換流變壓器閥側套管洞口抗爆設計研究

摘要：本文依據《 Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities 》（ACSE 41088），以具體工程的換流變閥側套管洞口抗爆設計為例，針對抗爆設計荷載確定、抗爆窗結構計算、抗爆窗構造要點等方面加以介紹和分析，為以后類似工程提供適當的參考。

Abstract： Based on "Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities" （ACSE 41088）， this paper takes the design and research of blast on valve side bushing hole of converter transformer of a specific project as an example， aims at introducing the determination of the blast load， the calculation of anti-blast window and the design points of anti-blast window. The author hopes to provide appropriate references for similar projects in the future.

關鍵詞：抗爆窗;換流變壓器;洞口;抗爆設計

Key words： anti-blast window;converter transformer;hole;anti-blast design

中圖分類號：TU391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）30-0148-03

0 ?引言

換流變壓器閥側套管洞口封堵是換流變壓器與閥廳之間防火墻的一個最薄弱的環節，為了保證封堵結構在換流變爆燃起火的情況下的完整性和減小換流變壓器爆炸或變壓器油燃爆時對閥側套管洞口封堵體系的直接沖擊，在換流變壓器與閥廳間的防火墻洞口室外側設置方鋼管龍骨及不銹鋼抗沖擊板（以下簡稱抗爆窗），利用鋼板的變形吸收爆炸所產生的能量，避免洞口封堵體系在第一時間直接受到換流變壓器爆炸時產生的沖擊波的沖擊。本文將依托于具體工程，對換流變壓器閥側套管洞口的抗爆門設計進行簡要介紹，并對現有設計的提出優化建議。

1 ?工程概況

柳北換流站位于柳州市鹿寨縣中渡鎮黃村轄區內，抗震設防烈度：6度，場地地震動峰值加速度：0.05g，反應譜特征周期值為0.35s，設計地震分組為第一組，建筑的場地類別：Ⅱ類，50年一遇基本風壓為0.30kN/m2。

換流變壓器閥側套管洞口尺寸如表1所示。

2 ?設計方案

換流變壓器閥側套管洞口封堵抗爆結構主要由兩大部分組成，分別為防火封堵和抗爆窗，抗爆窗與封堵之間預留80mm間隙，防止抗爆窗在吸收爆炸能量后變形擠壓防火封堵結構，破壞防火封堵完整性。抗爆窗主要由內側不銹鋼方鋼管龍骨和外側不銹鋼板組成，材質均為奧氏體304不銹鋼，洞口封堵抗爆結構如圖1和圖2所示。

3 ?設計分析

鑒于目前電力行業缺乏關于換流變起火爆燃（炸）的相關標準，并且目前相關的研究仍在進行之中，換流變壓器閥側套管洞口抗爆設計仍然屬于未知領域，本文從已建類似工程經驗，相關行業設計標準以及部分試驗研究成果三方面入手，嘗試討論本工程抗爆窗設計的一些要點。

3.1 爆炸荷載的確定

在無相關行業標準的前提下，目前部分特高壓換流站中已建抗爆窗普遍采用10kPa的等效均布靜荷載作為抗爆窗的設計輸入荷載，該數據雖然簡單明確，但是缺乏足夠理論和試驗依據。

根據《Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》（ACSE 41088）3.4條[1]：控制室抗爆設計采用的峰值入射超壓及相應的正壓作用時間，應根據石油化工裝置性質以及平面布置等因素進行安全分析綜合評估確定;當未進行評估時，也可按照下列規定確定，并應在設計文件中說明：

