GIL 柔性設計技術研究

何春天,王志剛,葉三排,李麗娜

（平高集團有限公司,河南 平頂山 467000）

隨著電纜輸電方式逼近技術和經濟的極限,以及城市化進程的推進,我國堅強智能電網建設和大能源基地建設對GIL 產品的工程需求顯著增長[1-3]。2015 年8 月3 日,國務院辦公廳下發了《關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》,要求建成一批具有國際先進水平的地下綜合管廊并投入運營,加快地面城市電網、通信網絡等架空線入地工程。然而GIL 在地下管廊內布置時不能承受較大的基礎載荷,對其柔性設計提出了較高的要求[6],亟需開展柔性設計技術研究以解決GIL 熱伸縮補償及基礎載荷控制難題,適應未來市場不斷增大的需求。

1 GIL 力學特性分析

1.1 GIL 管道基本應力

1.1.1 軸向應力

軸向應力是平行于GIL 管道軸線的正應力,主要有3 種形式：一是由作用于管道的軸力引起的軸向應力；二是由內壓產生的軸向應力；三是由彎曲產生的軸向應力,簡稱彎曲應力,彎曲應力在管道軸線上為零[4-5]。計算公式如下

式中：σL- 管道軸向正應力,MPa；FAX- 截面上的內力,N；Am- 管壁截面積,mm2；P- 內壓,MPa；D0-管道外徑,mm；t- 管道壁厚,mm；Mb- 作用在截面上的彎矩,N·mm；Z- 管道抗彎曲截面系數,mm3。

1.1.2 周向應力由內壓產生[4-5],方向垂直于軸線,平行于管壁圓周的切線。通過Lame 公式計算

式中：σθ- 周向應力,MPa；ri- 管道內半徑,mm；r0- 管道外半徑,mm；r- 應力計算點的徑向位置,mm。

薄壁管的周向應力可近似為常數,即

1.1.3 徑向應力由內壓產生,方向與管道半徑平行,大小介于管道外壁表面大氣壓和管道內壁表面內壓之間[4-5]。計算公式如下

式中：σr- 壓力引起的徑向應力,MPa。

由于管道外徑的徑向應力為零,而彎曲應力最大,在應力計算時,此應力分量常被忽略。

1.2 GIL 管道載荷計算

GIL 管道承受的載荷主要有：內壓力、重力、熱膨脹力以及風、地震等載荷。由于最大風、地震載荷和最大溫差的疊加概率較小,本次計算中僅考慮風、地震之外的其它靜力載荷。

1.2.1 內壓作用下GIL 管道應力分析

內壓作用下GIL 管道中一般存在軸向應力 σL、周向應力 σθ和徑向應力 σr。

GIL 管道屬于薄壁圓筒,計算薄壁圓筒的應力有如下假設：一是應力沿壁厚均勻分布；二是徑向應力σr與 軸向應力 σL和周向應力 σθ相比很小,可以忽略不計,即 σr=0。按照上述假設,根據材料力學可知在內壓P作用下管道受到兩個方向的應力

周向應力

軸向應力

在內壓作用下管道將產生軸向合力（膨脹節盲板力）作用于固定支座或管道端部。

1.2.2 重力作用下GIL 管道應力分析

重力會導致管道產生垂直方向的彎矩,彎矩在管道橫截面產生軸向應力：σ =。

該軸向應力沿管道橫截面線性分布,上下最大,中間為零。對于支撐連續的GIL 管道,重力產生的最大彎矩在支座位置。

1.2.3 熱膨脹力作用下GIL 管道應力分析

GIL 管道在運行時不可避免產生熱脹冷縮,若不加以控制任其自由伸縮,則其會受到端部設備或中間支撐的約束,在管道中產生力。

管道受熱時產生熱膨脹,其膨脹量按下式計算

式中：Δt- 管道在溫度t 時的膨脹量,mm；αt- 管道材料在溫度t 時的熱膨脹系數,mm/mm ℃；ΔT- 管道的溫升,℃；l- 管道的長度。

對于長度為72 m、材料為5754-H111 的直管道,使管道升溫到70 ℃（安裝環境溫度為20 ℃）,按照式（7）計算熱膨脹量為84.6 mm。若將72 m 直管道兩端固定,根據材料力學理論,管道產生變形,其應變量按下式計算

