[发明专利]一种水力过渡过程中压力钢管应力数值计算方法

说明书

技术领域

本发明属于水工设备领域，具体涉及一种水力过渡过程中压力钢管应力数值计算方法

背景技术

压力钢管是水电厂重要的引水设备，钢管直径大，长度长，受压高，受力复杂，安全性要求高，因此对压力钢管的定期检查、维护、保养和安全性评估十分重要，直接关系到发电机组设备的正常运行。水电机组在甩负荷，启停机，调整负荷等水力过渡过程中会及时调节导叶的启闭，引起蜗壳和压力钢管内水流流速急剧变化，在压力引水系统内产生内水压力，使水轮机蜗壳和压力钢管、隧洞内的压力上升，产生应力集中，可能导致压力钢管爆裂，危及压力引水系统的安全。此外，随着水电工程的迅速发展和技术进步，许多水电站压力钢管的几何和力学参数都超过了早期规范的经验上限值，有继续突破的趋势，且目前许多压力钢管已接近或达到折旧年限，存在带缺陷运行的情况，甚至达到设计使用年限仍在超役运行。因此，开发一种水力过渡过程压力钢管应力数值计算方法，掌握钢管内部水流的压力分布、管壁的应力和变形分布，加强对应力集中部位的监测，指导钢管现场检测，对于提高压力钢管的维护质量，保障压力钢管安全可靠运行具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通用性强的水力过渡过程压力钢管的应力数值计算方法，实现对压力钢管进行强度校核和安全性评估。

一种水力过渡过程中压力钢管应力数值计算方法，包括以下步骤：

步骤一：在水电机组水力过渡过程中，采集压力钢管内的水流速度，获得压力钢管的进出口水流特性曲线；

步骤二：利用三维建模软件对压力钢管进行固体模型建模，所述固体模型包括压力钢管内部水流的流体域以及钢管管壁的固体域；

步骤三：将步骤一获得的压力钢管的进出口水流特性曲线作为边界条件，采用通用计算流体力学软件对压力钢管进行流体力学仿真，获得压力钢管内部水流的流速分布和水锤压力分布；

步骤四：将步骤三获得的水流对压力钢管内壁的水锤压力作为荷载加入到步骤二获得的压力钢管固体几何模型中，对压力钢管进行有限元计算，得到压力钢管的应力分布。

利用步骤四获得的压力钢管的应力分布数据比对压力钢管的强度阈值，若超出压力钢管的强度阈值，则发出警报信息，压力钢管已存在质量问题。

所述三维建模软件包括Solidworks、Pro/E、UG。

所述步骤三中使用的通用计算流体力学软件包括ANSYSCFX、FLUENT或PHOENICS。

有益效果

本发明提供了一种水力过渡过程中压力钢管应力数值计算方法，该方法首先基于水电机组水力过渡过程绘出水流特性曲线，根据水力特性曲线和固体几何模型进行钢管内部水流计算流体力学计算，得到内部钢管内部水流的压力分布。通过考虑水力过渡过程水锤对钢管作用，进行压力钢管流固耦合分析，得到水力过渡过程钢管管壁的应力分布。该应力数值计算方法具有通用性，能够快速获得钢管的应力分布，指导应力钢管的质量检测和安全评估。

附图说明

图1是压力钢管结构示意图；

图2是管道内水流速度随时间变化图；

图3是机组开机过程压力钢管最大应力随时间变化图；

图4是机组稳定出力时压力钢管内部水流压力分布示意图；

图5是机组稳定出力时压力钢管应力分布示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

现以某水电厂某台机组开机过程的压力钢管来说明本发明方法,如图1所示，该管材质为16MnR。

步骤一、根据水电机组开机过程，导叶由闭到全开启时间共6s，管道内水流速度由0m/s逐渐增大到6.2m/s，如图2所示。

步骤二：通过建模软件Solidworks建立压力钢管固体几何模型，包含内部水流的流体域和钢管管壁的固体域，钢管由上斜段、上弯段、背管斜直段，下弯段，水平段组成；

步骤三：将步骤一获得的压力钢管的进出口水流特性曲线作为边界条件，将压力钢管固体几何模型导入到计算流体力学仿真软件ANSYSCFX中，对水力过渡过程中的压力钢管内部水流进行计算流体力学仿真，得到内部水流的流速分布和钢管内壁的水锤压力分布；

步骤四：考虑水锤引起的水锤压力对钢管的作用，将所得到钢管内壁水流压力作为荷载加入到压力钢管固体模型中，对压力钢管进行有限元计算，得到管壁的应力分布，图3为开机过程最大等效应力随时间的变化图，在机组启动终了时刻即稳定运行阶段应力最大，图4所示为机组稳定运行时钢管内壁水流压力，图5所示为机组稳定运行时钢管管壁应力分布图。

步骤五：依据计算结果，压力钢管最大等效应力为153.7MPa，小于钢管的屈服应力163MPa，但是在钢管的水平段靠近出口出现应力集中，见图5左下角圆圈处，在机组停机检修时，可对增加该处焊缝的无损检测比例，确保该处无缺陷。