CN106442925A - 一种特高压电网含缺陷gis壳体的寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特高压电网含缺陷GIS壳体的寿命估计方法。目前对含缺陷的GIS壳体的安全性和寿命评估还缺乏专门的方法。本发明包括特高压GIS壳体结构数据获取、特高压GIS壳体缺陷特征获取、特高压GIS壳体缺陷扩展极限确定、特高压GIS壳体材料及焊缝性能获取、特高压GIS壳体疲劳裂纹扩展模型建立、监测提取特高压GIS壳体工况特征参数和特高压GIS壳体疲劳循环次数计算。本发明综合考虑了特高压GIS壳体结构、缺陷、材料性能和交变工况载荷，从中获取缺陷现状和极限尺寸、载荷交变特征和裂纹扩展性能，进而可以较准确的估算特高压GIS壳体疲劳寿命。

Description

一种特高压电网含缺陷GIS壳体的寿命评估方法

技术领域

本发明涉及气体绝缘金属封闭开关设备领域，具体地说是一种特高压电网含缺陷GIS壳体的寿命评估方法。

背景技术

建设和发展特高压电网是优化能源布局，保障能源战略安全的基本策略和规划。气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)是电力行业中的开关设备，具有体积小、占地空间少、日常检修维护工作量小、故障发生频率低等优点，在城市高压和超高压电网系统中广泛使用。GIS在生产和现场安装中可能存在缺陷，一旦发生事故，影响范围广，修复时间长，对供电系统影响大。特高压GIS壳体即为开关设备的外壳，随着其应用越来越广泛，GIS壳体的安全问题也将成为特高压技术的重要工作之一。GIS壳体属于大跨度多支撑焊接承压设备，制造和使用过程中可能会产生部分缺陷，对含缺陷的GIS壳体的安全性和寿命评估还缺乏专门的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有特高压GIS壳体缺陷在使用过程中承受交变载荷作用下疲劳扩展寿命的估算问题，提供一种综合考虑特高压GIS壳体结构、缺陷检测，壳体材料和疲劳裂纹扩展性能以及壳体工况载荷特征的特高压GIS壳体寿命评估方法。

为此，本发明采用的技术方案是：一种特高压GIS壳体寿命评估方法，其包括特高压GIS壳体结构数据获取、特高压GIS壳体缺陷特征获取、特高压GIS壳体缺陷扩展极限确定、特高压GIS壳体材料及焊缝性能获取、特高压GIS壳体疲劳裂纹扩展模型建立、监测提取特高压GIS壳体工况特征参数和特高压GIS壳体疲劳循环次数计算。

进一步地，所述的特高压GIS壳体结构数据获取是指：通过现场检测获得壳体结构尺寸，包括直径、壁厚、长度、开孔、法兰、支撑位置等参数。

进一步地，所述的特高压GIS壳体缺陷特征获取是指：通过无损检测方法测得缺陷尺寸参数，利用最大包络法对缺陷进行规则简化。缺陷尺寸参数包括缺陷所在的位置，缺陷距离表面深度、缺陷自身高度、缺陷长度以及缺陷类型等特征，缺陷可能为不规则形状，需对实际缺陷形状进行规则简化，一般以最大包络法将原缺陷在径向和轴向方向简化为椭圆形缺陷，分别以椭圆长短轴长度作为缺陷的评定特征参数。

进一步地，所述的特高压GIS壳体缺陷扩展极限确定是指：利用板壳强度理论和断裂力学理论，联合计算缺陷容许的不断裂和泄漏最大尺寸。即主要是通过强度计算最小壁厚，断裂强度计算最大裂纹深度，从而确定壳体不发生失稳断裂和不出现泄漏的最大裂纹尺寸。

进一步地，所述的特高压GIS壳体材料及焊缝性能获取是指：利用与GIS壳体相同材料和焊接工艺制作的焊接试板，分别进行拉伸、断裂和疲劳裂纹扩展试验获得相应材料和焊缝性能。即主要是通过对壳体材料和焊缝进行恒幅载荷下的疲劳裂纹扩展试验，将循环数和裂纹长度数据点按7点增量最小二乘法拟合获得其在不同循环驱动力下的疲劳裂纹扩展速率。

进一步地，特高压GIS壳体疲劳裂纹扩展模型建立是指：根据疲劳裂纹扩展速率试验的结果，利用数学归纳和曲线拟合方法建立GIS壳体材料和焊缝的疲劳裂纹扩展驱动力与壳体疲劳裂纹扩展速率模型关系式；模型关系式采用Paris公式，两段Paris公式或双曲线型式，关系式拟合中相关系数取0.95以上。

