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防腐螺旋钢管的稳定性问题

浏览：发表时间：2020-06-22 15:30:08

　　防腐螺旋钢管水力发电是人们获取能源的主要方式，水是一种清洁无污染、可持续利用的资源，且水电站工程还常常兼有防洪、灌溉等综合功能，因此水力发电倍受人们青睐。为了满足更多的电能需求，水电站的装机容量越来越大，甚至为了设计调峰补差不得不修建高水头、大容量的抽水蓄能电站，这就使得水电站的一个主要组成部分—输水压力管道的规模越来越大。目前，已有管径可达12m之大的压力管道。同时，由于钢材冶炼技术及焊接技术水平的提高，压力管道的强度指标越来越高，管壁也相对变薄，压力钢管成为典型的大型薄壁结构，所以压力钢管稳定性问题成了管道设计的关键因素几十年来，国内外水电站压力钢管时有重大失稳破坏发生。

　　其重要原因之一就是几十年一直在沿用基于简化模型的解析或半经验性公式如 Mises公式、 Amstutz公式、 Jacobean公式等，这些公式是在物理、数学模型高度简化的基础上推导出来的，或是实验资料的总结和工程经验的总结，缺乏准确性和可靠性；再者，地下压力管道承受多变复杂荷载可能性较大，所以一旦遇到不利外压，就可能会有失稳事故发生。失稳不仅会造成直接的经济损失，而且会有更大的间接损失，因此，压力钢管外压稳定性问题是亟待研究的重要工程问题。本书不仅具有重要的理论意义而且具有重大的应用价值。过去对压力钢管外压稳定问題研究较少。作者认为，主要有几个方面原因：一是工程设计人员习惯于传统的解析或半经验性方法，这些公式比较简单，计算与校核时方便省力；二是稳定性问题作为固体力学的个分支，理论概念相对深奥，失稳机理不易弄清楚，尤其是水工压力管道这种地下结构，究竟是大变形还是小变形；缺陷因素对稳定荷载影响多大、如何考虑；荷载达到临界状态之前材料处于什么状态等，形成了比较复杂的问题；对薄壳防腐螺旋钢管结构缺乏有效的计算分析方法。这几个主要原因在一定程度上导致了水工压力管道外压稳定性分析理论发展的滞后；四是实验研究成果少，缺乏实证性考证。有限元法是20世纪最成熟的数值计算方法之一，它的产生影响了科学技术的许多领域，至今仍旧是数值计算领域应用最广的方法。但有元法在处理高梯度场问题时有局限性。对于壳体结构而言，由于壳体空间几何形状表示的复杂性及受力变形的复杂性，按壳体一般理论，需要较多的参数进行描述，应变位移关系复杂。因此在构造既满足连续性要求，又满足刚体位移和常应变要求的壳单元比较复杂。

　　为此，许多研究者借用“平板型壳元”或“三维弹性体退化壳元”，但这些单元常会出现奇异及“闭锁”现象，都不尽如人意。后来，许多研究者又提出各种修正单元，但终因太复杂而使壳体的有限元求解比较困难。当然，柱壳的位移应变关系及几何描述简单些，仍无法从根本上解决问题，一方面壳体受力及变形复杂，另一方面有限元法的固有属性是需要用“单元”进行描述。壳体自身的受力及变形属性是不可更改的，有限元法作为一个工具，从属性上决定它难以方便地解决壳体问题，必须探索新方法。针对水工压力防腐螺旋钢管钢管稳定性问题，20世纪90年代中期曾有半解析有限元的方法，虽然有所进步，但离散仍不可避免，况且一个方向解析化描述也只是在简化的意义上令人安慰。同时，模型上也需斟酌，比如对缺陷的考虑及加肋的考虑。总之，在有限元的技术框架内，计算肋壳组合结构稳定性问题仍有一定的难度而目前刚刚兴起不久，正步入兴盛阶段的无单元法可以克服以上困难。

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