大直徑鋁制管道鋁支撐結(jié)構(gòu)安全分析

劉迎昌，趙劍鋒

1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(陜西西安710065)

2.陜西延長石油化建股份有限公司(陜西西安712100)

大直徑鋁制管道鋁支撐結(jié)構(gòu)安全分析

劉迎昌1，2，趙劍鋒1

1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(陜西西安710065)

2.陜西延長石油化建股份有限公司(陜西西安712100)

針對鋁支撐結(jié)構(gòu)的受力情況，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS對其應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對管道支撐結(jié)構(gòu)安全失效原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在支腿和管道之間加一塊墊板，減少支腿和母線管道焊接處的應(yīng)力集中，可以防止因應(yīng)力集中的裂紋擴(kuò)展到管道筒體而導(dǎo)致管道漏氣安全事故的發(fā)生。

管道支撐結(jié)構(gòu);應(yīng)力集中;安全分析

絕緣氣體長母線管道是GIS［1］(Gas Insulated Switchgear)氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備中用于封閉開關(guān)設(shè)備的封閉金屬殼體管道，充0.4MPa的SF6氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)［2］，管道用鋁板制成，在合適的位置上安裝彈性構(gòu)件(如波紋管)，以減小溫度變化或安裝誤差所引起的機(jī)械應(yīng)力，管道采用近似鞍座的沒有加襯板的鋁支撐結(jié)構(gòu)(圖1)［3］。近年來，青海地區(qū)由于日夜溫差比較大，使用的該結(jié)構(gòu)大量出現(xiàn)裂紋，影響了設(shè)備安全。出現(xiàn)裂紋失效位置主要是鋁支撐結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)角點(diǎn)焊縫處，有的裂紋幾乎穿透母線管道［4］，已經(jīng)產(chǎn)生3次安全事故。

圖1 鋁支撐結(jié)構(gòu)

1 主母線管道支撐結(jié)構(gòu)ANSYS有限元計(jì)算

采用機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析軟件ANSYS，進(jìn)行了鋁支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對管道支撐結(jié)構(gòu)安全失效原因進(jìn)行了分析［5］。

筒體網(wǎng)格劃分如圖2所示，壁厚方向劃分4個(gè)單元，采用六面體單元。對于存在應(yīng)力集中的支腿角點(diǎn)處，網(wǎng)格劃分越密，越能精確反應(yīng)應(yīng)力變化情況。

圖2 支撐結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

鋁支撐結(jié)構(gòu)在軸向載荷和內(nèi)壓載荷的作用下，母線及支腿的等效應(yīng)力(von Mises應(yīng)力)(第四強(qiáng)度理論等效應(yīng)力)分布如圖3所示。

圖3 支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

從圖3可以看出，力作用在筋板下部聯(lián)接處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力332MPa，鋁支撐結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)角點(diǎn)焊縫處-尖點(diǎn)2最大應(yīng)力120MPa，高于該鋁材的許用應(yīng)力93 MPa。鋁支撐結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)角點(diǎn)焊縫處產(chǎn)生裂紋，將可能穿透母線管道，導(dǎo)致管道內(nèi)氣體泄漏，產(chǎn)生安全事故。特別在青海地區(qū)，由于日夜溫差比較大，角點(diǎn)焊縫處有疲勞損傷問題，如果不采取專門的措施，裂紋失效安全事故是難以避免的。

2 改進(jìn)的帶墊板主母線管道支撐結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算與分析

墊板結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果如圖4所示，在力作用下筋板下部聯(lián)接處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力225MPa，鋁支撐結(jié)構(gòu)和筒體墊板結(jié)構(gòu)角點(diǎn)焊縫處尖點(diǎn)2最大應(yīng)力88MPa，低于該鋁材的許用應(yīng)力93 MPa。與不加墊板相比，最大應(yīng)力降低25%，同樣尖點(diǎn)2的應(yīng)力也降低20%以上，并且尖點(diǎn)2的最大應(yīng)力作用在墊板上，有效地避免了筒體產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致漏氣安全事故。

3 結(jié)論與建議

現(xiàn)有支撐結(jié)構(gòu)的左右支腿采用和母線管道直接焊接的結(jié)構(gòu)，在焊接處有很大的峰值應(yīng)力，是疲勞破壞的危險(xiǎn)點(diǎn)。建議在支腿和管道之間加一塊墊板，減少支腿和母線管道焊接處應(yīng)力集中，也防止應(yīng)力集中的裂紋擴(kuò)展到管道筒體導(dǎo)致的管道漏氣安全事故。

圖4 墊板結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力

青海地區(qū)的晝夜溫差較大，導(dǎo)致管道體系和支撐結(jié)構(gòu)焊接點(diǎn)高應(yīng)力，在溫差下疲勞損傷，可采用減少溫差的母線管道外表面絕熱措施(如巖棉絕熱層)，防止疲勞損傷。

［1］王思華.GIS結(jié)構(gòu)分析及其存在問題的探討［J］.電氣制造，2006(2):26-28.

［2］蘇安，庚振新，肖婉秋，等.1100kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備母線機(jī)械性能分析［J］.電工電氣，2015(6):51-57.

［3］王思華.全封閉組合電器結(jié)構(gòu)分析及其存在的問題［J］.電氣開關(guān)，2009，47(3):3-5.

［4］張憲標(biāo).SF6/N2混合氣體中絕緣子表面電荷積聚與沿面閃絡(luò)的PIC仿真［D］.長沙:湖南大學(xué)，2011.

［5］李廣山.內(nèi)部故障下高壓SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備殼體狀態(tài)的分析［J］.高壓電器，2001，37(3):49-51.

The stress of the aluminum supporting structure is calculated by using the mechanical structure analysis software ANSYS. The failure reasons of the local area of the pipe supporting structure are analyzed according to the calculation result.The analysis result shows that the to add a backing plate between the supporting legs and the pipe can reduce the stress concentration at the legs and the welding points of the pipe，to prevent the crack produced by the stress concentration propagating to the pipe body to lead the pipeline leakage.

pipeline supporting structure;stress concentration;safety analysis

萍

2015-05-26

劉迎昌(1975-)，男，高級工程師，現(xiàn)主要從事管理和金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)研究工作。