钢岔管水压试验封头计算及有限元分析

摘 要：本文介绍了北京市南水北调配套工程的东干渠工程中压力管道钢岔管水压试验平板封头的理论计算及有限元分析过程，为类似低压钢岔管水壓试验封头选用提供借鉴和参考。

关键词：钢岔管；加强梁；强度；刚度；有限元

中图分类号：TV743 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）30-0256-02

1 工程概述

北京市南水北调配套工程的东干渠工程，位于北京市东南部南海子郊野公园东侧，即现状三海子东路以东、黄亦路以北。主要管道包括一期调节池、亦庄泵站、进水管线、退水管、亦庄枢纽调度中心等。压力钢管范围包括：DN3600进水管管道、DN2600东干渠溢流管道、DN2400亦庄泵站出水管线、DN1200调节池溢流管线、DN1800亦庄分水管线172m、DN1200退水管线1.2km，合计工程量2600t。其中钢岔管两个，合计306t，该项目工地现场制造的方式。钢岔管的水压试验在工地制造厂完成。本文针对C2岔管水压试验采用平板封头的形式进行受力分析计算和有限元分析。

C2岔管主管D=2420mm，锥管D=2420/2220，支管D=2220；管壁δ=18mm；材质：16MnR。设计水压试验参数0.9MPa。参与水压试验的C2岔管体型结构布置见图1。平板封头由于结构简单、安装方便而成为首先考虑的挡水型式。

2 封头选型及参数设计

选用平板封头型式。采用整钢板下料成形，封头下部承受内压，上部布置加劲结构，整体与钢管采用对接熔透焊缝，其焊缝要求100%超声波探伤检验BⅠ合格。封头结构见图2。封头的主要参数及材料选择设计如下，数据以主管封头计算为例。

封板与钢管连接环形缝采用组合焊缝接头，满足连接强度要求。

4 封头有限元分析

4.1 有限元建型和约束、载荷加载

采用SOLIDWORKS软件建模，建模完成后导入ANSYS进行有限元分析。

钢板材料为16MnR，其弹性模量E=2.07×1011Pa；泊松比μ=0.28；密度ρ=7.85×103kg/m3；许用应力163MPa。

网格划分采用实体壳单元类型划分。管壁采用固定约束类型，载荷以压力的形式加载。载荷0.9MPa，安全系数1.15。

4.2 有限元分析结果

（1）位移分析

由图4～5可知：封板中心处相对于周边支撑处最大位移为1.62mm，管径为2.4m，最大挠度按照L/800控制，要求不超过3.0mm，因此，满足刚度要求。

（2）应力分析

由图6～7可知：应力最大处位于与封板加强梁相近的管壁上，最大应力值约150MPa左右，封板面板最大应力约为110MPa左右，封板加强梁的外侧翼板最大应力约为130MPa左右。而材料的屈服极限σs=210MPa，许用应力163MPa，因此满足强度要求。

5 结 论

最终水压试验过程中，分级加载保压，试验过程中所有焊缝和连接部件均进行泄漏检查；分级保压过程，压力表指针稳定没有发生颤动现象，同时进行应力测试，并对数据进行了采集和保存。试验过程平稳，各项数据都在规范要求的范围内，顺利完成了水压试验。平板封头因为制造简便、成本低而被广泛应用在低压岔管水压试验中的封头。

收稿日期：2018-9-19

作者简介：陈爱国（1965-），男，湖北洪湖人，高级工程师，本科，主要从事金属结构制造与安装工作。