GIL 柔性設(shè)計(jì)技術(shù)研究

何春天,王志剛,葉三排,李麗娜

（平高集團(tuán)有限公司,河南 平頂山 467000）

隨著電纜輸電方式逼近技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的極限,以及城市化進(jìn)程的推進(jìn),我國堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)和大能源基地建設(shè)對(duì)GIL 產(chǎn)品的工程需求顯著增長[1-3]。2015 年8 月3 日,國務(wù)院辦公廳下發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》,要求建成一批具有國際先進(jìn)水平的地下綜合管廊并投入運(yùn)營,加快地面城市電網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)等架空線入地工程。然而GIL 在地下管廊內(nèi)布置時(shí)不能承受較大的基礎(chǔ)載荷,對(duì)其柔性設(shè)計(jì)提出了較高的要求[6],亟需開展柔性設(shè)計(jì)技術(shù)研究以解決GIL 熱伸縮補(bǔ)償及基礎(chǔ)載荷控制難題,適應(yīng)未來市場不斷增大的需求。

1 GIL 力學(xué)特性分析

1.1 GIL 管道基本應(yīng)力

1.1.1 軸向應(yīng)力

軸向應(yīng)力是平行于GIL 管道軸線的正應(yīng)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(yīng)力；二是由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力；三是由彎曲產(chǎn)生的軸向應(yīng)力,簡稱彎曲應(yīng)力,彎曲應(yīng)力在管道軸線上為零[4-5]。計(jì)算公式如下

式中：σL- 管道軸向正應(yīng)力,MPa；FAX- 截面上的內(nèi)力,N；Am- 管壁截面積,mm2；P- 內(nèi)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(shù),mm3。

1.1.2 周向應(yīng)力由內(nèi)壓產(chǎn)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(jì)算

式中：σθ- 周向應(yīng)力,MPa；ri- 管道內(nèi)半徑,mm；r0- 管道外半徑,mm；r- 應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)的徑向位置,mm。

薄壁管的周向應(yīng)力可近似為常數(shù),即

1.1.3 徑向應(yīng)力由內(nèi)壓產(chǎn)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(nèi)壁表面內(nèi)壓之間[4-5]。計(jì)算公式如下

式中：σr- 壓力引起的徑向應(yīng)力,MPa。

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

1.2 GIL 管道載荷計(jì)算

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

1.2.1 內(nèi)壓作用下GIL 管道應(yīng)力分析

內(nèi)壓作用下GIL 管道中一般存在軸向應(yīng)力 σL、周向應(yīng)力 σθ和徑向應(yīng)力 σr。

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

周向應(yīng)力

軸向應(yīng)力

在內(nèi)壓作用下管道將產(chǎn)生軸向合力（膨脹節(jié)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(yīng)力分析

重力會(huì)導(dǎo)致管道產(chǎn)生垂直方向的彎矩,彎矩在管道橫截面產(chǎn)生軸向應(yīng)力：σ =。

該軸向應(yīng)力沿管道橫截面線性分布,上下最大,中間為零。對(duì)于支撐連續(xù)的GIL 管道,重力產(chǎn)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(yīng)力分析

GIL 管道在運(yùn)行時(shí)不可避免產(chǎn)生熱脹冷縮,若不加以控制任其自由伸縮,則其會(huì)受到端部設(shè)備或中間支撐的約束,在管道中產(chǎn)生力。

管道受熱時(shí)產(chǎn)生熱膨脹,其膨脹量按下式計(jì)算

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

對(duì)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(huán)境溫度為20 ℃）,按照式（7）計(jì)算熱膨脹量為84.6 mm。若將72 m 直管道兩端固定,根據(jù)材料力學(xué)理論,管道產(chǎn)生變形,其應(yīng)變量按下式計(jì)算

根據(jù)胡克定律計(jì)算管道內(nèi)應(yīng)力：

式中：σt- 管道內(nèi)應(yīng)力,MPa；Et- 彈性模量,7.1×1010Pa；應(yīng)變量。

σt大于GIL 管道材料5754-H111 的許用應(yīng)力,因此,應(yīng)在GIL 管道中設(shè)置伸縮節(jié)以補(bǔ)償管道熱膨脹量,避免熱膨脹力引起結(jié)構(gòu)破壞。

2 GIL 管道柔性設(shè)計(jì)

2.1 GIL 伸縮節(jié)選型

2.1.1 軸向伸縮節(jié)選型

軸向位移的補(bǔ)償一般選用熱伸縮伸縮節(jié)、壓力平衡型伸縮節(jié)。熱伸縮伸縮節(jié)結(jié)構(gòu)簡單,由一個(gè)伸縮節(jié)及結(jié)構(gòu)件組成,主要用于吸收軸向位移而不能承受伸縮節(jié)壓力、推力。壓力平衡型伸縮節(jié)由位于兩端的兩個(gè)工作伸縮節(jié)和位于中間的一個(gè)平衡伸縮節(jié)及拉桿和端板等結(jié)構(gòu)件組成,主要用于吸收軸向位移并能平衡內(nèi)部壓力引起的壓力、推力。熱伸縮伸縮節(jié)和壓力平衡型伸縮節(jié)的具體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)見圖1 及表1。

