高壓開(kāi)關(guān)用焊接鋁合金壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)*

陳元杰， 魏素華， 蒙國(guó)柱

(1.上海齊達(dá)重型裝備有限公司，上海 201411； 2.上海西門(mén)子高壓開(kāi)關(guān)有限公司，上海 201100；3.ABB 電網(wǎng)投資(中國(guó))有限公司 廈門(mén)分公司，福建 廈門(mén) 361000)

0 引 言

高壓電氣行業(yè)用壓力容器屬于壓力容器的一個(gè)特殊而重要的分支，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與常規(guī)化工醫(yī)藥用壓力容器有很大差異。 在保證強(qiáng)度要求的前提下，此類(lèi)壓力容器內(nèi)部曲面設(shè)計(jì)必須滿足導(dǎo)體布置及對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)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(dǎo)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制。

常規(guī)高壓電氣行業(yè)壓力容器以鑄造鋁合金為主，雖然其曲面成型工藝復(fù)雜，但因其有成熟的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)擬合而得到國(guó)內(nèi)外廠家廣泛使用。伴隨著原材料價(jià)格不斷上漲，廠家之間的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，各個(gè)廠家都在優(yōu)化鑄造結(jié)構(gòu)，節(jié)省材料上不斷創(chuàng)新與嘗試；鑒于在部分簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)逐步推廣使用到復(fù)雜核心模塊上，以保證安全為前提，降低成本，提升自己產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

為解決鑄造殼體廢品率高、重量大而導(dǎo)致的成本劣勢(shì)，以斷路器模塊上的殼體鑄造改焊接為研究對(duì)象，通過(guò)其結(jié)構(gòu)多次改造，以及對(duì)應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)化過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)降本約40%，并順利通過(guò)相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)選型

該鋁合金殼體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1， 其原始結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)等不同方向排列組合，共形成48 種新結(jié)構(gòu)，并基于重量成本、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、受力狀態(tài)、客戶接受度、專(zhuān)利、制造難易等不同維度對(duì)48 種方案進(jìn)行評(píng)估，并最終確定對(duì)其中四款方案進(jìn)行研究，分別是:板焊插入口平焊法蘭曲面底蓋結(jié)構(gòu)，板焊插入口平焊法蘭曲面底蓋結(jié)構(gòu)， 板焊拉拔口平焊法蘭曲面底蓋結(jié)構(gòu)， 板焊拉拔口帶頸法蘭曲面底蓋結(jié)構(gòu)。

表1 鋁合金外殼設(shè)計(jì)參數(shù)

插入口結(jié)構(gòu)雖然制造簡(jiǎn)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(lái)的放電風(fēng)險(xiǎn)，需要首先對(duì)其進(jìn)行電場(chǎng)仿真，見(jiàn)圖1，結(jié)果略超判據(jù)，雖然接管與筒體連接位置可以通過(guò)打磨的方式實(shí)現(xiàn)圓滑過(guò)渡，從而降低放電風(fēng)險(xiǎn)，但是考慮到焊縫尖角位置打磨R角不規(guī)則打磨的潛在風(fēng)險(xiǎn)，此方案暫時(shí)不予采用；若內(nèi)部導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)大幅優(yōu)化進(jìn)而提高電場(chǎng)安全裕度，可考慮繼續(xù)聚焦此方案。

圖1 插入口結(jié)構(gòu)電場(chǎng)仿真

拔口結(jié)構(gòu)光滑的內(nèi)部曲面過(guò)渡對(duì)流體流動(dòng)的影響很小，當(dāng)拔口圓滑過(guò)渡要求不高時(shí)，一般通過(guò)烘烤敲擊矯形的方式實(shí)現(xiàn)，制造過(guò)程極為繁瑣，醫(yī)藥食品壓力容器偶有使用；對(duì)于高壓電器承壓部件，其內(nèi)部要求極嚴(yán)，需保證內(nèi)部過(guò)渡角大于某一定值，此時(shí)需要用專(zhuān)用拉拔模具工裝，在加熱的同時(shí)施加拉力，成型比較規(guī)則。 基于較小過(guò)渡角的電場(chǎng)保守計(jì)算，小口采用拉拔結(jié)構(gòu)，由于大口電場(chǎng)安全裕度大，大開(kāi)孔仍然采用插入式焊接結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)電場(chǎng)仿真計(jì)算校核后，計(jì)算合格。 見(jiàn)圖2。

