張晶，張忠文，褚洪賀，李娜，孫超

（1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南　250061；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南　250003）

GIS波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

張晶1，張忠文2，褚洪賀1，李娜1，孫超1

（1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250061；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003）

對波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過有限元分析對比了改進(jìn)前后設(shè)備的應(yīng)力和變形情況。分析結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)改進(jìn)后波紋管應(yīng)力較改進(jìn)前明顯下降，軸向變形顯著減??；膨脹節(jié)法蘭中心區(qū)域與邊緣變形量差異明顯減小，螺栓所受附加彎矩減??；結(jié)構(gòu)改進(jìn)后設(shè)備能夠更有效地抵抗外力作用，承受更大的變形量。因此，波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)改進(jìn)是有效地緩解外力作用、減小變形量的重要途徑，能夠確保GIS安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）；波紋管；膨脹節(jié)；有限元分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

0　引言

波紋管膨脹節(jié)是補(bǔ)償氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）熱脹冷縮變形和位移的重要零件，通過軸向伸縮來調(diào)節(jié)設(shè)備的變形量，從而降低法蘭所受應(yīng)力［1］。近年來有文獻(xiàn)［2-4］報(bào)道了波紋管膨脹節(jié)在GIS中的應(yīng)用，許多學(xué)者對波紋管的力學(xué)性能也進(jìn)行了大量研究［5-8］，但關(guān)于波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)改進(jìn)、在GIS中應(yīng)用效果以及安裝位置選擇的研究較少。

根據(jù)文獻(xiàn)［9］GIS局部結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果可知，在內(nèi)外壓力與重力作用下，位于法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)處的法蘭沿徑向內(nèi)側(cè)變形量大于外側(cè)，如法蘭邊緣出現(xiàn)較大應(yīng)力將導(dǎo)致法蘭接觸面分離，法蘭連接處密封性能下降，最終出現(xiàn)SF6氣體泄漏量偏大的問題。此外，220 kV GIS較大的應(yīng)力多出現(xiàn)于波紋管膨脹節(jié)處［9］?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)所用波紋管膨脹節(jié)法蘭為正方形，在法蘭四角處安裝有4組雙頭螺柱-螺母連接結(jié)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)波紋管膨脹節(jié)的伸縮量。但雙頭螺柱-螺母連接結(jié)構(gòu)對膨脹節(jié)法蘭四角處的變形具有一定的約束作用，因此法蘭中部與四角變形量差異較大，使雙頭螺栓承受附加彎矩，從而產(chǎn)生較大應(yīng)力［10］。此外，在220 kV GIS端部和彎頭連接處的Z向變形和位移較大，較大的變形將導(dǎo)致其附近的法蘭出現(xiàn)較大應(yīng)力。

本文對波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用圓形法蘭替換原有結(jié)構(gòu)中的方形法蘭，且采用6組軸對稱分布的雙頭螺栓-螺母連接結(jié)構(gòu)對法蘭進(jìn)行連接，將改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于整體結(jié)構(gòu)中，通過有限元分析對比改進(jìn)前后設(shè)備的應(yīng)力和變形情況，期望能夠通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)減小事故發(fā)生的概率，預(yù)防問題發(fā)生。

1　波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1.1模型構(gòu)建

改進(jìn)前波紋管法蘭為方形法蘭（如圖1a所示），在四角處通過4組調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行連接。本文采用圓形法蘭（如圖1b所示）代替原方形法蘭，并采用6組軸對稱分布的調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行連接，期望通過軸對稱結(jié)構(gòu)緩解內(nèi)側(cè)與外側(cè)變形差異較大的現(xiàn)象。改進(jìn)前后局部模型分別如圖2a和圖2b所示，改進(jìn)前波紋管法蘭為正方形，在四角處通過雙頭螺栓與螺母連接調(diào)節(jié)法蘭間距；改進(jìn)后波紋管膨脹節(jié)法蘭采用圓形，使用6組雙頭螺栓與螺母按等間距軸對稱分布連接膨脹節(jié)法蘭，調(diào)節(jié)膨脹節(jié)法蘭間距。根據(jù)結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，取結(jié)構(gòu)的1/2作為分析模型。整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用改進(jìn)后的波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)對原有整體結(jié)構(gòu)中的全部膨脹節(jié)進(jìn)行替換，膨脹節(jié)位置等均不發(fā)生改變。

圖1　波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)示意

圖2　波紋管膨脹節(jié)改進(jìn)前后局部結(jié)構(gòu)對比

圖3　波紋管膨脹節(jié)改進(jìn)后整體結(jié)構(gòu)模型

1.2有限元分析

有限元分析中材料屬性見表1。對出線支架、支撐桿、盆式絕緣子以及支座等零件選用Solid187十節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分；法蘭、雙頭螺栓、螺母等零件選取Solid185八節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；母線筒殼體、波紋管等曲面模型選取Shell181四節(jié)點(diǎn)四邊形殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并定義了殼體厚度為10 mm，波紋管厚度為2 mm；選用Targe170，Conta174單元定義各零件之間的連接和接觸。

表1　材料屬性

在整體結(jié)構(gòu)的有限元分析中對支撐桿、出線支架等零件下端施加固定約束；各零件之間的連接和接觸通過定義接觸對的方式實(shí)現(xiàn)；殼體和波紋管的內(nèi)、外表面分別施加0.6 MPa和0.1 MPa的均布壓力；對結(jié)構(gòu)施加重力載荷。局部結(jié)構(gòu)分析中，除上述邊界條件外，還需要在模型對稱邊界上施加對稱約束；在主母線殼體端部截面的節(jié)點(diǎn)上施加其余結(jié)構(gòu)對其產(chǎn)生的作用力，作用力可通過式（1）計(jì)算得到。

