Bài viết Kiểm toán đường ống áp lực nhà máy thủy điện trong giai đoạn vận hành nghiên cứu kiểm tra độ bền kết cấu thép của đường ống áp lực phục vụ kiểm định an toàn công trình bằng phương pháp phần tử hữu hạn đóng một vai trò rất quan trọng, có thể phân tích được chuyển vị và ứng suất tổng thể của đường ống với các điều kiện làm việc thực tế từ đó đánh giá được mức độ an toàn của đường ống để có phương án xử lý gia cường phù hợp.
Trang 1KIỂM TOÁN ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
TRONG GIAI ĐOẠN VẬN HÀNH
Khúc Hồng Vân1, Nguyễn Văn Hiện2, Phạm Thị Ngọc Diệp2, Phạm Hải Đăng2
1 Trường Đại học Thủy lợi, email: diepptn73@wru.vn
2 Sinh viên Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Đường ống áp lực nhà máy thủy điện
thường có quy mô lớn và vận hành trong điều
kiện chịu áp lực cao nên dễ xảy ra các sự cố
nghiêm trọng khi thép ống bị ăn mòn, mố đỡ
đường ống áp lực bị lún
Nghiên cứu kiểm tra độ bền kết cấu thép
của đường ống áp lực phục vụ kiểm định an
toàn công trình bằng phương pháp phần tử
hữu hạn đóng một vai trò rất quan trọng, có
thể phân tích được chuyển vị và ứng suất
tổng thể của đường ống với các điều kiện làm
việc thực tế từ đó đánh giá được mức độ an
toàn của đường ống để có phương án xử lý
gia cường phù hợp Thông qua một ví dụ cụ
thể, bài báo cung cấp giải pháp trong thực
tiễn để kiểm toán an toàn đường ống áp lực
đang trong quá trình vận hành
2 PHƯƠNG PHÁP KIỂM TOÁN ĐƯỜNG
ỐNG ÁP LỰC
2.1 Cường độ tính toán của vật liệu
Cường độ tính toán của vật liệu R, (TCVN
8636:2011) được xác định theo công thức
dưới đây:
R = σc.C.K.m.mv trong đó: σc - ứng suất chảy của vật liệu;
C - hệ số chuyển đổi từ cường độ chính sang
cường độ tiêu chuẩn; K - hệ số kể đến tính
đồng chất của vật liệu; m - hệ số điều kiện làm
việc; mv - hệ số phụ thuộc vào cấp công trình
2.2 Kiểm toán độ bền khi chịu áp lực từ
bên trong
Khi kiểm tra độ bền đường ống chịu áp lực
từ bên trong cần kiểm tra các thành phần ứng
suất trên mặt cắt dọc và mặt cắt ngang tại các
vị trí cho ở Hình 1 khi chịu các thành phần lực vuông góc và song song với trục ống
1 Thành ống giữa nhịp; 2 Thành ống giáp đai gối; 3 Đai tăng cứng và thành ống;
4 Đai gối và thành ống
Hình 1 Vị trí kiểm tra ứng suất đường ống
Công thức kiểm tra độ bền :
3
x
R R
R
trong đó: - ứng suất trong ống thép;
- ứng suất hướng vòng; z - ứng suất hướng dọc; x - ứng suất tiếp; R - cường độ tính toán
2.3 Kiểm toán ổn định khi chịu áp lực
từ bên ngoài Khi kiểm tra ổn định đường ống chịu áp lực p từ bên ngoài như áp lực đất, áp lực khoan phụt… cần kiểm tra ổn định thành ống giữa hai đai tăng cứng và ổn định bản thân đai theo công thức:
p pcr trong đó : pcr là cường độ tới hạn được xác định theo công thức kinh nghiệm hoặc công thức giải tích
Trang 23 XÂY DỰNG MO HINH PTHH
Việc xác định ứng suất trong đường ống
theo các công thức giải tích có trong tiêu
chuẩn gặp khá nhiều khó khăn đặc biệt khi
đường ống làm việc theo các điều kiện thực
tế như lún không đều của các mố, đường ống
chịu dao động của áp lực nước trong ống,
chiều dày ăn mòn không đều của đường ống
tại các vị trí các khau… Đường ống áp lực
được mô phỏng từ phần tử thanh (Frame) là
sườn gia cường bao quanh chu vi của ống
kéo dọc theo phương trục ống (Extrude)
thành phần tử tấm vỏ (Shell) Các chân mố
đỡ cũng được tạo ra từ vị trí của sườn gia