圖2 拉拔口結(jié)構(gòu)電場(chǎng)仿真

經(jīng)過(guò)初期電場(chǎng)分析后，確定小口選型為拉拔口結(jié)構(gòu)，大口為插入式焊接結(jié)構(gòu)。

由于設(shè)備鑄造的工藝特性，對(duì)于復(fù)雜形狀的造型比較容易實(shí)現(xiàn)，鑄造支座與底部的封閉結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)緊湊布局，在降低高度從而降低運(yùn)輸費(fèi)用的同時(shí)保證了間隔間距可以做到最小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)縮短內(nèi)部導(dǎo)體長(zhǎng)度的目的；但是鑄造工藝也有諸多不可控因素，所以標(biāo)準(zhǔn)要求做5 倍設(shè)計(jì)壓力的爆破試驗(yàn)，相比于焊接結(jié)構(gòu)的3 倍設(shè)計(jì)壓力，鑄造殼體需要更大的厚度才能滿足強(qiáng)度要求，且由于鑄造材料延伸率很低，出現(xiàn)缺陷將直接導(dǎo)致殼體報(bào)廢甚至出現(xiàn)更加嚴(yán)重的安全隱患。 焊接結(jié)構(gòu)相比于鑄造材料，單位面積出現(xiàn)缺陷的比例相對(duì)低很多，出現(xiàn)過(guò)載時(shí)，塑性材料會(huì)通過(guò)變形吸能而不至于導(dǎo)致嚴(yán)重事故；鑄造支座，底蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都要通過(guò)焊接耳式座，板壓曲面封頭的形式予以實(shí)現(xiàn)，從受力角度、球形封頭、橢圓封頭進(jìn)行改進(jìn)固然比較好，但是將大大增加設(shè)備整體高度，其增加的運(yùn)輸費(fèi)用甚至超過(guò)鑄改焊節(jié)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(shè)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(chǎng)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(yùn)費(fèi)需求，耳式支座支撐，滿足降高需求。

2 有限元強(qiáng)度分析

根據(jù)上面的電場(chǎng)分析以及結(jié)構(gòu)限制分析，對(duì)確定的殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，以確認(rèn)爆破試驗(yàn)時(shí)的殼體強(qiáng)度、接管外載、封蓋與緊固件強(qiáng)度、底部支撐穩(wěn)定性、法蘭密封性是否滿足各項(xiàng)要求。

2.1 爆破試驗(yàn)

2.1.1 爆破試驗(yàn)仿真模型

應(yīng)用有限元計(jì)算軟件ANSYS，建立與爆破試驗(yàn)一致的模型，殼體上每個(gè)開(kāi)孔配備水壓盲板以及高強(qiáng)度螺栓螺母。 在耳座上施加位移約束，所有螺栓施加預(yù)緊力以模擬校核試壓工況時(shí)的泄露情況，設(shè)備內(nèi)表面施加3 倍設(shè)計(jì)壓力[3]。 見(jiàn)表2。

表2 有限元模型與加載

2.1.2 爆破試驗(yàn)仿真結(jié)果

上述優(yōu)化過(guò)程只保留了最關(guān)鍵的三步，其余微調(diào)不再贅述，針對(duì)上述三步優(yōu)化方案對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3 所列。

表3 有限元仿真結(jié)果

2.2 接管載荷

2.2.1 接管載荷仿真模型

由于各個(gè)接管外部需連接電流互感器、三位置開(kāi)關(guān)、母線等模塊，重量較大，其對(duì)設(shè)備本體的強(qiáng)度影響不能忽略，為此基于大量實(shí)驗(yàn)積累，對(duì)每個(gè)接口都給出了固定的常規(guī)載荷與極限要求載荷，建立如下模型對(duì)其進(jìn)行核算，見(jiàn)圖3。

圖3 接管載荷模型

設(shè)備內(nèi)部施加內(nèi)壓等于設(shè)計(jì)壓力X，耳座底部施加固定約束，在每個(gè)接管上增加虛擬長(zhǎng)接管，并在遠(yuǎn)端施加不同方向的力，進(jìn)而驗(yàn)證在外力作用下設(shè)備的強(qiáng)度；由于前期接管不帶筋板時(shí)局部應(yīng)力過(guò)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(yuǎn)端力對(duì)設(shè)備本體的影響，計(jì)算顯示受力狀況有很大改善，強(qiáng)度合格，但是此方式會(huì)導(dǎo)致設(shè)備選型以及安裝困難，部分功能難以實(shí)現(xiàn)，故最終以接管加筋板的形式緩解接管載荷對(duì)接管根部的影響。

