直流穿墻套管用穿墻筒體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柴影輝 張楠楠 張銀穗

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山467001）

特高壓直流輸電具有輸電容量大、輸送效率高等特點(diǎn)，是未來建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)骨干網(wǎng)架的重要組成部分，是新能源等電力大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送的最佳技術(shù)解決方案，是推動(dòng)低碳型戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要力量。直流穿墻套管作為直流輸電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，承擔(dān)著閥廳內(nèi)部和外部高電壓大容量電氣設(shè)備的電氣連接作用，承載了系統(tǒng)的全電壓和全電流，是直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。直流穿墻套管通過穿墻筒體上的固定板與墻體進(jìn)行連接，采用螺栓連接方式，穿墻筒體為主要承重零部件，采用高強(qiáng)度鋼焊接成型。該產(chǎn)品為整體水平安裝，長度長、直徑粗、質(zhì)量大，中間固定，戶內(nèi)側(cè)、戶外側(cè)套管懸臂梁結(jié)構(gòu)，彎曲力矩大，易產(chǎn)生應(yīng)力集中和變形，直流穿墻套管結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 直流穿墻套管結(jié)構(gòu)示意圖

穿墻筒體作為套管的關(guān)鍵零部件之一，屬于壓力容器元件，在建造、安裝和運(yùn)行過程中，筒體設(shè)計(jì)對于穿墻套管的安全運(yùn)行至關(guān)重要，壓力容器設(shè)計(jì)是具有一定專業(yè)性的設(shè)計(jì)工作，需要設(shè)計(jì)人員從壓力容器的選材、受力分析、強(qiáng)化措施、制造安裝、檢驗(yàn)、使用、維護(hù)等方面考慮。

1 穿墻筒體材料選取

壓力容器殼體材料，直接影響壓力容器的強(qiáng)度、安全性及可靠性，因此，設(shè)計(jì)選材時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1.1 一般情況下，壓力容器的受壓元件不建議采用碳素鋼材料Q235B 與Q235C。Q235B 鋼板最低使用溫度為20℃，Q235C 鋼板最低使用溫度為0℃，而電容壓力容器殼體的使用環(huán)境溫度一般都低于0℃。在溫度較低的情況下，材料的力學(xué)性能會(huì)大大降低，從而降低電器產(chǎn)品的安全性。若基于某些因素（如經(jīng)濟(jì)性）使用Q235 系列材料，則應(yīng)對容器殼體采取加熱等措施，以滿足材料使用規(guī)定。

1.2 當(dāng)殼體的工作溫度低于-20℃時(shí)，原則上需要采用低溫用鋼，如16MnDR 等，也可以采用Q345R。此時(shí)，按標(biāo)準(zhǔn)要求，需要對材料附加沖擊功試驗(yàn)要求。

1.3 殼體設(shè)計(jì)溫度不能超過材料允許使用范圍。比如，若采用鋁材5083 作為壓力容器殼體，則設(shè)計(jì)溫度不應(yīng)大于65℃。

目前，壓力容器的材料選擇主要有鋼材和鋁合金材料兩大類，綜合對比分析，在滿足使用條件和安全裕度的前提下，同時(shí)兼顧到成本，最終選取筒體材質(zhì)為鋼板Q345R。

2 筒體設(shè)計(jì)方法

電力系統(tǒng)用壓力容器不同于化工行業(yè)的壓力容器，前者一方面要考慮容器的強(qiáng)度，還要求滿足容器的內(nèi)絕緣和耐燒穿能力，因此，應(yīng)從以下兩個(gè)方面設(shè)計(jì)穿墻筒體。

2.1 基于壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

一般情況下，設(shè)備的使用電壓等級確定后，筒體的內(nèi)徑經(jīng)過絕緣計(jì)算分析就已經(jīng)確定了，根據(jù)設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度等條件，就可按式（1）確定筒體的計(jì)算厚度：

δ——?dú)んw的計(jì)算厚度，mm；

δe——?dú)んw的有效厚度，mm；

Di——?dú)んw內(nèi)徑，mm；

Pc——計(jì)算壓力，MPa；

[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)，按GB150 選取。

式（1）得出的結(jié)果是筒體的計(jì)算厚度，而實(shí)際圖紙上標(biāo)注的厚度為名義厚度，即計(jì)算厚度與材料負(fù)偏差之和，再向上圓整到標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的材料厚度。

2.2 基于內(nèi)部故障電弧的筒體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)穿墻套管的筒體時(shí)，除上述設(shè)計(jì)方法外，還應(yīng)考慮筒體耐受故障電弧時(shí)間大于保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間。GB7674-2008中規(guī)定：額定短路電流小于40kA 時(shí)，故障電流在0.2s 內(nèi)殼體不允許燒穿，故障電流在0.5s 內(nèi)切除，筒體沒有產(chǎn)生碎片；額定短路電流為40kA 及以上時(shí)，故障電流在0.1s 內(nèi)殼體不允許燒穿，故障電流在0.3s 內(nèi)切除，殼體沒有產(chǎn)生碎片。

可參考?xì)んw厚度計(jì)算公式：

t——燒穿時(shí)間，ms

C——材料系數(shù)

S——筒體厚度，mm

I——故障電弧電流，kA

2.3 小結(jié)

比較式（1）和式（2）的結(jié)果，取二者較大值，并留適當(dāng)裕度同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性。從上述設(shè)計(jì)方法可知，筒體厚度主要與設(shè)計(jì)壓力、筒體內(nèi)徑、材料及采取何種焊接與檢測方式等因素有關(guān)，材料確定后，設(shè)計(jì)壓力越高，內(nèi)徑越大，筒體壁厚就越大，產(chǎn)品耐受內(nèi)部故障電流大小及時(shí)間越大，筒體壁厚就越大。

3 仿真校核

穿墻筒體材料選取鋼板Q345R，根據(jù)穿墻筒體設(shè)計(jì)方法的研究，確定穿墻筒體厚度為15mm，建立穿墻套管三維計(jì)算模型，模擬穿墻套管工程應(yīng)用時(shí)的安裝狀態(tài)，采用ANSYS 有限元分析軟件進(jìn)行力學(xué)校核，計(jì)算結(jié)果見圖2，通過計(jì)算結(jié)果可以看出，穿墻筒體上最大應(yīng)力為45MPa，小于鋼板Q345R 的許用應(yīng)力，仿真計(jì)算結(jié)果滿足要求。

圖2 穿墻筒體力學(xué)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

4.1 穿墻筒體材料選取方面，對比了多種鋼材和鋁合金材料的力學(xué)性能，綜合考核材料特性和經(jīng)濟(jì)性，筒體材質(zhì)為鋼板Q345R。

4.2 穿墻筒體設(shè)計(jì)主要從壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和內(nèi)部故障電弧燒蝕特性兩個(gè)方面考慮，筒體厚度主要與設(shè)計(jì)壓力、筒體內(nèi)徑、材料及采取何種焊接與檢測方式等因素有關(guān)，材料確定后，設(shè)計(jì)壓力越高，內(nèi)徑越大，筒體壁厚就越大；產(chǎn)品耐受內(nèi)部故障電流大小及時(shí)間越大，筒體壁厚就越大。

4.3 通過三維建模進(jìn)行力學(xué)仿真分析，模擬穿墻套管工程應(yīng)用時(shí)的安裝狀態(tài)，通過計(jì)算結(jié)果可以看出，穿墻筒體上最大應(yīng)力為45MPa，小于鋼板Q345R 的許用應(yīng)力，仿真計(jì)算結(jié)果滿足要求。