电网铁附件断裂失效分析及有限元模拟优化研究

发布时间：2020-07-25 16:44

【摘要】：随着我国电力生产总量和消费总量的不断增加,对输送电网的工作稳定性提出了更高的要求。电力拉线抱箍作为输送电网最主要的附件,其稳定性是整个电网安全的关键因素。本文针对西部寒冷地区抱箍断裂失效现象,在同一批次抱箍中选择样本作为研究对象,开展了断口形貌分析、化学成分分析、金相组织分析、常温拉伸试验、硬度试验、冲击试验、弯曲(常温和低温)试验及原位拉伸等试验,初步探明了在西北特殊工况下抱箍断裂失效的原因;同时对电网拉线抱箍进行了有限元分析,并提出了两种抱箍结构的优化措施;最后对结构优化后的抱箍进行了对比分析。研究结果可为电力拉线抱箍设计和生产提供一定的理论参考,并对电力拉线抱箍的安全服役提供一定的理论指导,本文主要研究工作如下:(1)选择某西部电网中发生失效的批次的抱箍作为研究对象,对其就行了外观尺寸、断口形貌、化学成分及金相组织分析,同时进行了拉伸试验、硬度试验、冲击试验、弯曲试验及原位拉伸等试验。抱箍在外形尺寸上均符合相关标准要求,但断面裂纹周边出现较多的微孔,这些微孔破坏了抱箍组织(主要由珠光体和铁素体构成)的连续性,增加了抱箍脆断的可能性。此外,断裂过程中产生二次裂纹,可确定断口为脆断特征。化学成分分析表明,部分抱箍试样中C、P和S元素超标,这些元素会使材料内部产生偏析和缩孔,进一步表明断裂为脆性断裂。常温拉伸试验结果表明抱箍的抗拉强度和屈服强度均优于Q235D钢的指标,但其断面收缩率和断面伸长率变化剧烈,极值相差较大,个别试样的断后伸长率低于标准要求。与此同时,抱箍存在镀锌层漏斑及表面腐蚀的情况,且材料的化学成分及在加工处理过程中带有一定的缺陷,这些都进一步促使材料发生断裂。硬度试验表明抱箍的硬度符合Q235D材质要求。抱箍冲击试验表明,零上20度常温冲击试验部分试样不合格,零度冲击试验大部分试样不合格,零下20度低温冲击试验全部不合格,主要因为该批次材料中含有较多的孔洞和偏析。在弯曲试验中,常温环境下抱箍性能满足Q235材质要求。而低温环境中镀锌层产生了开裂,抱箍不符合使用要求。最后对抱箍试样进行了原位拉伸试验,发现微裂纹首先发生在片层状的珠光体中,随着载荷的逐渐增加,珠光体中优先产生的微孔依次连接成一片,在持续受载过程中发生断裂。抱箍在室温下进行制弯操作时改变了材料内部晶粒排列及结构,对抱箍表面硬化起到一定作用,同时导致抱箍在服役过程中吸收功减少,说明抱箍在生产过程中的制弯工艺还需进一步改进。(2)对服役期抱箍进行了有限元静力学及高周疲劳仿真分析结果表明,在静载荷作用下,最大应力、应变值分布在抱箍耳部的螺孔和折弯部位,圆弧面上相对较小;螺孔处最大应力是76MPa,最大应变值为0.0033mm,折弯处最大应力为32MPa,最大应变为0.0001mm;主要形变区域分布在圆弧弯曲部位和折弯部位,圆弧弯曲部位最大形变量为0.015mm,折弯部位最大形变量为0.012mm。疲劳分析可知,抱箍在设计寿命10~6次循环载荷加载情况下完全满足设计使用寿命要求。但螺孔处和折弯处安全系数较其他部位低,为易损位置,需进一步增加该区域强度。(3)提出了两种抱箍结构优化措施及加强筋型抱箍和表面强化型抱箍。对优化后的抱箍结构进行了有限元仿真对比分析,两种优化的抱箍结构的应力、应变主要分布区域与现役常规抱箍相同,但通过数据对比发现,加强筋型抱箍和表面强化型抱箍表面的最大应力和应变值都小于现役常规抱箍。因此结构优化后的两种抱箍模型强度更高,抗变形能力更强。通过形变量分析,发现结构优化后的两种抱箍在折弯处(易断部位)和圆弧中段的形变量整体小于现役常规抱箍,高周疲劳分析表明优化后的两种抱箍结构可有效提高安全系数。对于加强筋型抱箍,加载载荷后疲劳破坏从折弯处表面向加强筋转移,从而通过加强筋有效保护抱箍的工作部位。而对于表面强化型抱箍,通过表面滚压硬化处理,增加了材料有效表面积及表面硬化层,可使折弯处抵抗疲劳破坏能力进一步提高,较现役常规抱箍具有更高的强度与疲劳寿命。此外,在循环载荷加载作用下加强筋型抱箍和表面强化型抱箍循环使用次数都能达到设计寿命10~6次。因此,对抱箍进行机械结构优化和表面形变硬化处理后都有助于提高抱箍强度和抗疲劳能力,改进后的抱箍对外载荷有较强抵抗力,可有效降低抱箍受力形变。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM73;TB115
【图文】：

电力生产

输及国防科研，以至人们日常的生活，每时每刻都与电力息息相关，人类文明的向前发展对电力的依赖性变得越来越强。“十二五”期间，我国以风电、水电、核电及太阳能的多种新能源相结合的发电方式发展迅猛，这为我国探索未来能源转型发展提供了有力保障。截至 2016年，全国风电全年新增装机 1930 万 kW，累计并网装机容量达到 1.49 亿 kW，占全部发电量的 4%[1]，风电装机规模已达到全球第一水平。我国常规水电装机容量超过 3 亿 kW，发电量 1.18 万亿 kW·h，占可再生能源发电量的 76%[2]。截止 2015 年 11 月，我国核电装机容量 2535 万 kW，占电力总装机容量的1.75%。2015 年 1～11 月发电量 1549 亿 kW·h，同比增长 29.8%，占全国发电总量的 3.02%。可以看出未来核电发展空间巨大[3]。2017 年我国新增光伏装机容量 5300 万 kW，同比增长 50%以上，连续 5 年创新高。光伏发电量首超 1000 亿 kW·h，达到 1182 亿 kW·h 以上，同比增长超过 70%，光伏发电量占全部发电量的比重由 2016 年的 1.1%提高到 1.8%[4]。此外，从国家统计局网站查询获悉[5]，在 2012 年至 2017 年间，我国电力生产总量和电力能源消费总量逐年增加，如图 1.1 和图 1.2 所示。

电力能源,消费总量

抱箍,拉线,地锚

业的稳定长远发展。所以，确保电力安全生产、是每一个参与者义不容辞的责任。因此，电力安。是电力线路输变电用构件的总称，大多以非标准中各类装置，起到承载机械负荷及防护作用的金工作是保障电力安全输送的重要部分，是电力输件的作用线路中，一条拉线从上端电杆开始，有拉线抱箍线、UT 型线夹、地锚拉杆、地锚拉环及地锚拉地锚拉杆和拉线抱箍等属于铁附件[8]。本文主要研究对象，其实物如图 1.3 所示。抱箍属于紧固准。其主要作用是用一种材料抱住或箍住另外一作用是固定电线。

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