GIS波纹管膨胀节结构改进

2016-12-06张晶张忠文褚洪贺李娜孙超

综合智慧能源 2016年8期

关键词：双头波纹管螺母

张晶，张忠文，褚洪贺，李娜，孙超

（1.山东大学材料科学与工程学院，济南　250061；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南　250003）

GIS波纹管膨胀节结构改进

张晶1，张忠文2，褚洪贺1，李娜1，孙超1

（1.山东大学材料科学与工程学院，济南250061；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003）

对波纹管膨胀节结构进行改进，通过有限元分析对比了改进前后设备的应力和变形情况。分析结果表明：结构改进后波纹管应力较改进前明显下降，轴向变形显著减小；膨胀节法兰中心区域与边缘变形量差异明显减小，螺栓所受附加弯矩减小；结构改进后设备能够更有效地抵抗外力作用，承受更大的变形量。因此，波纹管膨胀节结构改进是有效地缓解外力作用、减小变形量的重要途径，能够确保GIS安全、稳定地运行。

气体绝缘开关设备（GIS）；波纹管；膨胀节；有限元分析；结构改进

0　引言

波纹管膨胀节是补偿气体绝缘开关设备（GIS）热胀冷缩变形和位移的重要零件，通过轴向伸缩来调节设备的变形量，从而降低法兰所受应力［1］。近年来有文献［2-4］报道了波纹管膨胀节在GIS中的应用，许多学者对波纹管的力学性能也进行了大量研究［5-8］，但关于波纹管膨胀节结构改进、在GIS中应用效果以及安装位置选择的研究较少。

根据文献［9］GIS局部结构有限元分析结果可知，在内外压力与重力作用下，位于法兰螺栓连接结构处的法兰沿径向内侧变形量大于外侧，如法兰边缘出现较大应力将导致法兰接触面分离，法兰连接处密封性能下降，最终出现SF6气体泄漏量偏大的问题。此外，220 kV GIS较大的应力多出现于波纹管膨胀节处［9］。现有结构所用波纹管膨胀节法兰为正方形，在法兰四角处安装有4组双头螺柱-螺母连接结构，用于调节波纹管膨胀节的伸缩量。但双头螺柱-螺母连接结构对膨胀节法兰四角处的变形具有一定的约束作用，因此法兰中部与四角变形量差异较大，使双头螺栓承受附加弯矩，从而产生较大应力［10］。此外，在220 kV GIS端部和弯头连接处的Z向变形和位移较大，较大的变形将导致其附近的法兰出现较大应力。

本文对波纹管膨胀节结构进行改进，采用圆形法兰替换原有结构中的方形法兰，且采用6组轴对称分布的双头螺栓-螺母连接结构对法兰进行连接，将改进后的结构应用于整体结构中，通过有限元分析对比改进前后设备的应力和变形情况，期望能够通过结构改进减小事故发生的概率，预防问题发生。

1　波纹管膨胀节结构改进

1.1模型构建

改进前波纹管法兰为方形法兰（如图1a所示），在四角处通过4组调节螺栓进行连接。本文采用圆形法兰（如图1b所示）代替原方形法兰，并采用6组轴对称分布的调节螺栓进行连接，期望通过轴对称结构缓解内侧与外侧变形差异较大的现象。改进前后局部模型分别如图2a和图2b所示，改进前波纹管法兰为正方形，在四角处通过双头螺栓与螺母连接调节法兰间距；改进后波纹管膨胀节法兰采用圆形，使用6组双头螺栓与螺母按等间距轴对称分布连接膨胀节法兰，调节膨胀节法兰间距。根据结构和载荷的对称性，取结构的1/2作为分析模型。整体结构如图3所示，采用改进后的波纹管膨胀节结构对原有整体结构中的全部膨胀节进行替换，膨胀节位置等均不发生改变。

图1　波纹管膨胀节结构示意

图2　波纹管膨胀节改进前后局部结构对比

图3　波纹管膨胀节改进后整体结构模型

1.2有限元分析

有限元分析中材料属性见表1。对出线支架、支撑杆、盆式绝缘子以及支座等零件选用Solid187十节点四面体单元进行自由网格划分；法兰、双头螺栓、螺母等零件选取Solid185八节点六面体单元进行网格划分；母线筒壳体、波纹管等曲面模型选取Shell181四节点四边形壳单元进行网格划分，并定义了壳体厚度为10 mm，波纹管厚度为2 mm；选用Targe170，Conta174单元定义各零件之间的连接和接触。

表1　材料属性

在整体结构的有限元分析中对支撑杆、出线支架等零件下端施加固定约束；各零件之间的连接和接触通过定义接触对的方式实现；壳体和波纹管的内、外表面分别施加0.6 MPa和0.1 MPa的均布压力；对结构施加重力载荷。局部结构分析中，除上述边界条件外，还需要在模型对称边界上施加对称约束；在主母线壳体端部截面的节点上施加其余结构对其产生的作用力，作用力可通过式（1）计算得到。

