水工波纹管伸缩节非线性有限元分析.pdf

水工波纹管伸缩节非线性有限元分析吴海林1 ( ) 【摘要】本文以某水电站为工程背景,首先采用分析设计方法对波纹管伸缩节进行了初步设计, 确定了波纹管伸缩节的形式以及波纹管的波形参数}然后采用非线性有限元法,建立了包括坝体、厂房及波纹管伸缩节等在内的三维有限元整体模型,模型中用接触单元模拟了双层波纹管层与层之间的相互作用机理,并考虑了波纹管在工作状态下的材料非线性特性,计算分析了三维整体模型中波纹管伸缩节在常规荷载和温度荷载作用下的受力特性,论证了波纹管伸缩节作为一种新型的伸缩节形式, 可以有效地替代常规的套筒式伸缩节以改善厂坝分缝处压力钢管的受力状态,并彻底解决了常规套筒式伸缩节在运行中容易漏水的问题。【关键词】压力管道波纹管伸缩节非线性有限元波纹管伸缩节又称为波形膨胀节,也称波纹管补偿器,它在现代工业技术中有着广泛的应用。波纹管伸缩节作为一种能自由伸缩的弹性补偿元件,由于结构紧凑、性能良好、工作可靠等优点,已在仪表、石油、化工、冶金、电力、核能、造船、管道工程等行业得到了极为广泛的应用,并不断地扩大着它的使用领域n~3]。近年来,波纹管伸缩节也逐渐被应用到水电行业,在我国的一系列大、中、小型水电站中,波纹管伸缩节已成功地替代了引水压力钢管的常规套筒式伸缩节,成为水电站引水压力钢管的一种新型的过缝管道结构形式。相对于常规的套筒式伸缩节结构来说,波纹管伸缩节具有补偿位移大、不漏水、安装方便、维修简单、运行可靠等优点,其在水电行业的应用具有广阔的前景。特别是波纹管伸缩节在三峡工程中的成功应用,从实践上表明了它用作水电站巨型压力管道伸缩节的可行性,同时也为其在水电工程上的应用积累了设计、制造、安装、运行等经验。本文结合某水电站的工程背景,采用非线性有限元法,计算分析了波纹管伸缩节在常规荷载和温度荷载作用下的受力特性,论证了取消常规的套筒式伸缩节后,采用波纹管伸缩节过缝的可行性。 1 分析设计’该水电站采用堤坝式开发,拦河坝为碾压混凝土重力坝,,, 。电站为坝后式电站,电站总容量1750MW,共装机5台,单机容量350MW。压力管道采用钢衬钢筋混凝土管,单管单机,,钢管下平段壁厚为36mm。,水库正常蓄水位时蜗壳中心最大水压水头(含水击压力)。波纹管伸缩节设计一般是以“分析设计”为准则的,原因是:波纹管的设计非常复杂,需要对其耐压能力、位移引起的应力、疲劳寿命、位移引起的整体弹力和稳定性等多因素进行计算和校核,由于波纹管承受位移荷载下的应力与承受压力荷载下的应力对波纹管的壁厚要求是相反的,如果按照常规设计,则无法同时满足波纹管的强度与柔性两项要求。因此,在设计计算时要注意在保证其强度要求的情况下,尽可能使其位移补偿量加大,不能为了保证其耐压强度而一味加大壁厚,从而造成伸缩作者简介:吴海林(1977~),男,博士,三峡大学讲师。·361· 节刚性加大而降低了其变形补偿能力。为了作出一项适当的设计,要涉及到许多的要素,例如波纹管的壁厚、波距、波高、层数、加强方式、制造工艺、材料的种类及其热处理等,在许多情况下,为了完成一项具体的设计,需要在若干相互冲突的设计要求中选择一个折