蘇通綜合管廊工程用直管壓力平衡型膨脹節的設計計算與試驗驗證

范承奇 趙 超

（1、沈陽工業大學化工裝備學院，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”規劃有關綜合治理大氣污染的重點GIL創新工程,該工程穿越長江底部,是目前國內埋深最深、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接納區外來電能力,提高電網安全穩定水平,對滿足華東地區經濟社會發展具有重要意義。

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

2 膨脹節的設計參數

蘇通GIL綜合管廊工程用直管壓力平衡型膨脹節的設計參數見表1。

表1 設計參數

3 產品結構見圖1

圖1 產品結構示意圖

4 波紋管設計計算

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

4.2 法蘭有限元分析

該膨脹節安裝于內徑10.5 m的管廊內,受管廊安裝空間和復雜使用工況要求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,兩側密封法蘭的強度裕度設計必須滿足膨脹節在運動過程中的法蘭防變形要求,才能保證產品良好的密封性。因此根據法蘭設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力分布情況。

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

根據有限元分析結果可知應力最大值為303.936 MPa,應力最大值位置在法蘭固定螺栓孔圓的邊緣。該處應力較大是因為固定約束引起。拉桿孔周圍的應力在67MPa以內。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。綜上所述,法蘭滿足設計要求。

表2 工作波紋管計算結果

表3 平衡波紋管計算結果

4.3 承力拉桿校核

4.3.2 壓力推力: Fp =A× 0.6 =398423.2N;

4.3.4 選用的拉桿滿足設計要求。

4.4 焊縫強度校核

4.4.1 焊縫的許用應力: ［σ］= 137 ×0.5 =68.5MPa;

4.4.4 σ＜［σ］,該焊縫強度滿足設計要求。

5 型式試驗

按照GB/T30092-2013標準和客戶要求進行膨脹節型式試驗,型式試驗項目見GB/T30092-2013中表6要求。其中材料復驗、外觀尺寸檢測、焊縫探傷、剛度試驗、穩定性試驗、氣密性試驗、爆破試驗等跟常規高壓開關用膨脹節相同,試驗測得結果也均滿足技術規范要求,不在重復敘述。以下為該膨脹節較常規高壓開關用膨脹節型式試驗的不同之處:

5.1 疲勞壽命試驗

應客戶要求,首次將膨脹節疲勞試驗分三次循環進行,疲勞壽命均攤三份,而且第一循環和第三循環中需將試驗步驟3(誤差調整)作為步驟1的初始位移開展型式試驗,步驟3(誤差調整)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,具體的試驗參數見表4、5、6。每個循環壽命試驗完成后,產品需要進行SF6氣體氣密性泄漏率檢查,時間不少于12h。滿足技術規范要求后進行下一循環疲勞壽命試驗。在試驗過程中,三個循環是依次進行的,前一個循環沒通過,宣告產品疲勞壽命試驗失敗。

表4 直管壓力平衡型膨脹節循環壽命試驗第一循環

表5 直管壓力平衡型膨脹節循環壽命試驗第二循環

表6 直管壓力平衡型膨脹節循環壽命試驗第三循環

5.2 正壓氦檢漏試驗

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

6 結論

通過對相關結構件進行設計計算、強度校核、有限元分析和樣件的型式試驗反向驗證,公司設計的產品滿足技術規范的要求。在近半年時間內公司共承接總項目40%左右的直管壓力平衡型膨脹節全部保質保量按時交貨,并且該工程于2019年9月正式投運,目前運行良好。后續公司會將該膨脹節的設計方法、工藝方案、質量控制、制造經驗向其他產品推廣,鞏固公司在該領域核心產品的市場競爭力。

[2]GB/T12777-2019.金屬波紋管膨脹節通用技術條件.

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

[4]范建斌.氣體絕緣金屬封閉輸電線路及其應用[J].中國電力.