基于三角密封結(jié)構(gòu)的高壓復(fù)合絕緣子密封性能研究

楊 銳，司曉闖，袁端鵬，李 凱，周 凱，郝留成，陳 蕊，王亞祥，張 佩，許東杰

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山467001)

0 引 言

高壓開關(guān)設(shè)備用于電力系統(tǒng)中對(duì)輸電線路進(jìn)行控制、監(jiān)測、保護(hù)和切換[1]，高壓空心復(fù)合絕緣子(以下簡稱復(fù)合絕緣子)作為高壓開關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵部件，其氣密性影響產(chǎn)品的可靠性，一般要求年漏氣率不高于3‰。目前，氣體絕緣形式的高壓開關(guān)設(shè)備多采用一定壓力的SF6作為絕緣介質(zhì)，在其密封方面，由于三元乙丙橡膠(EPDM)是一種超彈性材料，且具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度[2-4]，利用三元乙丙橡膠制成的O形密封圈是用量最大的密封件。在使用過程中，O形密封圈擠壓后會(huì)發(fā)生形變產(chǎn)生接觸應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)可靠密封[5]。而應(yīng)力對(duì)橡膠材料的老化反應(yīng)速率有較大的影響[6]。

密封性能是復(fù)合絕緣子的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，復(fù)合絕緣子常用的靜密封結(jié)構(gòu)有矩形槽和三角形密封結(jié)構(gòu)，靜密封的密封性能需要可靠的預(yù)壓縮應(yīng)力和高于內(nèi)絕緣氣壓的接觸壓力，不同的壓縮率和內(nèi)絕緣氣壓對(duì)結(jié)構(gòu)的密封性能有影響，而文獻(xiàn)中對(duì)三角形密封結(jié)構(gòu)的密封性能研究鮮有報(bào)道，本研究結(jié)合復(fù)合絕緣子產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，選用126～800 kV復(fù)合絕緣子產(chǎn)品中常用的工作壓力和試驗(yàn)壓力參數(shù)對(duì)三角形密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過試驗(yàn)測試、數(shù)值模擬的方法確定了三元乙丙橡膠的材料常數(shù)，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)三角形密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，得到不同壓縮率和氣壓下密封圈的應(yīng)力、變形及接觸壓力的變化規(guī)律，反映了不同壓縮率和內(nèi)壓下三角密封結(jié)構(gòu)的密封性能。本研究的密封性能分析結(jié)果可擴(kuò)展至126～800 kV等級(jí)復(fù)合絕緣子產(chǎn)品的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為復(fù)合絕緣子類產(chǎn)品的三角形密封結(jié)構(gòu)提供了合理的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 橡膠Mooney-Rivlin模型中材料常數(shù)的確定

1.1 橡膠材料的本構(gòu)關(guān)系

O形密封圈具有幾何非線性，橡膠體超彈性，邊界非線性的特點(diǎn)[7]，Mooney-Rivlin本構(gòu)模型對(duì)橡膠材料的超彈性特性可以較好的表達(dá)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性[8-11]。其彈性應(yīng)變能函數(shù)表達(dá)式如下[12]：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中I1和I2為應(yīng)變張量第1和第2不變量。綜合文獻(xiàn)[13-15]推導(dǎo)得到的材料常數(shù)的表達(dá)式(2)，其中：λ1=1+ε1，ε1為拉伸方向的應(yīng)變。

(2)

測得不同的伸長比λ1對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值σ1，令1/λ1為橫坐標(biāo)，σ1/2(λ1-1/λ12)為縱坐標(biāo)[16]，對(duì)數(shù)值進(jìn)行擬合，C10為這條線的截距，C01為這條線的斜率，可得到二參數(shù)Mooney-Rivlin的材料常數(shù)。

1.2 單軸向拉伸試驗(yàn)

圖1 樣件測試Fig. 1 Sample test

單軸向拉伸試驗(yàn)測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 單軸向拉伸試驗(yàn)測試應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress-strain curve of uniaxial tensile test

依據(jù)試驗(yàn)得到表1的測試數(shù)據(jù)：

表1 單軸向拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The result of uniaxial tensile test