式中：p1为内压，MPa；p2为外压，MPa；d1为主母线筒壳体内径，mm；d2为主母线筒外径，mm；n为端部截面处节点数量。

2　结果与讨论

2.1局部结构分析结果

结构改进前，波纹管最大应力约89.0 MPa（如图4a所示），波纹管沿轴向总伸长量约1.2 mm（如图5a所示）；结构改进后，波纹管最大应力约84.1 MPa（如图4b所示），波纹管沿轴向总伸长量小于0.5 mm（如图5b所示）。图6反映了结构改进前后主母线法兰应力的变化情况，改进前主母线法兰的最大应力出现在法兰内侧边缘处，约为192.6 MPa；改进后的最大应力出现在螺纹孔处，约为98.0 MPa。图7所示为结构改进前后膨胀节法兰的应力变化情况。改进前波纹管法兰最大应力约为298.0 MPa；改进后的最大应力约为102.6 MPa，最大应力均出现在调节螺栓的螺纹孔处。

图4　波纹管等效应力对比（MPa）

图5　波纹管Z向变形量对比（mm）

图6　改进前、后主母线法兰等效应力对比（MPa）

图7　改进前、后波纹管法兰等效应力对比（MPa）

由图8和图9可见，改进前Z向变形均大于改进后Z向变形，且主母线法兰和波纹管膨胀节法兰的变形趋势一致：法兰内侧变形量大于外侧变形量。结构改进前，主母线法兰与膨胀节法兰Z正方向最大变形量约0.58 mm，结构改进后，法兰沿Z方向变形明显减小，法兰最大变形量为0.25 mm。

图8　改进前、后主母线法兰Z向变形对比

图9　改进前、后波纹管法兰Z向变形对比

定义图10所示2条路径，观察沿路径由中心区域至边缘法兰Z向变形的变化量。由图11可见，结构改进前后膨胀节法兰中心区域与边缘的变形差异发生了明显变化。结构改进前，法兰中心区域与边缘变形量相差约1.00 mm；结构改进后变形量相差小于0.40 mm，变形不一致的情况得到改善，螺栓所受附加弯矩减小，螺栓最大应力得到缓解，由改进前的305.231 MPa降低至改进后的约250 MPa（如图12所示）。

图10　路径定义

2.2整体结构分析结果

图13给出了改进前后整体结构应力分析结果。采用结构改进后的波纹管膨胀节替换原有整体结构中的全部波纹管膨胀节。由分析结果可见，最大应力的位置发生了变化，改进前最大应力出现在图13a局部放大处，改进后最大应力的位置向Z负方向移动，出现在图13b局部放大处，但结构改进前后最大应力均出现在波纹管膨胀节螺栓处。设备所受应力得到明显缓解，最大应力由317.801 MPa降低至约247.258 MPa。

图11　波纹管膨胀节法兰沿路径Z向变形

图12　改进前后螺栓等效应力对比（MPa）

图13　整体结构等效应力对比（MPa）

3　结论

对比改进前后波纹管分析结果可见，在同样的工作条件和外力作用下，结构改进后波纹管应力较改进前明显下降，轴向变形显著减小，膨胀节法兰中心区域与边缘变形量差异也明显减小。结构改进后波纹管能够更有效地抵抗外力作用，承受更大的变形量。因此，波纹管膨胀节结构改进是有效地缓解外力作用、减小变形量的重要途径，能够确保GIS安全、稳定地运行。

［1］李永生，李建国.波形膨胀节实用技术——设计、制造与应用［M］.北京：化学工业出版社，2000.

［2］黄坤鹏.伸缩节在GIS中的应用［J］.电气制造，2011（6）：40-43.

［3］刘旭，薛红涛，卢鹏，等.浅谈GIS设备波纹管应用［J］.科技创新导报，2012（2）：71.

［4］王军飞，李海文，黄坤鹏，等.金属波纹管膨胀节在GIS中的应用［J］.高压电器，2010（5）：47-48.

［5］吴宏煜.波纹管膨胀节动力学特性的研究［D］.南京：南京航空航天大学，2003.

［6］李艳艳.V形膨胀节的承载和补偿能力分析及膨胀节成形过程模拟［D］.北京：北京化工大学，2009.

［7］杨义俊，王心丰.多层波纹管非线性有限元应力分析［J］.压力容器，2003（9）：13-16.

［8］汪扬.多层波纹管膨胀节的强度、刚度与屈曲分析研究［D］.南京：南京航空航天大学，2005.

［9］张晶，管延锦，菅明健，等.220 kV GIS设备整体模型构建及有限元结构分析［J］.现代制造技术与装备，2015（5）：8-10.

［10］张晶，管延锦，菅明健，等.220 kV GIS设备局部结构有限元分析［J］.山东电力技术，2015（9）：38-41.

（本文责编：白银雷）

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