圖1 軸向熱伸縮伸縮節(jié)

2.1.2 徑向伸縮節(jié)選型

徑向位移的補(bǔ)償一般選用復(fù)式拉桿型伸縮節(jié)和鉸鏈型伸縮節(jié)。復(fù)式拉桿型伸縮節(jié)由中間管所連接的兩個(gè)伸縮節(jié)及拉桿、端板等結(jié)構(gòu)組成,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。復(fù)式拉桿型伸縮節(jié)能夠吸收任一平面內(nèi)的橫向位移,伸縮節(jié)產(chǎn)生的內(nèi)壓推力由伸縮節(jié)的拉桿承受。鉸鏈?zhǔn)缴炜s節(jié)由一個(gè)伸縮節(jié)及銷軸、鉸鏈板和立板等結(jié)構(gòu)組成,具體結(jié)構(gòu)見圖3,鉸鏈伸縮節(jié)只能吸收一個(gè)平面內(nèi)的角位移,伸縮節(jié)產(chǎn)生的內(nèi)壓推力由銷軸、鉸鏈板來承受。復(fù)式拉桿型伸縮節(jié)和鉸鏈型伸縮節(jié)的特點(diǎn)見表1。

表1 伸縮節(jié)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

圖2 復(fù)式拉桿型伸縮節(jié)

圖3 鉸鏈型伸縮節(jié)

2.2 GIL 伸縮節(jié)布置

2.2.1 壓力平衡型伸縮節(jié)布置原則

GIL 軸向伸縮節(jié)采用壓力平衡型結(jié)構(gòu),伸縮節(jié)兩側(cè)一定距離內(nèi)需設(shè)置固定及滑動(dòng)支撐,伸縮節(jié)補(bǔ)償范圍為兩側(cè)固定支撐間距。

按照壓力平衡型伸縮節(jié)布置方案,借助AutoPIPE和Workbench 軟件對(duì)支撐、壓力平衡型伸縮節(jié)等GIL主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型搭建及力學(xué)分析,驗(yàn)證該布置方案的可靠性[7-8],確定壓力平衡型伸縮節(jié)的布置原則如下：

①兩個(gè)固定支撐之間只能布置一個(gè)壓力平衡型伸縮節(jié)；

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(jié)所允許的軸向補(bǔ)償量,且管道因熱脹冷縮產(chǎn)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(jié)第一個(gè)滑動(dòng)支撐與伸縮節(jié)之間的距離不大于4 倍的管道直徑,第二個(gè)滑動(dòng)支撐與第一個(gè)滑動(dòng)支撐之間的距離不超過14 倍管道直徑。

2.2.2 復(fù)式拉桿型伸縮節(jié)布置原則

復(fù)式拉桿型伸縮節(jié)可吸收任一平面內(nèi)的橫向位移,布置在沉降位置,伸縮節(jié)與其兩側(cè)支撐間距不大于4 倍管道直徑。

按照復(fù)式拉桿型伸縮節(jié)布置方案,采用AutoPIPE和Workbench 軟件進(jìn)行模型搭建及力學(xué)分析,驗(yàn)證該布置方案的可靠性[7-8],確定復(fù)式拉桿型伸縮的布置原則如下：

①復(fù)式拉桿型伸縮節(jié)放置于沉降位置；

②復(fù)式拉桿型伸縮節(jié)兩端需設(shè)置支撐,支撐距離伸縮節(jié)法蘭面不大于4 倍管道直徑。

2.2.3 鉸鏈型伸縮節(jié)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(bǔ)償采用由鉸鏈型伸縮節(jié)和筒體組合而成的徑向補(bǔ)償單元。豎井段設(shè)置滑動(dòng)支撐,在豎井頂部水平位置設(shè)置固定支撐,豎井底部設(shè)置軸向限位支撐,補(bǔ)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(jié)布置方案,借助AutoPIPE 和Workbench 軟件進(jìn)行模型搭建及力學(xué)分析,驗(yàn)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(jié)宜布置在豎井上端水平位置；

②豎井底部設(shè)置軸向限位支撐,限制豎井GIL 軸向移動(dòng)；

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

3 結(jié)論

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

（2） 研究了壓力平衡型伸縮節(jié)、復(fù)式拉桿型伸縮節(jié)及鉸鏈型伸縮節(jié)的適用特點(diǎn),最終提出GIL 伸縮節(jié)布置原則,解決GIL 的熱伸縮補(bǔ)償及基礎(chǔ)載荷控制難題。