1.3 數(shù)值擬合確定材料常數(shù)

依據(jù)5件試樣應(yīng)力-應(yīng)變平均值的試驗(yàn)數(shù)值對(duì)材料常數(shù)進(jìn)行擬合，橫坐標(biāo)以1/λ1為系數(shù)A，縱坐標(biāo)以σ1/2(λ1-1/λ12)為系數(shù)B，擬合曲線近似線性，見圖3。根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系，力學(xué)性能常數(shù)C10為0.912，C01為0.016。

圖3 擬合常數(shù)Fig. 3 Fitting constant

建立試驗(yàn)樣件仿真分析模型，輸入擬合的材料力學(xué)常數(shù)C10及C01，依據(jù)單軸向拉伸試驗(yàn)測得的標(biāo)距伸長率給定拉伸位移，模擬樣件的拉伸試驗(yàn)過程，計(jì)算結(jié)果見圖4。按照仿真分析和試驗(yàn)測試得到的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，分別擬合得到圖5所示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖5可以看出仿真和測試結(jié)果趨向一致，數(shù)值偏差小。因此，通過數(shù)值擬合方法得到的橡膠力學(xué)常數(shù)用來仿真分析復(fù)合絕緣子三角形密封結(jié)構(gòu)是可靠的。

圖4 試驗(yàn)樣件仿真計(jì)算結(jié)果Fig. 4 Simulation calculation results of test samples

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 5 Stress-strain curve

2 高壓復(fù)合絕緣子用O型密封圈三角密封槽結(jié)構(gòu)

相對(duì)于矩形槽(平面)密封結(jié)構(gòu)，三角形結(jié)構(gòu)更適合用于高壓復(fù)合絕緣子的密封。平面密封結(jié)構(gòu)示意見圖6(a),一方面，需要對(duì)玻璃鋼管和套管法蘭、套管法蘭和本體法蘭分別設(shè)計(jì)兩處平面密封槽，制造和安裝成本高，密封點(diǎn)數(shù)量多，增加了泄露風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，需要將其中一個(gè)密封圈預(yù)制于玻璃鋼和套管法蘭處的密封槽內(nèi)，從而密封圈處于不可拆卸狀態(tài)，在后期運(yùn)維中，當(dāng)發(fā)生密封失效時(shí)，漏點(diǎn)排查難度高，需要更換整支復(fù)合絕緣子，維護(hù)成本高。

在三角密封結(jié)構(gòu)中，見圖6(b)和圖6(c)，O形密封圈布置于由玻璃鋼管、套管法蘭和本體法蘭組成的三角槽中，一個(gè)密封圈可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃鋼管、套管法蘭和本體法蘭的密封，達(dá)到平面密封結(jié)構(gòu)中兩個(gè)密封圈的密封效果，既簡化了密封結(jié)構(gòu)，又減少了泄露隱患。當(dāng)出現(xiàn)密封失效時(shí)，只需要拆解本體法蘭，更換密封圈，對(duì)本體結(jié)構(gòu)沒有破壞，具有顯而易見的高裝配效率，低成本和易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

圖6 高壓復(fù)合絕緣子用三角形密封結(jié)構(gòu)

由于O形密封圈的不可壓縮性[17]，三角密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循O形密封圈截面積S1<三角槽截面積S2的原則。

等邊三角形密封槽的邊寬B、深度H1按以下算式(1)、(2)進(jìn)行計(jì)算。

B=(1.5d1-h1)/cos 30°

(1)

H1=1.5d1-h1

(2)

式中，h1為密封圈未壓縮時(shí)凸出空心復(fù)合絕緣子法蘭端面的高度。

圖7 三角密封結(jié)構(gòu)Fig. 7 Triangular sealing structure

以線徑φ8.6mm的O形密封圈為例，在10%、15%、20%、25%和30%的壓縮率下，得到的三角密封結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2：

表2 三角密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 三角形密封結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 建立分析模型