根據胡克定律計算管道內應力：

式中：σt- 管道內應力,MPa；Et- 彈性模量,7.1×1010Pa；應變量。

σt大于GIL 管道材料5754-H111 的許用應力,因此,應在GIL 管道中設置伸縮節以補償管道熱膨脹量,避免熱膨脹力引起結構破壞。

2 GIL 管道柔性設計

2.1 GIL 伸縮節選型

2.1.1 軸向伸縮節選型

軸向位移的補償一般選用熱伸縮伸縮節、壓力平衡型伸縮節。熱伸縮伸縮節結構簡單,由一個伸縮節及結構件組成,主要用于吸收軸向位移而不能承受伸縮節壓力、推力。壓力平衡型伸縮節由位于兩端的兩個工作伸縮節和位于中間的一個平衡伸縮節及拉桿和端板等結構件組成,主要用于吸收軸向位移并能平衡內部壓力引起的壓力、推力。熱伸縮伸縮節和壓力平衡型伸縮節的具體結構及特點見圖1 及表1。

圖1 軸向熱伸縮伸縮節

2.1.2 徑向伸縮節選型

徑向位移的補償一般選用復式拉桿型伸縮節和鉸鏈型伸縮節。復式拉桿型伸縮節由中間管所連接的兩個伸縮節及拉桿、端板等結構組成,具體結構如圖2所示。復式拉桿型伸縮節能夠吸收任一平面內的橫向位移,伸縮節產生的內壓推力由伸縮節的拉桿承受。鉸鏈式伸縮節由一個伸縮節及銷軸、鉸鏈板和立板等結構組成,具體結構見圖3,鉸鏈伸縮節只能吸收一個平面內的角位移,伸縮節產生的內壓推力由銷軸、鉸鏈板來承受。復式拉桿型伸縮節和鉸鏈型伸縮節的特點見表1。

表1 伸縮節優缺點對比

圖2 復式拉桿型伸縮節

圖3 鉸鏈型伸縮節

2.2 GIL 伸縮節布置

2.2.1 壓力平衡型伸縮節布置原則

GIL 軸向伸縮節采用壓力平衡型結構,伸縮節兩側一定距離內需設置固定及滑動支撐,伸縮節補償范圍為兩側固定支撐間距。

按照壓力平衡型伸縮節布置方案,借助AutoPIPE和Workbench 軟件對支撐、壓力平衡型伸縮節等GIL主要結構進行模型搭建及力學分析,驗證該布置方案的可靠性[7-8],確定壓力平衡型伸縮節的布置原則如下：

①兩個固定支撐之間只能布置一個壓力平衡型伸縮節；

②固定支撐的間距必須滿足管道的熱伸長量不超過伸縮節所允許的軸向補償量,且管道因熱脹冷縮產生的推力不得超過固定支撐或地基所承受的許推力；

③伸縮節第一個滑動支撐與伸縮節之間的距離不大于4 倍的管道直徑,第二個滑動支撐與第一個滑動支撐之間的距離不超過14 倍管道直徑。

2.2.2 復式拉桿型伸縮節布置原則

復式拉桿型伸縮節可吸收任一平面內的橫向位移,布置在沉降位置,伸縮節與其兩側支撐間距不大于4 倍管道直徑。

按照復式拉桿型伸縮節布置方案,采用AutoPIPE和Workbench 軟件進行模型搭建及力學分析,驗證該布置方案的可靠性[7-8],確定復式拉桿型伸縮的布置原則如下：

①復式拉桿型伸縮節放置于沉降位置；

②復式拉桿型伸縮節兩端需設置支撐,支撐距離伸縮節法蘭面不大于4 倍管道直徑。

2.2.3 鉸鏈型伸縮節布置原則

GIL 豎井段管道變形主要為沿豎井方向的熱伸縮變形,變形補償采用由鉸鏈型伸縮節和筒體組合而成的徑向補償單元。豎井段設置滑動支撐,在豎井頂部水平位置設置固定支撐,豎井底部設置軸向限位支撐,補償單元布置在水平段,通過其徑向變形吸收豎井GIL 的熱脹冷縮位移。

按照鉸鏈型伸縮節布置方案,借助AutoPIPE 和Workbench 軟件進行模型搭建及力學分析,驗證該布置方案的可靠性[7-8],確定鉸鏈型伸縮的布置原則如下：

①鉸鏈型伸縮節宜布置在豎井上端水平位置；

②豎井底部設置軸向限位支撐,限制豎井GIL 軸向移動；

③豎井頂部水平位置設置固定支撐,固定支撐距離鉸鏈伸縮節法蘭面距離不大于4 倍管道直徑。

3 結論

（1） 綜合分析GIL 承受內壓、重力、熱膨脹力等不同載荷作用下的管道應力及變形規律,為GIL 伸縮節選型和布置方案確定提供了指導。

（2） 研究了壓力平衡型伸縮節、復式拉桿型伸縮節及鉸鏈型伸縮節的適用特點,最終提出GIL 伸縮節布置原則,解決GIL 的熱伸縮補償及基礎載荷控制難題。