一种大型钢岔管水压试验用封头结构及计算方法与流程

1.本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种大型钢岔管水压试验用封头结构及计算方法。


背景技术：

2.随着水电站装机规模的增大，作为水电站输水系统一管多机布置方式的重要组成部分的钢岔管向高水头、大hd值(hd表示水头与主管直径的乘积)方向发展，其体型、结构设计也在不断的优化，并随着国产600mpa、800mpa级别高强度厚钢板的使用，高强度厚钢板加工焊接质量缺陷等也会影响钢岔管的运行安全，因此对大型和超大型钢岔管在投入使用前有必要进行水压试验。水电站钢岔管水压试验是利用符合设计要求的封头将岔管的三个管口封堵，将水封闭在岔管内，逐步升压、保压到最大试验压力值，以检验岔管制安质量、验证设计。同时减小或均衡化钢岔管成型过程中产生的残余应力和不连续部分的峰值应力，确保钢岔管在工程中正常运行。以往的工程案例中出现过多起由于封头结构焊接质量问题或封头结构的不合理(转折角过大、应力集中严重)导致局部强度不足引起的水压试验爆管事故，造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失，因此作为临时性使用的结构，封头在钢岔管水压试验能否顺利进行中发挥的作用极为关键。
3.封头形式一般为椭圆型、半球形、锥形、蝶形、球冠型以及平板型几种；受力较好的是球形，但是针对大直径的管道，会导致其冲压的半径大，深度深，整体旋压加工难度大，如采用分块冲压，会导致现场的焊接量非常巨大，焊接质量存在风险；锥形、蝶形，由于几何不连续性，曲率半径突变，其内部受力复杂。椭圆封头的力学性能仅次于半球封头，但由于蝶形封头；且椭圆形封头的深度介于半球形和蝶形封头之间，对冲压设备及模具的要求、制造难度亦介于两者之间，即比半球形封头容易，比蝶形封头困难。目前传统的钢岔管封头都是选用常规的单一的封头结构形式。但是针对大型及超大型钢岔管，由于其体积大、重量重，考虑到运输和吊装问题，不具备在厂内进行完水压试验后再将岔管本体整体运输到洞室内进行吊装的条件，因此一般采用在输水系统现场，洞室内进行水压试验，但是洞室内吊装空间狭小，考虑到封头受力、封头深度，针对大型及超大型钢岔管，采用单一结构封头时均无法较好的实施水压试验。
4.申请号为201820131181.5，名称为一种用于超大型岔管群水压试验的闷头结构，其在直管后加装一个过渡锥将管径变小，并配上标准的球形闷头封盖，为保证强度，在主管和椎体相交位置设置内置加强圈梁，克服了常规闷头设计用料多、冲压能力受限及只能承受中低压力值的缺点，也解决了单一蝶形闷头因为较大的边缘弯曲应力与薄膜应力与薄膜应力叠加而导致应力极大的难题，确保水压试验安全进行。
5.但是水压试验后两条加强梁圈的割除，会伤害材质为高强钢的岔管本体的主管管口附近母材，易产生表面裂纹类的缺陷，为岔管投产后的运行带来安全隐患，且新增加的过渡锥采用了大致60
°
锥形角，截面变化过快，还是会产生较大的应力集中，过渡锥采用600mpa级的07mnmovr钢，成本较高，不经济。


