引水管道阀门的动水荷载特征与破坏分析

　　高程Z/m水头对阀门交变力矩的影响流量对阀门交变力矩的影响水流U）简单管道（b>复杂管道管道示意水电站或泵站的引水威输水）管道，经常因管道内压力波动诱发强烈振动据统计冰电站或泵站的引水管道发生振动的事例大约有510，造成管道破裂、工程失事的情况也时有发生。造成管道振动的原因包括：管道内的水压脉动和传播冰体自激振荡等1丨管道上的阀门也常发生流激振动，例如迤形阀的阀体加筋叶片常发生颤振破坏蝶阀也会因为阀门构咄、阀门销轴或锁定机构构咄等方面的原因咄成流动不稳定和压力脉动，诱发阀门的振动，使销轴产生疲劳破坏或阀门突然关闭，形成水击，由此造成阀门和管道的破坏此类事故在我国的一些水电站也曾有发生造成严重的经济损失，然而目前对此类事故的形成机理仍缺少应有的研究。为摸清此类事故发生的机理，以便为工程设计和安全运行提供依据，本文研究了水电站或泵站蝶阀开启状态时所承受的水流时均和脉动荷载特征，计算了水力诱发阀门的振动响应，分析了阀门销轴等构件的疲劳效应，以及阀门突然关闭对管道和阀门门体的影响。

　　1阀门承受的水流时均和脉动荷载特征水电站或泵站引水威输水）管道中的蝶阀在关闭状态时，阀板和阀轴承受水压力作用，销轴起定位的作用。蝶阀开启状态时，阀板处于流道中，承受水流的时均和脉动压力作用，产生时均和交变力矩，会诱发阀门的振动，使阀轴和销轴承受交变剪切作用。在管道系统正常输水时，产生的交变力矩和应力是很重要的，它能否造成阀门销轴等构件的疲劳破坏，是设计和安全运行所关心的问题。

　　针对所示的简单管道和复杂管道系统，研究阀门在全开和部分开启时所承受的水流时均和脉动荷载。试验研究结果如下。

　　，阀门上的交变*动）力矩主要受引用流量大小的影响，大致与流量的平方成正比0*）。即阀门上的交变力矩主要受通过阀门的水流流速大小制约，与流速水头F2/2g成正比冰位高低对阀门上交变力矩的影响很小冰位主要是影响时均压力大小0*），各种水位下管道内各点压力梯度在引引水管道阀门的动水荷载特征与破坏分析练继建，安刚，杨令强，万五一，崔广涛厌津大学水利水电工程系，天津300072）动荷载特征，计算了水力诱发阀门的振动响应，分析了阀门销轴等构件的疲劳效应和阀门突然关闭对管道阀门门体的影响研究成果可为工程设计和安全运行提供依据。

　　练继建等//引水管道阀门的动水荷载特征与破坏分析用流量相同时基本是一致的。将交变力矩转换为作用在阀门上的脉动压力，建立脉动压力与流速水头的关系均方根值二双位振幅2'胃二C2|.根据试验结果分析叨和河得：（1单管道条件下（水流平顺）/0.100.14A=.7 0.9画4，中对应符号鲁、杂管道条件下向进流，无其他侧向支管不引用流量时）0.22 /：2=1.21.4圆4，中对应符号、口）；C3杂管道条件下侧向进流，含其他侧向支管引用流量时）A二0.180.26A二1.41.94，中对应符号▲、Ai复杂管网系统输水对阀门的交变力矩与简单管道输水对阀门的交变力矩相比，约增加90120.上脉动压力的数值相当，但两者的物理意义不同，干管管壁脉动压力指“点”脉动压力段考虑脉动压力的相位和均化影响），以上给出的阀门脉动压力实际上为“面”脉动压力南虑脉动压力的相位和均化影响），管道内的脉动压力点面转化系数约为0.1 0.4e，也就是阀门上的点脉动压力可能比干管管壁的点脉动压力大2.5倍以上这是因为管壁附近流态较为平顺调体上的水流较为紊乱，而且后者流速也要比前者高的缘故干管管壁脉动压力较水击压力小得多腺动压力以时均压力为基准的上下波动振幅基本在lm之内周而对管道应力的影响甚微。

　　阀门脉动压力均方根值与流速水头的关系阀门脉动压力双倍振幅与流速水头的关系阀门丌度八°）不同开度下阀门承受的力矩第二，阀门全开输水时，阀门承受的时均力矩与交变力矩相比较小，时均力矩约为交变力矩网倍振幅舶1/3，说明阀门两侧的时均压力是基本平衡的。

　　第三雁据阀门流量特征曲线，对阀门在简单管道作用下不同开度时所承受的时均力矩和交变力矩进行试验测试，试验结果如所示。测试结果显示：交变力矩动力矩）随开度的减少而显著减少，这是由于随阀门开度减小使流量显著减小度75°30°时流量仅为全开的65和23），是流速或流速水头显著减小的缘故，而时均力矩则在阀门开度75°左右出现大值以直径为1.6m的管道为例，全开流量为8.0m3/s，相当于管道流速为4m/s时，大交变力矩为428kN.m，交变力矩均方根值为0.57kNm肚现在阀门全开时）大时均力矩为3.4 kN-m肚现在阀门开75°左右）。