进一步地，所述的监测提取特高压GIS壳体工况特征参数是指：通过对壳体使用过程中压力、温度和变形的监测，获得其变化规律，将各种载荷的变化规律应用力学和断裂力学理论，或借助有限元方法，转换计算成疲劳裂纹扩展驱动力的特征参数，如疲劳裂纹扩展驱动力交变平均值、交变幅度和交变频率等。

进一步地，所述的特高压GIS壳体疲劳循环次数计算是指：利用上述建立的壳体疲劳裂纹扩展速率模型关系式，将疲劳裂纹扩展驱动力参数代入关系式，计算驱动力每循环一次裂纹扩展量和裂纹长度，依次循环迭代，累加迭代次数，直到裂纹扩展到上述确定的极限裂纹长度，总计迭代的次数即为特高压GIS壳体的疲劳寿命。

进一步地，在特高压GIS壳体寿命评估过程中，在材料性能、缺陷尺寸、载荷工况参数计算时取保守值和1.1-1.5的安全系数，评定寿命取至少5.0的安全系数。

本发明具有的有益效果如下：本发明综合考虑了特高压GIS壳体结构、缺陷、材料性能和交变工况载荷，从中获取缺陷现状和极限尺寸、载荷交变特征和裂纹扩展性能，进而可以较准确的估算特高压GIS壳体疲劳寿命。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

首先对需评估特高压GIS壳体结构进行调研与测试，第一步从壳体的设计图纸和制造工艺文件入手，获得壳体结构尺寸，如直径、壁厚和接管开孔、支撑位置等基本信息。第二步从现场对壳体进行检测，特别对直径和壁厚进行复验。其次从现场对GIS壳体进行无损检测，检测手段包括超声波无损检测、超声TOFD检测等，获取GIS壳体内缺陷特征尺寸，包括缺陷所在位置、缺陷距表面深度、缺陷自身高度和缺陷长度、以及缺陷类型等特征参数。以最大包络法将缺陷进行规则化，将缺陷沿径向和轴向简化为包络的椭圆形，以椭圆长短轴作为缺陷特征参数进行评定。

另一方面，对特高压GIS壳体所用材料及其焊缝进行常规力学性能、断裂、疲劳性能测试，获得壳体材料和焊缝的拉伸强度、断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率。拉伸强度采用常温拉伸试验方法获得，断裂韧度采用满足平面应变要求的试样进行断裂试获得，裂纹扩展速度采用恒幅载荷疲劳裂纹扩展试验，裂纹扩展速率用载荷每循环一次裂纹扩展量来表示，利用7点增量最小二乘法获得不同循环驱动力下的裂纹扩展速率，裂纹扩展驱动力常用应力强度因子幅进行描述。对试验测得GIS壳体材料和焊缝的疲劳裂纹扩展速率与驱动力数据，利用数学归纳和曲线拟合方法，获得GIS壳体材料和焊缝的疲劳裂纹扩展模型及相应关系式。疲劳裂纹扩展模型关系式采用Paris公式、两段Paris公式或双曲线型式，关系式拟合过程中相关系数取0.95以上。

根据GIS壳体载荷条件、结构尺寸和材料拉伸性能、断裂韧度，按薄壳强度理论和断裂力学理论，计算壳体满足强度、断裂极限和泄漏的极限条件，从而计算出缺陷扩展的极限容许长度。

根据特高压GIS壳体的运行工况参数监测历史数据，包括壳体内压、温度和变形等，提取GIS壳体载荷的变化规律，如所受载荷均值、幅值和变化频率等特征参数。利用监测获取的各类载荷变化，利用断裂力学理论或借助有限元方法，计算由于工况载荷变化引起缺陷部位裂纹扩展驱动力(应力强度因子)变化幅度。

然后，将特高压GIS壳体实际工作中因载荷变化引起的裂纹扩展驱动力(应力强度因子幅)代入壳体材料的疲劳裂纹扩展模型关系式，计算该次循环的裂纹扩展量，获得扩展后缺陷长度并与缺陷极限容许长度进行对比，没达到极限值，则循环次数加1，重新计算新缺陷长度下的裂纹扩展驱动力，再利用疲劳裂纹扩展模型关系式计算下一次循环的缺陷扩展长度，依此迭代直到缺陷扩展达到容许极限长度，则此时的迭代次数(循环次数)减1即为该特高压GIS壳体所评估缺陷的疲劳寿命。