cường nên đảm bảo nguyên tắc nút trùng nút
Từ mô hình số, trạng thái ứng suất biến dạng
của đường ống với các điều kiện thực tế khi
vận hành được phân tích bằng phương pháp
phần từ hữu hạn
4 VI DỤ THỰC TẾ
4.1 Số liệu tính toán
Nghiên cứu được thực hiện trên một công
trình có đường ống dẫn nước lộ thiên như
hình vẽ:
Hình 2 Đường ống áp lực nhà máy thủy điện
Thông số cơ bản của ống: 2 đường ống
4700×20 mm; tổng chiều dài đường ống là
195 m chia làm 13 nhịp được đỡ bằng 11 mố
trung gian và 2 mố néo ở 2 đầu, trong mỗi
nhịp có 2 vành tăng cứng
- TH1: Ống làm việc trong điều kiện thiết
kế, chiều dày ống không đổi 20 mm
- TH2: Ống làm việc trong điều kiện lún
(Hình 3, 4) và ống bị ăn mòn (Bảng 1)
Ta có kết quả biểu đồ lún đo tại hiện
trường theo các chu kỳ
Hình 3 Biểu đồ lún đường ống phải
Hình 4 Biểu đồ lún đường ống trái
Hình 5 Sơ đồ gán lún tại các gối
Chiều dày mỗi đoạn ống làm việc trong điều kiện lún và bị ăn mòn được thể hiện trong Bảng 1
Bảng 1 Chiều dày đoạn ống bị ăn mòn
Vị trí Đoạn
1
Đoạn
2
Đoạn
3
Đoạn
4
Đoạn
5
Đoạn
6 Chiều
dày (mm)
19,65 19,78 19,39 19,58 19,55 19,63
Vị trí Đoạn
7
Đoạn
8
Đoạn
9
Đoạn
10
Đoạn
11
Đoạn
12 Chiều
dày (mm)
19,38 19,6 19,58 19,48 19,66 19,38
Trang 34.2 Kết quả tính toán
(1) Ứng suất
Hình 6 Ứng suất lớn nhất tại mỗi đoạn
theo phương vuông góc trục (S11)
Hình 7 Ứng suất lớn nhất tại
mỗi đoạn ống theo phương dọc trục (S22)
Từ kết quả Hình 6 và 7: Khi bị lún ứng
suất xảy ra lớn nhất tại các gối và tăng dần
theo các chu kỳ Ứng suất tại S11 và S22 đều
tăng lên khoảng 1,7 lần so với trường hợp
ống làm việc điều kiện bình thường (TH1)
Tại S11 ứng suất nhỏ và lớn nhất là 79,25
MPa; tại S22 ứng suất lớn nhất lên tới 159,3
MPa gần đến giới hạn cho phép theo TCVN
là 177 MPa
(2) Chuyển vị
Khi đường ống làm việc trong điều kiện
bất lợi chuyển vị tăng dần theo các chu kỳ
Tại CK24 ống chuyển vị lớn nhất tại vị trí
MP325 và MT314 Độ võng lớn nhất của
đường ống nằm trong phạm vi độ võng tương đối cho phép 1 1
12000 1000
f
5 KẾT LUẬN VA KIẾN NGHỊ Qua phân tích ảnh hưởng của độ lún và ăn mòn đến khả năng làm việc của đường ống
áp lực trong nhà máy thủy điện trong giai đoạn vận hành cho kết quả đảm bảo yêu cầu
về độ bền theo thiết kế Tại các vị trí MP325
và MT314 cần gia cố xử lý nền khẩn cấp hoặc điều chỉnh cột nước áp lực khi vận hành đường ống vì ứng suất lớn nhất theo phương dọc trục ống đã đạt gần đến giới hạn cho phép
Phương pháp phân tích kiểm toán đường ống áp lực bằng phương pháp phần tử hữu hạn là giải pháp tính toán đơn giản, trực quan giúp cho kết quả một cách nhanh chóng tiện lợi Phương pháp này có thể giúp cho các đơn
vị quản lý vận hành kiểm định chất lượng đường ống áp lực hàng năm nhằm đưa ra quyết định hợp lý duy tu bảo dưỡng công trình để đảm bảo quá trình vận hành diễn ra thuận lợi, hạn chế được các rủi ro xảy ra đối với công trình trong quá trình vận hành
6 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCVN 8636:2011, Công trình thủy lợi - Đường ống áp lực bằng thép - Yêu cầu kỹ thuật trong thiết kế, chế tạo và lắp đặt [2] ADINA 9.6 (April2020), “Problem 18: Fluid flow over a flexible structure in a channel: ADINA Prime”, ADINA R & D,Inc
[3] TCVN, “6 Tính toán độ bền và ổn định đường ống áp lực: Hydraulic structures- Steel penstock- Technical requirements for designing, manufacturing and installation”, TCVN 8636:2011
