蘇通綜合管廊工程用直管壓力平衡型膨脹節(jié)的設(shè)計計算與試驗驗證

范承奇 趙 超

（1、沈陽工業(yè)大學(xué)化工裝備學(xué)院，遼寧 遼陽 111003 2、沈陽晨光弗泰波紋管有限公司，遼寧 沈陽 110141）

1 概述

蘇通綜合管廊工程是國家“十三五”規(guī)劃有關(guān)綜合治理大氣污染的重點GIL創(chuàng)新工程,該工程穿越長江底部,是目前國內(nèi)埋深最深、水壓最高的超長距離輸變電管廊工程,該工程的成功投運可大幅提升華東電網(wǎng)接納區(qū)外來電能力,提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平,對滿足華東地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要意義。

作為GIL創(chuàng)新工程中重要的電器組成元件即膨脹節(jié)主要是用來補償溫度變化引起的管道熱脹冷縮以及設(shè)備管口減振隔振的作用。因受管廊安裝空間和復(fù)雜使用工況的要求,新研制了一種直管壓力平衡型膨脹節(jié)產(chǎn)品,該膨脹節(jié)的設(shè)計參數(shù)、制造精度、安裝尺寸、使用性能、型式試驗等相較于常規(guī)高壓開關(guān)用膨脹節(jié)而言要求更高,型式試驗項目的結(jié)果判定也更加嚴格。

2 膨脹節(jié)的設(shè)計參數(shù)

蘇通GIL綜合管廊工程用直管壓力平衡型膨脹節(jié)的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計參數(shù)

3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見圖1

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

4 波紋管設(shè)計計算

4.1 設(shè)計工況下進行疲勞計算(基于EJMA標準)產(chǎn)品總軸向剛度為1202.2 N/mm,滿足設(shè)計輸入條件。

4.2 法蘭有限元分析

該膨脹節(jié)安裝于內(nèi)徑10.5 m的管廊內(nèi),受管廊安裝空間和復(fù)雜使用工況要求50年不更換零部件、SF6年泄漏率不大于0.1%。在如此嚴苛的使用工況條件下,兩側(cè)密封法蘭的強度裕度設(shè)計必須滿足膨脹節(jié)在運動過程中的法蘭防變形要求,才能保證產(chǎn)品良好的密封性。因此根據(jù)法蘭設(shè)計圖建立三維實體模型,分析法蘭在受力過程中的變形量和應(yīng)力分布情況。

該法蘭的材料為06Cr19Ni10,法蘭采用20節(jié)點實體單元solid186劃分單元,共有單元70584個,節(jié)點321190個,八根拉桿位置的拉力合力為389423.18 N。

根據(jù)有限元分析結(jié)果可知應(yīng)力最大值為303.936 MPa,應(yīng)力最大值位置在法蘭固定螺栓孔圓的邊緣。該處應(yīng)力較大是因為固定約束引起。拉桿孔周圍的應(yīng)力在67MPa以內(nèi)。位移最大值為0.338508 mm,位移最大值位置位于法蘭的邊緣部分,法蘭密封面處位移最大值在0.037612 mm以內(nèi)。綜上所述,法蘭滿足設(shè)計要求。

表2 工作波紋管計算結(jié)果

表3 平衡波紋管計算結(jié)果

4.3 承力拉桿校核

4.3.2 壓力推力: Fp =A× 0.6 =398423.2N;

4.3.4 選用的拉桿滿足設(shè)計要求。

4.4 焊縫強度校核

4.4.1 焊縫的許用應(yīng)力: ［σ］= 137 ×0.5 =68.5MPa;

4.4.4 σ＜［σ］,該焊縫強度滿足設(shè)計要求。

5 型式試驗

按照GB/T30092-2013標準和客戶要求進行膨脹節(jié)型式試驗,型式試驗項目見GB/T30092-2013中表6要求。其中材料復(fù)驗、外觀尺寸檢測、焊縫探傷、剛度試驗、穩(wěn)定性試驗、氣密性試驗、爆破試驗等跟常規(guī)高壓開關(guān)用膨脹節(jié)相同,試驗測得結(jié)果也均滿足技術(shù)規(guī)范要求,不在重復(fù)敘述。以下為該膨脹節(jié)較常規(guī)高壓開關(guān)用膨脹節(jié)型式試驗的不同之處:

5.1 疲勞壽命試驗

應(yīng)客戶要求,首次將膨脹節(jié)疲勞試驗分三次循環(huán)進行,疲勞壽命均攤?cè)?而且第一循環(huán)和第三循環(huán)中需將試驗步驟3(誤差調(diào)整)作為步驟1的初始位移開展型式試驗,步驟3(誤差調(diào)整)和步驟1(溫度補償)位移疊加作為步驟2和步驟4的初始位移開展型式試驗,具體的試驗參數(shù)見表4、5、6。每個循環(huán)壽命試驗完成后,產(chǎn)品需要進行SF6氣體氣密性泄漏率檢查,時間不少于12h。滿足技術(shù)規(guī)范要求后進行下一循環(huán)疲勞壽命試驗。在試驗過程中,三個循環(huán)是依次進行的,前一個循環(huán)沒通過,宣告產(chǎn)品疲勞壽命試驗失敗。

表4 直管壓力平衡型膨脹節(jié)循環(huán)壽命試驗第一循環(huán)

表5 直管壓力平衡型膨脹節(jié)循環(huán)壽命試驗第二循環(huán)

表6 直管壓力平衡型膨脹節(jié)循環(huán)壽命試驗第三循環(huán)

5.2 正壓氦檢漏試驗

該項目是首次在高壓開關(guān)用膨脹節(jié)產(chǎn)品中采用正壓氦檢漏方法驗證產(chǎn)品的密封性。疲勞壽命試驗滿足要求后,對試驗件進行氦檢漏試驗。首先對產(chǎn)品內(nèi)腔抽真空至設(shè)定值300Pa,然后充氦氣至設(shè)計壓力P=0.6 MPa;將試件放入真空箱內(nèi),真空箱內(nèi)抽真空至10Pa,保持時間600s,用氦質(zhì)譜檢漏儀檢測真空箱內(nèi)氦氣泄漏率,結(jié)果不大于1.0 ×10-5Pa·m3/s。然后換算成SF6氣體年泄漏率不大于0.1%。

6 結(jié)論

通過對相關(guān)結(jié)構(gòu)件進行設(shè)計計算、強度校核、有限元分析和樣件的型式試驗反向驗證,公司設(shè)計的產(chǎn)品滿足技術(shù)規(guī)范的要求。在近半年時間內(nèi)公司共承接總項目40%左右的直管壓力平衡型膨脹節(jié)全部保質(zhì)保量按時交貨,并且該工程于2019年9月正式投運,目前運行良好。后續(xù)公司會將該膨脹節(jié)的設(shè)計方法、工藝方案、質(zhì)量控制、制造經(jīng)驗向其他產(chǎn)品推廣,鞏固公司在該領(lǐng)域核心產(chǎn)品的市場競爭力。

[2]GB/T12777-2019.金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件.

[3]于振毅,吳虹.高壓組合電器用波紋補償器的型式試驗[J].管道技術(shù)與設(shè)備.

[4]范建斌.氣體絕緣金屬封閉輸電線路及其應(yīng)用[J].中國電力.