2.2.2 接管載荷仿真結(jié)果

此方案計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4，校核本體強(qiáng)度，反算結(jié)果顯示，其最大允許載荷為50 kN·m，小于要求的60 kN·m，此時(shí)筋板與法蘭連接位置應(yīng)力最大，根據(jù)此處材料以及焊接結(jié)構(gòu)等特性，基于FKM guideline核算最大應(yīng)力位置的材料利用率不超過(guò)1[5]，在安全范圍之內(nèi)。

圖4 接管載荷有限元結(jié)果

3 檢驗(yàn)與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)備在尺寸檢驗(yàn)合格后要驗(yàn)證其爆破/泄漏性能；作為研發(fā)首樣，需驗(yàn)證接管載荷下的受力大小以及失效位置與有限元計(jì)算的相符性，驗(yàn)證不同位置不同材料的母材(板材，鍛件)，熱影響區(qū)以及焊縫性能，具體試驗(yàn)步驟與結(jié)果如下。

3.1 爆破試驗(yàn)

供應(yīng)商對(duì)原材料、焊接試樣力學(xué)性能、設(shè)備尺寸、焊縫質(zhì)量實(shí)時(shí)成像射線檢測(cè)等進(jìn)行自檢并確保符合要求；設(shè)備在本廠進(jìn)行爆破試驗(yàn)，爆破試驗(yàn)要求焊接壓力從容器需達(dá)到3 倍設(shè)計(jì)壓力(＋1.2 MPa)，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)設(shè)備從一個(gè)法蘭位置開(kāi)始泄露，打壓終止，遠(yuǎn)大于要求值，爆破試驗(yàn)合格。

3.2 接管載荷試驗(yàn)

按照有限元計(jì)算方法搭建完全一致的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并在重要關(guān)注位置放置應(yīng)力應(yīng)變片與激光測(cè)距儀來(lái)檢測(cè)變形，見(jiàn)圖5。 在接管載荷加至90 kN·m 時(shí)，筋板斷裂，除此之外無(wú)失效，其接管承載遠(yuǎn)大于要求值，滿足使用要求，與有限元計(jì)算預(yù)測(cè)失效位置一致，但數(shù)值相差較大，計(jì)算方法有待進(jìn)一步優(yōu)化。

圖5 接管載荷試驗(yàn)

3.3 力學(xué)試驗(yàn)

除筒體本體母材外，分別對(duì)焊縫、熱影響區(qū)、法蘭材質(zhì)、球冠封頭與筒體連接焊縫位置進(jìn)行切割取樣，復(fù)驗(yàn)材料的力學(xué)性能，材料抗拉強(qiáng)度與屈服都遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值。

經(jīng)爆破試驗(yàn)和接管載荷試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)備強(qiáng)度滿足要求，經(jīng)力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)可知，焊接熱影響區(qū)材料性能有所下降，但仍大于材料標(biāo)準(zhǔn)值，焊接過(guò)程控制良好，設(shè)備最終判定為合格。

4 結(jié) 論

文中對(duì)焊接鋁合金壓力容器的鑄改焊降本優(yōu)化過(guò)程以及后期檢驗(yàn)等做了簡(jiǎn)要的分析，其中只保留了設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵幾步，通過(guò)上述分析得出如下結(jié)論。

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

(2) 過(guò)量安全系數(shù)的疊加將導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算出現(xiàn)很大的偏離，要綜合評(píng)估，合理取值，做到安全與經(jīng)濟(jì)的平衡。

(3) 焊接殼體拔口結(jié)構(gòu)在一定程度上可通過(guò)拔口變薄位置的變形釋放部分局部應(yīng)力，進(jìn)而降低局部應(yīng)力峰值水平。

(4) 相比鑄造容器，焊接結(jié)構(gòu)在復(fù)雜曲面成型方面不如鑄造，但是其在內(nèi)表面質(zhì)量以及工藝可控性方面優(yōu)于鑄造工藝。

(5) 焊接結(jié)構(gòu)由于其靈活性，可以在不增加甚至降低成本的基礎(chǔ)上基于不同的開(kāi)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(lèi)型相對(duì)不如焊接結(jié)構(gòu)靈活。

(6) 設(shè)備密封性能的仿真要基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，針對(duì)不同密封面形式，不同墊片材質(zhì)確定合理的密封面變形間隙，才能以此作為判據(jù)預(yù)測(cè)指導(dǎo)新設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

(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(zhì)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(yōu)點(diǎn)還是值得推薦的。

此焊接壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)于設(shè)計(jì)研發(fā)人員系統(tǒng)考慮設(shè)計(jì)安全裕度，注重焊接過(guò)程檢驗(yàn)與控制以及按爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)高壓電器用壓力容器都有重要的參考價(jià)值。