.2、0.32.2.0、2.5、3.0、環(huán)高厚比b/a=0.350范圍內(nèi)的矩形斷面環(huán)與一樣斷面積的T形環(huán)見圖2內(nèi)附圖，共計1128個環(huán)管段計算對象構(gòu)成的有序系統(tǒng)，應(yīng)用彈性環(huán)外壓穩(wěn)定分析理論1計算環(huán)管

9、段臨界失穩(wěn)外壓值Pr，并以16n鋼、A3鋼為例，計算材料在塑性屈從時環(huán)管段所能承當(dāng)?shù)氖鈮篜，計算公式采用：式中，Rk為環(huán)管段形心至鋼管軸線間隔 ，Jk為環(huán)管段截面形心慣性矩，其余符號意義同前。整編上述計算成果可繪制成如圖2、3、4所示的曲線，其中，圖2為矩形斷面與T形斷面加勁環(huán)環(huán)管段lgPr值的比照圖，圖3、4分別為采用矩形和T形斷面加勁環(huán)時，環(huán)管段lgPr值與加勁環(huán)高寬比b/a之間的關(guān)系曲線，圖3、4中曲線1、2為16n鋼、A3鋼質(zhì)的環(huán)管段塑性失效外壓曲線。2.3計算成果分析2.3.1加勁環(huán)合理斷面形式比擬圖2中矩形環(huán)與T形環(huán)環(huán)管段lgPrb曲線可知：加勁環(huán)間距一樣、斷面積一樣時，采用矩

10、形環(huán)可獲得更高的Pr值，且L/r值愈小效果愈顯著。例如對b=1,L/r=0.1和L/r=3.0情況，采用矩形環(huán)與T形環(huán)的環(huán)管段Pr值分別為363.1與208.9和11.8與6.9100kPa。L=0.1r時矩形環(huán)與T形環(huán)Pr值之差為154.2100kPa，而L=3.0r時那么為4.9100kPa，前者高出后者30.5倍?？梢?，采用小間距矩形環(huán)更為經(jīng)濟合理，且制造施工方便。2.3.2加勁環(huán)適宜尺寸比擬圖3或圖4中的曲線可知：環(huán)厚a過小，尤其當(dāng)at管壁厚時，即使采用較大的環(huán)高也不易獲得較高的Pr值且環(huán)高過大時，施工不便并存在自身屈曲問題；而當(dāng)at時，那么可以在較小的環(huán)高b及適當(dāng)?shù)沫h(huán)高寬比b/a與加

11、勁環(huán)間距L時獲得較大的Pr值；從計算成果看，適宜環(huán)厚a及環(huán)高b分別為：a=11.5t；b=520a。2.4環(huán)管段失穩(wěn)時材料屬性圖3、4中塑性失效外壓曲線1、2將環(huán)管段lgPrb/a曲線分為屬于塑性失穩(wěn)和彈性失穩(wěn)的上、下二區(qū)。當(dāng)a及b/a值較大時，環(huán)管段將能在承受較大外壓下失穩(wěn)，同時伴隨有材料塑性變形，Pr落于上區(qū)；反之，環(huán)管段將在較小外壓下發(fā)生彈性失穩(wěn)，Pr落于下區(qū)。對于后者材料力學(xué)性能將不能充分發(fā)揮。3結(jié)語隨著管身巨型超薄化，鋼管抗外壓失穩(wěn)才能已變得極低，本文分析說明，采用加勁環(huán)是進步其抗外壓失穩(wěn)性能的有效措施，與管身軋制為一體的矩形環(huán)是合理、實用形式；為防止管身段提早失穩(wěn)，加勁環(huán)最有效間距

12、為L=0.10.6r；要保證環(huán)管段具有足夠的抗外壓失穩(wěn)才能以及加勁環(huán)自身穩(wěn)定和方便施工，加勁環(huán)適宜尺寸為a=11.5t，b=520a；結(jié)合應(yīng)用本文圖1、3或圖4曲線，可使管身段與環(huán)管段獲得相等或較為接近的Pr值，并到達材料強度充分發(fā)揮，從而獲得鋼管外壓穩(wěn)定性的優(yōu)化設(shè)計。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.參考文獻：1潘家錚.壓力鋼管.北京：電力工業(yè)出版社，1982.2劉東常，劉憲亮.壓力管道.鄭州：黃河水利出版社，1998.AnalysisnthePrpertyResistingtLseStabilityfrHugeThinallSteelaterpipelineAppliedHydreletriStati

13、nunderExternalPressureAbstrat:Thispaperbydividingaringstrengthenedhugesteelaterpipelineinttparts:pipebdypartandringpipepart,analyzedthefeaturethatthepipelinesabilityresistingtlsestabilityunderexternalpressurereduesrapidlyasitsdiaeterbeeslargerandlargeranditsallbeesthinnerandthinner;Itrevealedtheinfluenefthefrs,thesizes,theinstalleddistanefstrengthenringasellastheprpertyfaterialetnthepipelinesabilityresi