①沖擊波峰值入射超壓最大值可取21kPa，正壓作用時間可為100ms;也可沖擊波峰值入射超壓最大值可取69kPa，正壓作用時間可為20ms。

②爆炸沖擊波形取時間為零至正壓作用時間，峰值入射超壓從最大到零的三角形分布[2]。

本文計算抗爆窗時擬采用“沖擊波峰值入射超壓最大值可取21kPa，正壓作用時間可為100ms”。

沖擊波波速：

峰值動壓：

峰值反射壓力：

停滯壓力：

反射壓持續作用時間：

前墻動壓等效作用時間：

因此，抗爆窗前墻荷載曲線如圖3所示。

3.2 確定龍骨的截面

抗爆窗龍骨采用方鋼管，邊界條件為兩端鉸接，跨度取500mm，不考慮自重。

龍骨的變形反應限值：

爆炸荷載：

沖量：

材料的強度提高系數（SIF）和動態提高系數（DIF）分別取1.1和1.18：

假定，，荷載與抗力比值：

有效極限彎矩可根據計算：

因此龍骨可采用截面為□80×80×6的方鋼管，。

有效彎矩承載力：

剪承載力：

根據可知

有效剛度：

有效彈性屈服變位：

傳遞系數：

彈性階段：

彈塑性階段：

塑性階段：

取平均值：

龍骨質量：M=27.88kg

等效質量：

自振周期：

根據和查表：三角形荷載下的極限抗力與延性比關系可得：

彈塑性變位：

最大轉角：

因此，龍骨截面采用□80×80×6時滿足要求。

3.3 確定抗沖擊板厚度

抗沖擊板厚度的計算可依據《Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》（ACSE 41088）計算[1]，在此不再贅述，需要特別注意的是，抗沖擊板的變形反應限值與龍骨不同，應取：

經過計算可得抗沖擊板厚度應不小于6mm。

綜上所述，抗爆窗龍骨采用方鋼管□80×80×6，抗沖擊板采用6mm厚鋼板，材質均為奧氏體304不銹鋼。

4 ?抗爆窗的其他設計要點

4.1 避免閥側套管渦流發熱的措施

由于抗爆窗安裝位置距離換流變閥側套管較近，根據以往工程經驗，抗爆窗安裝時需要注意以下幾點以避免閥側干式套管產生渦流發熱現象，進而影響其電氣性能。

4.1.1 材料選擇

考慮到抗爆窗潛在的發熱隱患，抗爆窗的抗沖擊板及龍骨均應采用無磁材料。由于奧氏體不銹鋼材料在強電磁場下發熱較低，因此抗爆窗的抗沖擊板和龍骨通常采用奧氏體304不銹鋼。

4.1.2 結構設計優化

抗爆窗應采用模塊化設計，模塊化設計既方便抗爆窗安裝，又可避免因金屬龍骨閉環而產生的發熱現象，同時模塊與模塊之間使用絕緣材料隔開，進一步提升其可靠性。

閥側套管升高座金屬筒壁、吊耳與抗爆窗之間預留不小于5cm間隙，換流變閥側套管升高座法蘭滲漏油集油管、冷卻器油管、瓦斯繼電器管路與抗爆窗之間預留不小于3cm間隙。

4.1.3 接地、等電位連接措施

抗爆窗施工過程中，所有需要接地的設備均應只通過一點接地，并確保所有金屬構件均能良好接地，避免產生渦流發熱現象。

確保抗爆窗各模塊或構件之間的等電位線接觸良好，線夾外皮無破損，且唯一接地線直接接地，連接可靠。

4.2 抗爆窗與套管間隙封堵

為避免套管渦流發熱現象，抗爆窗與套管之間預留了約5～10cm的間隙，根據相關試驗研究表明，爆炸發生后，間隙后方仍然存會有一定強度的入射超壓。為完全解決抗爆窗后方超壓問題，后續應繼續研究抗爆窗與套管間隙封堵的封堵方案，并進行試驗驗證。

4.3 抗爆窗結構優化

為進一步提高抗爆窗在爆炸發生后的可靠性，建議后續工程抗爆窗均采用圖4所示構造，從而提高抗爆窗的抗爆、防火和隔熱能力。

5 ?結語

換流變壓器閥側套管洞口是閥廳防火墻的薄弱部分，設計時需要重點關注，以往對洞口部分的關注重點主要集中在洞口的防火封堵方面，而忽略了洞口的抗爆設計，本文依托《Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities》（ACSE 41088）對洞口的抗爆窗設計進行了簡要的介紹和分析，方便未來其他工程借鑒參考。

目前國內現行規程規范并無換流變壓器抗爆設計的相關規定，特別是抗爆窗的設計荷載輸入無法確定，因此筆者認為今后應重點研究換流變壓器爆炸沖擊荷載，為后續工程進行換流變壓器抗爆設計提供可靠依據。

參考文獻：

[1]ASCE 41088. Design Of Blast–Resistant Buildings In Petrochemical Facilities Task Committee on Blast-Resistant Design（Second Edition）[S]. Reston： IHS， 2010.

[2]中國石油化工集團公司.GB 50779-2012，石油化工控制室抗爆設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[3]黃思遠.石油化工抗爆控制室結構設計[J].化工管理，2020（11）：181-182.

作者簡介：趙李源（1989-），男，湖北武漢人，碩士，工程師，從事變電站土建設計。