GIS波纹管膨胀节结构改进.pdf

第38卷第8期
华电技术
Vol38 No8
2016年8月
Huadian Technology
Aug.2016
GIS波纹管膨胀节结构改进
张晶,张忠文,诸洪贺',李娜,孙超
(1.山东大学材料科学与工程学院,济南25001;2.国网山东省电力公司电力科学研究院,济南250003
摘要:对波纹管膨髟节结构进行改进,通过有限元分析对比了改进前后设备的成力和变形情况。分析结果表明:结构
改进后波纹管应力较政进前明显下降,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。
关键词:气体绝缘开关设备(GIS);波纹管;膨胀节;有限元分析;结构改进
中图分类号:TM564文献标志码:A文章编号:1674-1951(2016)08-0008-04
0引言
发生
波纹管膨胀节是补偿气体绝缘开关设备(GS)1波纹管膨胀节结构改进
热胀冷缩变形和位移的重要零件,通过轴向伸缩来1.1模型构建
调节设备的变形量,从而降低法兰所受应力山。近
改进前波纹管法兰为方形法兰(如图1a所
年来有文献2报道了波纹管膨胀节在GIS中的应示),在四角处通过4组调节螺栓进行连接。本文
用,许多学者对波纹管的力学性能也进行了大量研采用圆形法兰(如图1b所示)代替原方形法兰,并
究-,但关于波纹管膨胀节结构改进、在GIS中应采用6组轴对称分布的调节螺栓进行连接,期望通
用效果以及安装位置选择的研究较少。
过轴对称结构缓解内侧与外侧变形差异较大的现
根据文献9GIS局部结构有限元分析结果可象。改进前后局部模型分别如图2a和图2b所示,
知,在内外压力与重力作用下,位于法兰螺栓连接结改进前波纹管法兰为正方形,在四角处通过双头螺
构处的法兰沿径向内侧变形量大于外侧,如法兰边栓与螺母连接调节法兰间距;改进后波纹管膨胀节
缘出现较大应力将导致法兰接触面分离,法兰连接法兰采用圆形,使用6组双头螺栓与螺母按等间距
处密封性能下降,最终出现SF。气体泄漏量偏大的轴对称分布连接膨胀节法兰,调节膨胀节法兰间距。
问题。此外,220 KV GIS较大的应力多出現于波纹根据结构和载荷的对称性,取结构的1/2作为分析
管膨胀节处。现有结构所用波纹管膨胀节法兰模型。慜体结构如图3所示,采用改进后的波纹管
为正方形,在法兰四角处安装有4组双头螺柱一螺
双头螺柱
母连接结构,用于调节波纹管膨胀节的伸缩量。但
螺毋
双头螺柱一螺母连接结构对膨胀节法兰四角处的变
法兰
形具有一定的约東作用,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。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
a方形法兰结构
的法兰出现较大应力。
双头螺柱
本文对波纹管膨胀节结构进行政进,采用圆形
螺母
法兰替换原有结构中的方形法兰,且采用6组轴对
法
称分布的双头螺栓一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
分析对比政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
b圆形法兰结构
图1波纹管膨胀节绾构示意
收稿日期:2016-05-09;修回日期:2016-07-13
第8期
张晶,等:CS波纹管膨胀节结构改进
膨胀节结构对原有整体结构巾的全部膨胀节进行替架等零件下端施川固定约東;各で件之问的连接和
换,膨胀节位置等均不发生改变。
接触通过定义接触对的方式实现;売体和波纹管的
内、外战面分别施加0.6MPa和0.1MPa的均布压
力;対结构施加重力載荷。局部结构分析中,除上述
边界条件外,还帯要在模型对称边界上施加对称丝
束;在主线完体端部截面的节点上:施加其余结构
对其产生的作用力,作用方可通过式(1)计算得到
式中:P1为内压,MPa;p2为外压,MPa;d4为主母线
a改进前
筒売体内径,mm:d2为主母线筒外径,mm;m为端部
截而处节点数量。
2结果与讨论
2.1局部结构分析结果
结构改进前,波纹管最人应力约89.0MPa(如
?4a所示),波纹管沿轴向总伸长量约1.2mm(如
?5a所示);结构改进后,波纹管最大成力约84.1
MPa(如?4b所示),波纹管沿轴向总伸长量小于
b改进后
0.5mm(如图5b所示)。图6反映了结构改进前后
图2波纹管膨胀节改进前后局部结构对比
主母线法兰应力的変化情沈,改进前主母线法兰的
最大应力出现在法兰内側边缘处,约为192.6MPa;
改进后的最大力出现在螺纹孔处,约为98.0
MPa。图7所示为结构攻进前后膨胀节法兰的成力
变化情況。改进前波纹管法兰最大应力约为298.0
图3波纹管膨胀节改进后整体结构模型
MPa;改进后的最大应力约为102.6MPa,最大应力
1.2有限元分析
均出现在调节螺栓的螺纹孔处。
N31..1
有限元分析中材料属性:见表1。对出线文架
11.c24
支撑杆、盆式绝缘子以及支座等零件选片 Solid187
A7.86
十节点四面休单元进行自由网格划分;法兰、双头螺
?n316
栓、螺等零件选取 Soid185八节点六面休单元进
行网格刘分;小线筒売体、波纹管等曲面模型选取
Shcl181四节点四边形壳单元进行网格划分,并定
义了売体厚度为10mm,波纹管厚度为2mm;选厂
Targel70, Cola I74单心定义各零件之闻的接和
接触。
a改进前
b改进后
在整体绍构的有限元分析中对支撑、出线支
图4波纹管等效应力对比(MPa
表1材料属性
冬件
材料
弹性模量E/GPa
泊松比以
密度p/(kg?m-3
0.274
7830
母线筒壳体
ZL114A
0.330
2700
法兰
ZLL14 A
盆式绝缘子
环氰树脂
0.300
波纹管及ば法兰
I Cri& M9TI
0.300
7800
螺栓、双头螺柱、螺
45到
206
0.300