大直径铝制管道铝支撑结构安全分析

刘迎昌，赵剑锋

1.西安石油大学机械工程学院(陕西西安710065)

2.陕西延长石油化建股份有限公司(陕西西安712100)

大直径铝制管道铝支撑结构安全分析

刘迎昌1，2，赵剑锋1

1.西安石油大学机械工程学院(陕西西安710065)

2.陕西延长石油化建股份有限公司(陕西西安712100)

针对铝支撑结构的受力情况，利用机械结构分析软件ANSYS对其应力进行了计算。根据计算结果，对管道支撑结构安全失效原因进行了分析。结果表明，在支腿和管道之间加一块垫板，减少支腿和母线管道焊接处的应力集中，可以防止因应力集中的裂纹扩展到管道筒体而导致管道漏气安全事故的发生。

管道支撑结构;应力集中;安全分析

绝缘气体长母线管道是GIS［1］(Gas Insulated Switchgear)气体绝缘金属封闭开关设备中用于封闭开关设备的封闭金属壳体管道，充0.4MPa的SF6气体作为灭弧和绝缘介质［2］，管道用铝板制成，在合适的位置上安装弹性构件(如波纹管)，以减小温度变化或安装误差所引起的机械应力，管道采用近似鞍座的没有加衬板的铝支撑结构(图1)［3］。近年来，青海地区由于日夜温差比较大，使用的该结构大量出现裂纹，影响了设备安全。出现裂纹失效位置主要是铝支撑结构和筒体结构角点焊缝处，有的裂纹几乎穿透母线管道［4］，已经产生3次安全事故。

图1 铝支撑结构

1 主母线管道支撑结构ANSYS有限元计算

采用机械结构应力分析软件ANSYS，进行了铝支撑结构的应力计算。根据计算结果，对管道支撑结构安全失效原因进行了分析［5］。

筒体网格划分如图2所示，壁厚方向划分4个单元，采用六面体单元。对于存在应力集中的支腿角点处，网格划分越密，越能精确反应应力变化情况。

图2 支撑结构网格划分

铝支撑结构在轴向载荷和内压载荷的作用下，母线及支腿的等效应力(von Mises应力)(第四强度理论等效应力)分布如图3所示。

图3 支撑结构应力云图

从图3可以看出，力作用在筋板下部联接处应力最大，最大应力332MPa，铝支撑结构和筒体结构角点焊缝处-尖点2最大应力120MPa，高于该铝材的许用应力93 MPa。铝支撑结构和筒体结构角点焊缝处产生裂纹，将可能穿透母线管道，导致管道内气体泄漏，产生安全事故。特别在青海地区，由于日夜温差比较大，角点焊缝处有疲劳损伤问题，如果不采取专门的措施，裂纹失效安全事故是难以避免的。

2 改进的带垫板主母线管道支撑结构有限元计算与分析

垫板结构的计算结果如图4所示，在力作用下筋板下部联接处应力最大，最大应力225MPa，铝支撑结构和筒体垫板结构角点焊缝处尖点2最大应力88MPa，低于该铝材的许用应力93 MPa。与不加垫板相比，最大应力降低25%，同样尖点2的应力也降低20%以上，并且尖点2的最大应力作用在垫板上，有效地避免了筒体产生裂纹导致漏气安全事故。

3 结论与建议

现有支撑结构的左右支腿采用和母线管道直接焊接的结构，在焊接处有很大的峰值应力，是疲劳破坏的危险点。建议在支腿和管道之间加一块垫板，减少支腿和母线管道焊接处应力集中，也防止应力集中的裂纹扩展到管道筒体导致的管道漏气安全事故。

图4 垫板结构等效应力

青海地区的昼夜温差较大，导致管道体系和支撑结构焊接点高应力，在温差下疲劳损伤，可采用减少温差的母线管道外表面绝热措施(如岩棉绝热层)，防止疲劳损伤。

［1］王思华.GIS结构分析及其存在问题的探讨［J］.电气制造，2006(2):26-28.

［2］苏安，庚振新，肖婉秋，等.1100kV气体绝缘金属封闭开关设备母线机械性能分析［J］.电工电气，2015(6):51-57.

［3］王思华.全封闭组合电器结构分析及其存在的问题［J］.电气开关，2009，47(3):3-5.

［4］张宪标.SF6/N2混合气体中绝缘子表面电荷积聚与沿面闪络的PIC仿真［D］.长沙:湖南大学，2011.

［5］李广山.内部故障下高压SF6气体绝缘金属封闭开关设备壳体状态的分析［J］.高压电器，2001，37(3):49-51.

The stress of the aluminum supporting structure is calculated by using the mechanical structure analysis software ANSYS. The failure reasons of the local area of the pipe supporting structure are analyzed according to the calculation result.The analysis result shows that the to add a backing plate between the supporting legs and the pipe can reduce the stress concentration at the legs and the welding points of the pipe，to prevent the crack produced by the stress concentration propagating to the pipe body to lead the pipeline leakage.

pipeline supporting structure;stress concentration;safety analysis

萍

2015-05-26

刘迎昌(1975-)，男，高级工程师，现主要从事管理和金属结构技术研究工作。