技术实现要素：

6.针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种大型钢岔管水压试验用封头结构及计算方法，有效的解决了现在封头结构成本高且存在安全隐患的问题。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种大型钢岔管水压试验用封头结构，包括闷头，闷头右端固定连接有第一过渡锥，第一过渡锥右端固定连接有第二过渡锥，第二过渡锥与主管固定连接；
8.所述第一过渡锥和第二过渡锥两端的半锥顶角不相等。
9.优选的，所述第一过渡锥与主管之间的转折角为10
°
。
10.优选的，所述闷头外侧固定连接有加强环，加强环内端固定连接第一过渡锥。
11.优选的，所述加强环包括第一补强环和第二补强环，第一补强环与闷头的直边贴合，第二补强环与第一过渡锥贴合，第一补强环和第二补强环固定连接。
12.优选的，所述第一过渡锥和第二过渡锥的外壁焊接有多个加强板，多个加强板环向圆周均布。
13.优选的，所述闷头为椭圆形结构。
14.一种大型钢岔管水压试验用封头结构的计算方法：包括如下步骤，定义第一过渡锥的长度为l1、半小端径r1、半锥顶角β1，定义第二过渡锥的长度为l2、小端半径r2、半锥顶角β2，定义主管半锥顶角β0；
15.步骤s1，第二过渡锥与主管间的转折角为10
°
，即β2＝β0+10
°
，其中β0由设计图纸而定；
16.步骤s2，第一过渡锥的小端半径由闷头的半径决定；
17.步骤s3，第一过渡锥和第二过渡锥的总长l＝l1+l2由现场施工空间决定；
18.步骤s4，β1》β2＞β0，第二过渡锥与主管间的转折角θ，设其最大值为θmax，取值为10
°
，β1的最大值用β1，max表示，β1≤30
°
，因此
[0019][0020]
本发明为了回避大体型闷头加工难度的问题、降低成本、便于长途运输，采用较小的椭圆形闷头(相对于岔管主管管口直径而言)，从而降低闷头结构的整体焊接量，降低现场施焊环境恶劣产生焊接缺陷的概率，通过第一过渡锥、第二过渡锥来逐渐缩小直径后降低相邻两管节间的转折角，尽量削弱应力集中的对强度的不利影响，解决吊装空间狭窄，尤其是在轴向长度受制约的工况下超大型钢岔管水压试验的封堵问题，该方案经济适用。
附图说明
[0021]
图1为本发明整体结构示意图；
[0022]
图2为本发明轴向示意图；
[0023]
图3为本发明闷头与第一过渡锥间贴边补强环示意图；
[0024]
图4为本发明过渡锥半锥顶角及轴向长度示意图；
[0025]
图5为本发明计算流程图；
[0026]
图6为本发明算例中的位置曲线图；
[0027]
图中：1、闷头；2、第一过渡锥；3、第二过渡锥；4、主管；5、加强环；6、第一补强环；7、第二补强环；8、加强板。
具体实施方式
[0028]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。附图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0029]
如图1-5所示，一种大型钢岔管水压试验用封头结构，包括构成大型岔管的主管4和闷头1，通过锥形结构的第一过渡锥2、第二过渡锥3渐进缩径后与闷头1连接封堵岔管的主管4管口，闷头1与第一过渡锥2焊接完成后，在其外壁通过加强环5进行补强，第一过渡锥2与第二过渡锥3焊接完成后，在外面通过加强板8进行补强。
[0030]
在装置中闷头1的直径较小，避免了加工厂冲压能力不够的制约，封头选用长短轴比为2:1的标准椭球形，便于计算和制造。
[0031]
第一过渡锥2与闷头1通过焊接连接，本装置采用了较小尺寸的闷头1，因此第一过渡锥2与闷头1接口端有曲面形状突变，转折角很大，应力集中明显，因此在管的外壁通过加强环5进行补强。
[0032]
第一补强环6宽度为100mm，与闷头1的直边贴合，端部采用贴角焊缝的方式进行连接，第二补强环7宽度为150mm与第二过渡锥3贴合，端部采用贴角焊缝的方式进行连接。
[0033]
第一补强环6与第二补强环7之间通过焊接连接。
[0034]
第一过渡锥2和第二过渡锥3通过焊接连接，此处焊缝为单面v型坡口外面焊接，外壁通过15块加强板8进行加强，加强板8的尺寸为30
×
200
×
400mm，在环形间隔24
°
均匀分布，通过焊接竖直固定在第一过渡锥2、第二过渡锥3的外表面，用于弥补由于第一过渡锥2和第二过渡锥3截面突变及焊接造成应力集中对强度的削弱。
[0035]
在本技术中，加强板8的尺寸和数量并非完全是固定的，在工程实际中，是需要根据实际进行强度计算后得到的。
[0036]
工程实际中，为了降低成本，一般第二过渡锥3可采用与岔管本体一样牌号的高强度钢，而第一过渡锥2可以采用低合金钢q355，并使其强度能满足要求。
[0037]
一种大型钢岔管水压试验用封头结构的计算方法：包括如下步骤，定义第一过渡锥2的长度为l1、小端半径r1、半锥顶角β1，定义第二过渡锥3的长度为l2、小端半径r2、半锥顶角β2，定义主管4半锥顶角β0；
[0038]
步骤s1，第二过渡锥3与主管4间的转折角为10
°
，即β2＝β0+10
°
，其中β0由设计图纸而定；
[0039]
步骤s2，第一过渡锥2的小端半径由闷头1的半径决定；
[0040]
步骤s3，第一过渡锥2和第二过渡锥3的总长l＝l1+l2由现场施工空间决定；
[0041]
步骤s4，β1》β2＞β0，第二过渡锥3与主管4间的转折角θ，设其最大值为θmax，取值为10
°
，β1的最大值用β1，max表示，β1≤30
°
，因此
[0042][0043]
算例：如所设计岔管主管4半径r0＝4000mm，主管4半锥顶角β0＝5
°
。选择的椭圆形闷头1半径r1＝3000mm，且现场空间要求l≤3000mm，θmax＝10
°
，则β2＝15
°
。
[0044]
如下表所示
[0045][0046][0047]
由于加工与岔管主管4直径相当的椭球形闷头1直接连接在岔管主管4上，则闷头1直径会非常大，重量重，成本高。一方面，闷头1生产厂家加工难度很大，超大件路途运输也不方便，需要分瓣加工然后运输到现场组装焊接，但现场组装和施焊条件恶劣，很难保证闷头1质量；另一方面，由于洞室内空间有限，因此为了方便吊装，闷头1直径也不能太大。因此采用直径小于主管4直径的闷头1，闷头1和主管4间通过过渡锥连接，受洞室内空间制约，过渡锥与主管4间转折角大，会出现几何不连续，两个截面产生明显的应力集中而降低其强度。因此本发明中的过渡锥采用两段，第一过渡锥2和第二过渡锥3，两段的半锥顶角不相等，逐渐减小两个管节间的转折角。对于最后一条合拢缝设置在第一过渡锥2和第二过渡锥3间，采用单面焊接通过补强板补强，可以免开进人孔，回避了通过进人孔双面焊接而导致
的进人孔封堵问题。
[0048]
实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。