　　第四，阀门交变力矩的频率主要分布在15Hz，给出了典型交变力矩的过程线与频谱图。

　　下面进一步分析阀门上的动水压力与管道管壁上的动水压力之间的关系。在简单管道条件下，管壁脉动压力均方差根为0.0920.144）F2/2g，复杂管网系统的管壁脉动压力均方差根相当于0.1880.292）F2/2管壁脉动压力与以上给出的阀门典型交变力矩的过程线与频谱图脉动力矩平均力矩K入金练继建等//引水管道阀门的动水荷载特征与破坏分析2阀门与管道安全性计算分析这里对阀门和管道安全性计算分析的目的有两个：其一是研究阀门在开启状态，水流时均和交变力矩诱发的阀板振动是否会咄成阀门销轴等构件疲劳破坏；其二是研究在阀门销轴等构件因疲劳破坏使阀门突然关闭而产生水击时，对阀门和管道的影响。

　　2.1阀门的水流诱发振动及疲劳破坏分析用以上试验测得的阀门交变力矩，加到阀门结构进行有限元动力分析；If结构离散成有限多个自由度其在随机荷载作用下的运动微分方程为矩阵Wv之和；r为结构刚度矩阵；为结构阻尼矩阵；护kk F分别为加速度、速度、位移矢量；俨为随机荷载分量应用振型叠加法求解式G），有比；为结构第。/阶振型随机荷载作用分量。其中/）二M7：俨kt灼M），由上式单自由度振动方程可求得第。/阶振型的瞬态反应解，即其中方，1伪体系单位脉冲响应函数即当已知随机荷载的时间历程时，就可求出各苷点的位移响应历程。位移响应的功率谱密度为则位移响应均方根值为=8.0m3/sx65，F=3m/s情况：阀门销轴上交变应力均方根值为l.OOMPa；阀门销轴上交变应力大值GA）为8.0MPa阀门销轴上时均应力为8.8MPa.疲劳分析Ji=7.64>2.5，其安全系数比全开工况时高，故在进行销轴的疲劳分析时，以分析全开工况为主。

　　2.1.2复杂管道阀门的疲劳破坏分析阀门销轴上交变应力均方根值为4.72MPa；阀门销轴上交变应力大值GA伪37.8MPa；阔门销轴上时均应力为7.5MPa；疲劳安全系数为2.85>2.5.以上疲劳分析是按2根>38的销轴个剪切面计算练继建等//引水管道阀门的动水荷载特征与破坏分析（100m水柱冰压荷载静应力分布示意律位：MPa）的由计算结果可知洳果阀门的2根销轴可以共同承担交变力矩的作用，即同时有4个剪切面起作用，销轴应不会产生疲劳破坏；如果因一些原因门销轴构咄等MS阀门的2根销轴ft个剪切面擎阀门运行的各个时刻不能同时起作用，出现2个或1个剪切面情况澈可能产生疲劳破坏的现象。

　　2.2阀门突然关闭情况下阀门和管道安全性分析以下探讨在阀门销轴等构件因疲劳破坏、阀门失去锁定作用而使阀门突然关闭时，所产生的水击对阀门和管道的影响。

　　由于阀门突然关闭的时间难以确定，而且它对水击压力的影响很大，以下假定阀门关闭时间7为1.0s/175s/150s，针对阀门以上水头为45m、管道总水头为100m的水击压力进行估算，可得：G调门关闭时间J：s=l.s时，包含水击压力的总压力P二//+八//二1.0681；调门关闭时间。二。753时，包含水击压）阔门关闭时间。=0.50s时，包含水击压力的总压力P二//+A//二1.921MPa.阀门在加1MPa（100m水柱）时，阀板主体的主应力小于100MPa，阀轴和轴套局部的主应力分别可达200MPa和150MPa，见0‘按照GB1225~m30?89中规定HT200的抗拉强度不低于200MPa若阀门材料满足要求，阀门应能够随（100m水柱）水压力作用。而根据阀门材料的检验结果，其抗拉强度为111.11MPa，这样阀门关闭时间为0.75s左右时，产生的水击压力就有可能使阀门产生破坏。某工程实例中，阀门的破坏形态与阀门有限元计算分析结果有较好的一致性，阀门断裂出现在应力较大的阀轴、轴套及相邻的阀板处。

　　管道在加1MPa（100m水柱）时，干管主体的应力小于80MPa，干管与支管接口处应力集中周部应力可达200300MPa固部加强可解决局部应力集中的问题，见0）。?般钢材的抗拉强度极限可达400MPa以上，屈服极限可达220MPa以上，钢管的允许应力为125MPa，因而钢管在局部加强后是能够随1MPaflOOm水柱冰压的。即使在出现阀门关闭时间为0.75s左右的水击压力时，也不至于使钢管主体破坏，这与某工程事故现场的情况是一致的。

　　3结语通过以上试验与有限元计算表明：水电站或泵站蝶阀开启状态时，在阀门上水流时均和脉动荷载作用下，阀门销轴的应力大，阀轴次之，阀板的应力小，销轴的应力是阀板或轴套应力的45倍以上洳果阀门销轴存在构造或材料的缺陷且水流流速偏高，在管道）系统的正常运行中，阀门销轴可能会产生疲劳破坏，造成阀门失去锁定，突然关闭形成水击，由此造成阀门和管道的破坏，工程设计中应予以重视。本文给出的阀门动力荷载参数确定方法和计算方法，可用于对该类破坏的分析和预测，可为工程设计和安全运行提供依据。