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巨型薄壁水电站输水钢管抗外压失稳性能分析

【水利工程管理论文】摘要:将加劲巨型输水钢管分为管身段和加劲环管段,分析了随着钢管的巨型超薄化,其抗外压失稳性能的骤减特征,揭示了加劲环的型式、尺寸、布置间距及材料性能等因素对其抗外压失稳能力的影响,给出了加劲环的合理形式、尺寸及布置间距。
关键词:巨型薄壁钢管 抗外压失稳 管径 壁厚 加劲环


随着低成本、无污染水能资源的大力开发,水电站输水钢管日趋巨型、超巨型化,而考虑焊接质量等因素,管壁厚度一般控制在40 mm以内。这种巨型超薄壁钢管在施工、运行期间不可避免受到随机外压、局部外压、均匀外压作用时极易失稳,近年来我国就发生十多起水电站输水钢管外压失稳实例,又如三峡水电站巨型钢管施工中也曾出现外压失稳现象。因此,对巨型薄壁钢管开展外压失稳规律分析,研究其抗外压失稳性能及其影响因素,已成为目前大型水电站建设中亟待解决的问题。
该文将带有加劲环的巨型薄壁钢管视为环间管身段和环部位管段(称环管段)二部分,综合应用Mises理论及弹性环外压稳定分析理论,并考虑了材料的塑性失效状态,揭示出管径、管壁厚度、加劲环型式、尺寸、间距、铸管材料诸因素对巨型薄壁钢管抗外压失稳性能的影响,并给出了加劲环的合理型式、尺寸及布置间距。
1 管身段分析
1.1 计算模型、公式与计算成果
为透析管径巨型化与管壁超薄化以及加劲环间距对管身段抗外压失稳性能的影响,计算模型采用了相对管半径r/t=20~400、相对环间距L/r=0.1~50(r管半径,t壁厚,L环间距)范围内的529个管身段计算对象构成的有序系统,应用Mises理论[1]计算其临界失稳外压值Pcr及其失稳波数n值;为了解失稳时材料属性,以16 Mn钢、A3钢为例,计算材料在塑性屈服时管身段所能承担的失效外压,计算公式采用:

σst=P·r(2)
式中 E、υ、σs分别为管身材料的弹性模量、泊松比和屈服极限,P 为管身段塑性失效外压,其余符号意义同前。
整编计算结果可绘制成如图1所示的计算曲线(图中纵坐标‘log
 
 
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