式中：p1為內(nèi)壓，MPa；p2為外壓，MPa；d1為主母線筒殼體內(nèi)徑，mm；d2為主母線筒外徑，mm；n為端部截面處節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

2　結(jié)果與討論

2.1局部結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)改進(jìn)前，波紋管最大應(yīng)力約89.0 MPa（如圖4a所示），波紋管沿軸向總伸長量約1.2 mm（如圖5a所示）；結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，波紋管最大應(yīng)力約84.1 MPa（如圖4b所示），波紋管沿軸向總伸長量小于0.5 mm（如圖5b所示）。圖6反映了結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后主母線法蘭應(yīng)力的變化情況，改進(jìn)前主母線法蘭的最大應(yīng)力出現(xiàn)在法蘭內(nèi)側(cè)邊緣處，約為192.6 MPa；改進(jìn)后的最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺紋孔處，約為98.0 MPa。圖7所示為結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后膨脹節(jié)法蘭的應(yīng)力變化情況。改進(jìn)前波紋管法蘭最大應(yīng)力約為298.0 MPa；改進(jìn)后的最大應(yīng)力約為102.6 MPa，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在調(diào)節(jié)螺栓的螺紋孔處。

圖4　波紋管等效應(yīng)力對比（MPa）

圖5　波紋管Z向變形量對比（mm）

圖6　改進(jìn)前、后主母線法蘭等效應(yīng)力對比（MPa）

圖7　改進(jìn)前、后波紋管法蘭等效應(yīng)力對比（MPa）

由圖8和圖9可見，改進(jìn)前Z向變形均大于改進(jìn)后Z向變形，且主母線法蘭和波紋管膨脹節(jié)法蘭的變形趨勢一致：法蘭內(nèi)側(cè)變形量大于外側(cè)變形量。結(jié)構(gòu)改進(jìn)前，主母線法蘭與膨脹節(jié)法蘭Z正方向最大變形量約0.58 mm，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，法蘭沿Z方向變形明顯減小，法蘭最大變形量為0.25 mm。

圖8　改進(jìn)前、后主母線法蘭Z向變形對比

圖9　改進(jìn)前、后波紋管法蘭Z向變形對比

定義圖10所示2條路徑，觀察沿路徑由中心區(qū)域至邊緣法蘭Z向變形的變化量。由圖11可見，結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后膨脹節(jié)法蘭中心區(qū)域與邊緣的變形差異發(fā)生了明顯變化。結(jié)構(gòu)改進(jìn)前，法蘭中心區(qū)域與邊緣變形量相差約1.00 mm；結(jié)構(gòu)改進(jìn)后變形量相差小于0.40 mm，變形不一致的情況得到改善，螺栓所受附加彎矩減小，螺栓最大應(yīng)力得到緩解，由改進(jìn)前的305.231 MPa降低至改進(jìn)后的約250 MPa（如圖12所示）。

圖10　路徑定義

2.2整體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

圖13給出了改進(jìn)前后整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果。采用結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的波紋管膨脹節(jié)替換原有整體結(jié)構(gòu)中的全部波紋管膨脹節(jié)。由分析結(jié)果可見，最大應(yīng)力的位置發(fā)生了變化，改進(jìn)前最大應(yīng)力出現(xiàn)在圖13a局部放大處，改進(jìn)后最大應(yīng)力的位置向Z負(fù)方向移動，出現(xiàn)在圖13b局部放大處，但結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后最大應(yīng)力均出現(xiàn)在波紋管膨脹節(jié)螺栓處。設(shè)備所受應(yīng)力得到明顯緩解，最大應(yīng)力由317.801 MPa降低至約247.258 MPa。

圖11　波紋管膨脹節(jié)法蘭沿路徑Z向變形

圖12　改進(jìn)前后螺栓等效應(yīng)力對比（MPa）

圖13　整體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力對比（MPa）

3　結(jié)論

對比改進(jìn)前后波紋管分析結(jié)果可見，在同樣的工作條件和外力作用下，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后波紋管應(yīng)力較改進(jìn)前明顯下降，軸向變形顯著減小，膨脹節(jié)法蘭中心區(qū)域與邊緣變形量差異也明顯減小。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后波紋管能夠更有效地抵抗外力作用，承受更大的變形量。因此，波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)改進(jìn)是有效地緩解外力作用、減小變形量的重要途徑，能夠確保GIS安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

［1］李永生，李建國.波形膨脹節(jié)實(shí)用技術(shù)——設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

［2］黃坤鵬.伸縮節(jié)在GIS中的應(yīng)用［J］.電氣制造，2011（6）：40-43.

［3］劉旭，薛紅濤，盧鵬，等.淺談GIS設(shè)備波紋管應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（2）：71.

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（本文責(zé)編：白銀雷）

TM 564

A

1674-1951（2016）08-0008-04

2016-05-09；

2016-07-13

張晶（1989—），男，山東濟(jì)南人，工學(xué)碩士，從事有限元結(jié)構(gòu)分析方面的工作（E-mail：zj891025＠126.com）。

張忠文（1962—），男，山東煙臺人，高級工程師，工學(xué)碩士，從事焊接材料與工藝方面的工作（E-mail：zzwh1013＠163.com）。

李娜（1990—），女，河北威縣人，碩士研究生，從事聚合物粘彈性流變行為多尺度模擬方面的研究工作（E-mail：18769785060＠163.com）。

孫超（1993—），女，黑龍江尚志人，碩士研究生，從事HDPE雙壁波紋管成型工藝及性能改性方面的研究工作（E-mail：1836317120＠qq.com）。