高壓開關用焊接鋁合金壓力容器優化設計試驗*

陳元杰， 魏素華， 蒙國柱

(1.上海齊達重型裝備有限公司，上海 201411； 2.上海西門子高壓開關有限公司，上海 201100；3.ABB 電網投資(中國)有限公司 廈門分公司，福建 廈門 361000)

0 引 言

高壓電氣行業用壓力容器屬于壓力容器的一個特殊而重要的分支，其設計結構與常規化工醫藥用壓力容器有很大差異。 在保證強度要求的前提下，此類壓力容器內部曲面設計必須滿足導體布置及對應的電場分布要求，并且要符合間隔布置位置限制，避免因位置受限而導致的結構設計限制。

常規高壓電氣行業壓力容器以鑄造鋁合金為主，雖然其曲面成型工藝復雜，但因其有成熟的試驗數據與設計計算數據擬合而得到國內外廠家廣泛使用。伴隨著原材料價格不斷上漲，廠家之間的競爭越來越激烈，各個廠家都在優化鑄造結構，節省材料上不斷創新與嘗試；鑒于在部分簡單模塊受壓部件上的焊接使用成功，部分廠家嘗試另辟蹊徑，將焊接結構逐步推廣使用到復雜核心模塊上，以保證安全為前提，降低成本，提升自己產品的市場競爭力。

為解決鑄造殼體廢品率高、重量大而導致的成本劣勢，以斷路器模塊上的殼體鑄造改焊接為研究對象，通過其結構多次改造，以及對應仿真實驗優化過程，最終實現降本約40%，并順利通過相關驗證實驗。

1 設計參數與結構選型

該鋁合金殼體設計參數見表1， 其原始結構為鑄造，為了形成更多焊接方案，分別從焊接方法、接管連接形式、法蘭形式和底部連接結構等不同方向排列組合，共形成48 種新結構，并基于重量成本、技術風險、受力狀態、客戶接受度、專利、制造難易等不同維度對48 種方案進行評估，并最終確定對其中四款方案進行研究，分別是:板焊插入口平焊法蘭曲面底蓋結構，板焊插入口平焊法蘭曲面底蓋結構， 板焊拉拔口平焊法蘭曲面底蓋結構， 板焊拉拔口帶頸法蘭曲面底蓋結構。

表1 鋁合金外殼設計參數

插入口結構雖然制造簡單，且不需要模具投入，但考慮到在接管與筒體焊縫成形的焊縫表面不平整而帶來的放電風險，需要首先對其進行電場仿真，見圖1，結果略超判據，雖然接管與筒體連接位置可以通過打磨的方式實現圓滑過渡，從而降低放電風險，但是考慮到焊縫尖角位置打磨R角不規則打磨的潛在風險，此方案暫時不予采用；若內部導體結構可以實現大幅優化進而提高電場安全裕度，可考慮繼續聚焦此方案。

圖1 插入口結構電場仿真

拔口結構光滑的內部曲面過渡對流體流動的影響很小，當拔口圓滑過渡要求不高時，一般通過烘烤敲擊矯形的方式實現，制造過程極為繁瑣，醫藥食品壓力容器偶有使用；對于高壓電器承壓部件，其內部要求極嚴，需保證內部過渡角大于某一定值，此時需要用專用拉拔模具工裝，在加熱的同時施加拉力，成型比較規則。 基于較小過渡角的電場保守計算，小口采用拉拔結構，由于大口電場安全裕度大，大開孔仍然采用插入式焊接結構，整體結構電場仿真計算校核后，計算合格。 見圖2。

圖2 拉拔口結構電場仿真

經過初期電場分析后，確定小口選型為拉拔口結構，大口為插入式焊接結構。

由于設備鑄造的工藝特性，對于復雜形狀的造型比較容易實現，鑄造支座與底部的封閉結構，可以實現緊湊布局，在降低高度從而降低運輸費用的同時保證了間隔間距可以做到最小，進而實現縮短內部導體長度的目的；但是鑄造工藝也有諸多不可控因素，所以標準要求做5 倍設計壓力的爆破試驗，相比于焊接結構的3 倍設計壓力，鑄造殼體需要更大的厚度才能滿足強度要求，且由于鑄造材料延伸率很低，出現缺陷將直接導致殼體報廢甚至出現更加嚴重的安全隱患。 焊接結構相比于鑄造材料，單位面積出現缺陷的比例相對低很多，出現過載時，塑性材料會通過變形吸能而不至于導致嚴重事故；鑄造支座，底蓋結構設計都要通過焊接耳式座，板壓曲面封頭的形式予以實現，從受力角度、球形封頭、橢圓封頭進行改進固然比較好，但是將大大增加設備整體高度，其增加的運輸費用甚至超過鑄改焊節省的成本，故而最終決定使用球冠封頭，其成本約為平蓋的1/5，由此，設備外形基本確定:鋁合金板材焊接，滿足減材需求；拔口加插接接口，滿足電場需求；平板法蘭或帶頸法蘭，滿足連接需要；球冠封頭封蓋，滿足減材、降高、降運費需求，耳式支座支撐，滿足降高需求。

2 有限元強度分析

根據上面的電場分析以及結構限制分析，對確定的殼體結構進行有限元分析，以確認爆破試驗時的殼體強度、接管外載、封蓋與緊固件強度、底部支撐穩定性、法蘭密封性是否滿足各項要求。