高壓復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱的，根據(jù)邊界條件的特點(diǎn)，建立二維軸對(duì)稱模型[18-19]。結(jié)合高壓復(fù)合絕緣子的實(shí)際使用情況，對(duì)玻璃鋼套管預(yù)留材料伸縮縫隙，設(shè)置密封間隙(見圖7中δ1)為0.3 mm，內(nèi)絕緣氣體從密封間隙處施氣壓于擠壓后的密封圈。O形密封圈的斷面直徑Φ8.6 mm，材料為三元乙丙橡膠(EPDM)，邵氏硬度70。建立分析模型及網(wǎng)格劃分見圖8。

圖8 二維軸對(duì)稱有限元分析模型網(wǎng)格劃分Fig. 8 Mesh generation of two-dimensionalaxisymmetric finite element analysis model

3.2 有限元仿真

密封結(jié)構(gòu)的接觸問題較為復(fù)雜，三角密封結(jié)構(gòu)中O形密封圈和金屬法蘭、玻璃鋼端面存在相互擠壓[20]。有限元仿真中使用的材料參數(shù)見表3。

表 3 材料參數(shù)Table 3 Material parameters

由于橡膠材料及接觸的非線性特點(diǎn)，通常采用罰函數(shù)(pure penalty)的接觸算法解決橡膠材料和法蘭、玻璃鋼管的接觸問題[21-24]。橡膠材料采用二參數(shù)的Mooney-Rivlin模型，接觸面采用adjust to touch，接觸面提供切向摩擦力，摩擦系數(shù)設(shè)為0.25，以剛度較大的玻璃鋼、法蘭作為目標(biāo)體，采用2個(gè)分析步模擬高壓復(fù)合絕緣子的安裝過程，求解步驟見圖9。首先對(duì)玻璃鋼管、套管法蘭頂端施加固定約束，本體法蘭沿著Y軸的正方向移動(dòng)5 mm，仿真預(yù)壓縮O形橡膠密封圈的過程；然后在玻璃鋼管和本體法蘭間隙處施加給定的額定氣壓，模擬O形橡膠圈受到的氣壓。此分析過程基于O形密封圈的體積不可壓縮，彈性模量E和泊松比μ不受形變的影響，法蘭及玻璃鋼設(shè)為剛體邊界，且不考慮環(huán)境因素、材料老化對(duì)密封性能的影響[25-26]。

圖9 仿真分析步驟Fig. 9 Simulation analysis steps

3.3 計(jì)算及分析

3.3.1 壓縮率的變化對(duì)三角密封結(jié)構(gòu)的影響

分析O形密封圈在壓縮率為10%、15%、20%、25%、30%的條件下的預(yù)壓縮應(yīng)力及變形。O形密封圈在本體法蘭向上位移的過程中，隨著接觸應(yīng)力的增大，O形密封圈的應(yīng)力集中區(qū)由下側(cè)向兩側(cè)呈啞鈴狀分布。根據(jù)圖10的仿真分析結(jié)果，隨著壓縮率ε的增大，O形密封圈的變形量和應(yīng)力增大，應(yīng)力集中區(qū)從中間擴(kuò)散，并逐步向下部兩側(cè)分布和擴(kuò)大。σmax為O形密封圈的最大應(yīng)力壓縮率的增大導(dǎo)致預(yù)壓縮應(yīng)力相應(yīng)增大，但過大的預(yù)壓縮應(yīng)力易導(dǎo)致應(yīng)力集中。根據(jù)云圖的分布情況，壓縮率為30%左右時(shí)，近乎達(dá)到了密封圈的壓滿狀態(tài)，但密封圈并未發(fā)生擠出間隙，相對(duì)平面密封，三角結(jié)構(gòu)的三面擠壓狀態(tài)使密封圈即使處于壓滿也不易受間隙處的剪力作用影響[27]，在滿足預(yù)壓縮應(yīng)力的條件下，高壓復(fù)合套管常采用25%左右的壓縮率作為密封要求。

圖10 不同壓縮率預(yù)緊狀態(tài)時(shí)應(yīng)力及變形云圖Fig.10 Stress and deformation nephogram of preloaded state with different compressibility