2.1 爆破試驗

2.1.1 爆破試驗仿真模型

應用有限元計算軟件ANSYS，建立與爆破試驗一致的模型，殼體上每個開孔配備水壓盲板以及高強度螺栓螺母。 在耳座上施加位移約束，所有螺栓施加預緊力以模擬校核試壓工況時的泄露情況，設備內表面施加3 倍設計壓力[3]。 見表2。

表2 有限元模型與加載

2.1.2 爆破試驗仿真結果

上述優化過程只保留了最關鍵的三步，其余微調不再贅述，針對上述三步優化方案對應的實驗結果見表3 所列。

表3 有限元仿真結果

2.2 接管載荷

2.2.1 接管載荷仿真模型

由于各個接管外部需連接電流互感器、三位置開關、母線等模塊，重量較大，其對設備本體的強度影響不能忽略，為此基于大量實驗積累，對每個接口都給出了固定的常規載荷與極限要求載荷，建立如下模型對其進行核算，見圖3。

圖3 接管載荷模型

設備內部施加內壓等于設計壓力X，耳座底部施加固定約束，在每個接管上增加虛擬長接管，并在遠端施加不同方向的力，進而驗證在外力作用下設備的強度；由于前期接管不帶筋板時局部應力過大，故而在接管法蘭位置增加了鋼支撐并與底架連接，以緩解遠端力對設備本體的影響，計算顯示受力狀況有很大改善，強度合格，但是此方式會導致設備選型以及安裝困難，部分功能難以實現，故最終以接管加筋板的形式緩解接管載荷對接管根部的影響。

2.2.2 接管載荷仿真結果

此方案計算結果見圖4，校核本體強度，反算結果顯示，其最大允許載荷為50 kN·m，小于要求的60 kN·m，此時筋板與法蘭連接位置應力最大，根據此處材料以及焊接結構等特性，基于FKM guideline核算最大應力位置的材料利用率不超過1[5]，在安全范圍之內。

圖4 接管載荷有限元結果

3 檢驗與試驗驗證

根據標準要求，設備在尺寸檢驗合格后要驗證其爆破/泄漏性能；作為研發首樣，需驗證接管載荷下的受力大小以及失效位置與有限元計算的相符性，驗證不同位置不同材料的母材(板材，鍛件)，熱影響區以及焊縫性能，具體試驗步驟與結果如下。

3.1 爆破試驗

供應商對原材料、焊接試樣力學性能、設備尺寸、焊縫質量實時成像射線檢測等進行自檢并確保符合要求；設備在本廠進行爆破試驗，爆破試驗要求焊接壓力從容器需達到3 倍設計壓力(＋1.2 MPa)，試驗中發現設備從一個法蘭位置開始泄露，打壓終止，遠大于要求值，爆破試驗合格。

3.2 接管載荷試驗

按照有限元計算方法搭建完全一致的試驗模型，并在重要關注位置放置應力應變片與激光測距儀來檢測變形，見圖5。 在接管載荷加至90 kN·m 時，筋板斷裂，除此之外無失效，其接管承載遠大于要求值，滿足使用要求，與有限元計算預測失效位置一致，但數值相差較大，計算方法有待進一步優化。

圖5 接管載荷試驗

3.3 力學試驗

除筒體本體母材外，分別對焊縫、熱影響區、法蘭材質、球冠封頭與筒體連接焊縫位置進行切割取樣，復驗材料的力學性能，材料抗拉強度與屈服都遠大于標準值。

經爆破試驗和接管載荷試驗驗證，設備強度滿足要求，經力學性能復驗可知，焊接熱影響區材料性能有所下降，但仍大于材料標準值，焊接過程控制良好，設備最終判定為合格。

4 結 論

文中對焊接鋁合金壓力容器的鑄改焊降本優化過程以及后期檢驗等做了簡要的分析，其中只保留了設計優化的關鍵幾步，通過上述分析得出如下結論。

(1) 焊接工藝控制的穩定性將直接決定焊縫，熱影響區以及附近母材的性能，進而決定設備的整體性能。

(2) 過量安全系數的疊加將導致試驗結果與仿真計算出現很大的偏離，要綜合評估，合理取值，做到安全與經濟的平衡。

(3) 焊接殼體拔口結構在一定程度上可通過拔口變薄位置的變形釋放部分局部應力，進而降低局部應力峰值水平。

(4) 相比鑄造容器，焊接結構在復雜曲面成型方面不如鑄造，但是其在內表面質量以及工藝可控性方面優于鑄造工藝。

(5) 焊接結構由于其靈活性，可以在不增加甚至降低成本的基礎上基于不同的開孔形式變換不同殼體樣式，鑄造殼體受限于模具，變換殼體類型相對不如焊接結構靈活。

(6) 設備密封性能的仿真要基于大量實驗數據積累，針對不同密封面形式，不同墊片材質確定合理的密封面變形間隙，才能以此作為判據預測指導新設備的開發。

(7) 球冠形封頭盡管在所有曲面封頭中受力不佳，但是只要確保封頭與筒體連接位置焊縫質量可靠以及連接位置附近剛度足夠，其總深度低、用料少等優點還是值得推薦的。

此焊接壓力容器優化設計過程對于設計研發人員系統考慮設計安全裕度，注重焊接過程檢驗與控制以及按爆破試驗設計高壓電器用壓力容器都有重要的參考價值。