3.3.2 內(nèi)氣壓的變化對(duì)三角密封結(jié)構(gòu)的影響

分析內(nèi)絕緣氣壓為0.4、0.6、0.8、1.6、2.4、3.2 MPa的條件下的應(yīng)力、變形及密封面接觸壓力分布。對(duì)壓縮率為25%的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行受壓分析，圖11中隨著內(nèi)絕緣氣壓的增大，O形密封圈的應(yīng)力集中區(qū)由下側(cè)的啞鈴狀分布朝著氣壓作用力的方向移動(dòng)至密封圈和套管法蘭的接觸面一側(cè)，且隨著氣壓升高，應(yīng)力及變形越來越大。O形密封圈在常規(guī)的工作壓力如0.4、0.6、0.8 MPa下應(yīng)力分布情況較好，適用于復(fù)合套管長期運(yùn)行的工況；在1.6、2.4、3.2 MPa的試驗(yàn)壓力下，短期使用不會(huì)對(duì)密封性能造成影響。

圖11 不同內(nèi)絕緣氣壓下的應(yīng)力及變形云圖Fig. 11 Stress and deformation nephogram under different internal insulation pressure

3.3.3 密封面的接觸壓力分布情況

在無內(nèi)氣壓影響的不同壓縮率下，O形密封圈的三處擠壓面接觸壓力大小和接觸區(qū)長度近似相等，隨著內(nèi)絕緣氣壓的增大，密封圈朝向氣壓作用方向一側(cè)移動(dòng)，應(yīng)力集中區(qū)向套管法蘭一側(cè)靠近，且密封圈和套管法蘭的接觸區(qū)長度逐漸增大。

密封失效的判據(jù)是密封面的接觸壓力小于內(nèi)絕緣氣體的充氣壓力[28-31]。根據(jù)圖12、圖13的計(jì)算結(jié)果，在3.2 MPa內(nèi)的氣壓作用下，密封面接觸壓力均大于內(nèi)絕緣充氣壓力，滿足高壓復(fù)合套管的密封要求。但是隨著氣壓的增大，密封面的接觸區(qū)域會(huì)發(fā)生變化，密封圈和玻璃鋼管的接觸區(qū)長度逐漸變小，密封圈和套管法蘭的接觸區(qū)逐漸增大，過小的密封接觸面和過大的接觸壓力均不利于密封的長期使用要求。在1.6 MPa以下的工作壓力下，滿足套管的長期工作運(yùn)行要求。在1.6 MPa及以上的試驗(yàn)壓力下可短期運(yùn)行。

圖12 接觸壓力分布云圖Fig. 12 Cloud diagram of contact pressure distribution

圖13 接觸壓力Fig. 13 Contact pressure

4 結(jié)論

1)依據(jù)應(yīng)變能理論，對(duì)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)合有限元算法，驗(yàn)證了Mooney-Rivlin常數(shù)確定方法的可靠性，得到了高壓復(fù)合套管用三元乙丙橡膠密封圈的材料力學(xué)性能常數(shù)C10和C01分別為0.912、0.016。

2)得到壓縮率及內(nèi)絕緣氣壓的變化對(duì)三角密封結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形的影響；在僅考慮應(yīng)力的作用下，三角形結(jié)構(gòu)中的O形密封圈應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在擠壓后的下部左右兩側(cè)，此部分區(qū)域易發(fā)生失效。在預(yù)壓縮應(yīng)力滿足密封要求的前提下，壓縮率在25%左右時(shí)，應(yīng)力分布情況較好，且三面擠壓的三角密封結(jié)構(gòu)不易受間隙處剪力影響，適宜高壓復(fù)合套管的密封要求。

3)分析壓縮率及內(nèi)絕緣氣壓的變化對(duì)三角密封結(jié)構(gòu)密封性能的影響，在3.2 MPa以下的氣壓下，接觸壓力均滿足密封要求。隨著內(nèi)壓的增大，接觸壓力朝著作用力方向增大，接觸區(qū)域變長，施壓一側(cè)接觸區(qū)域變小，得到三角密封結(jié)構(gòu)在0.4、0.6、0.8 MPa的工作壓力作用下可滿足復(fù)合套管的長期運(yùn)行條件。此分析結(jié)果為三角密封結(jié)構(gòu)下126～800 kV復(fù)合絕緣子的密封性能分析提供了參考，對(duì)其密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有實(shí)際的參考價(jià)值。