在特高压GIS壳体寿命评估中，为了获得较安全的结果，评估过程中在材料性能、缺陷尺寸、载荷工况参数应取保守值和1.1-1.5的安全系数，评定寿命应取至少5.0的安全系数。

应用例

将本发明的评估方法应用于浙北站特高压GIS壳体的寿命评估，具体评估过程如下：

1、对该特高压GIS壳体结构进行了调研和相关测试，获得该壳体右侧竖直筒体名义尺寸Φ1460×25mm，左侧水平筒体名义尺寸Φ1032×16mm。GIS母线壳体左右两侧工作压力均为0.52MPa，从长期监测数据分析，知该壳体内压稳定，不受电力负荷变化影响。

2、现场对GIS壳体进行无损检测，进行了超声波测厚、超声TOFD检测等。检测发现右侧竖筒最小厚度为24.69mm，最大厚度为25.67mm；左侧水平筒最小厚度为15.52mm，最大厚度为16.14mm。检测确定了左侧筒体的缺陷尺寸：缺陷高度h＝3.6mm，缺陷长度l＝54mm，壳体厚度B＝15.52mm，缺陷离壳体表面最小距离P₁＝4.32mm，距壳体另一表面P₂＝7.6mm。该缺陷按包络原则，并取安全系数1.1，规则化缺陷为P₁＝4.14mm，h＝2a＝3.96mm，l＝2c＝59.4mm的埋藏椭圆形缺陷，a和c分别为规则化椭圆缺陷的短、长半轴。

3、对特高压GIS壳体所用材料及其焊缝进行了常规力学、断裂、疲劳性能测试，分别获得了壳体材料和焊缝的拉伸强度、断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率。评估中取测试获得的最低性能参数。此壳体评估中采用的材料屈服强度141MPa,断裂韧度疲劳裂纹扩展速率用Paris公式表示为：da/dN＝2.0×10^-14(ΔK)^4.04，式中：疲劳裂纹扩展速率da/dN的单位为mm/cycle；应力强度因子幅ΔK的单位为对裂纹扩展速率取安全系数5，评估速率为：da/dN＝1.0×10^-13(ΔK)^4.04。则获得裂纹尺寸逐个循环计算公式：

a_i＝a_i-1+1.0×10^-13((ΔK_a)_i-1)^4.04i＝1,2,...,n (1)。

4、根据埋藏裂纹疲劳扩展最终尺寸不发生泄漏极限条件：

且

从而确定该缺陷疲劳扩展最终尺寸为a_f＝3.40mm。

5、根据该特高压壳体的运行工况参数监测数据分析，该壳体载荷波动主要是受日照辐射引起的，变化范围45MPa，取安全系数1.42，则评估时应力幅取为ΔP_m＝63.9MPa，弯曲应力ΔP_b＝0。根据断裂力学理论，缺陷短轴方向应力强度因子最大，裂纹扩展快，只需考虑缺陷深度方向，对于埋藏缺陷，裂纹深度方向应力强度因子幅计算式为：

式中：e为埋藏裂纹中心与板厚度中心的偏移量，B为板厚。

6、将初始缺陷a＝1.98mm，c＝29.7mm和ΔP_m＝63.9MPa，代入应力强度因子幅(2)以及裂纹长度迭代式(1)中，计算每次循环后裂纹长度，与容许极限长度比较，没达到极限值，则循环次数加1，重新计算迭代。最终计算出该缺陷如果按测试材料的扩展速率扩展，则循环次数约为6985次。按每天循环一次推算，该特高压GIS壳体该缺陷的疲劳寿命约为19年。该壳体运行过程中应重视监控缺陷的疲劳扩展状态，建议5年左右应再对该缺陷进行无损检测及评定。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明保护范围不应当被视为仅限于所陈述的具体形式，也及于本领域普通技术人员的简单更改和替换。

Claims (10)

1.一种特高压电网含缺陷GIS壳体的寿命评估方法，其包括特高压GIS壳体结构数据获取、特高压GIS壳体缺陷特征获取、特高压GIS壳体缺陷扩展极限确定、特高压GIS壳体材料及焊缝性能获取、特高压GIS壳体疲劳裂纹扩展模型建立、监测提取特高压GIS壳体工况特征参数和特高压GIS壳体疲劳循环次数计算。

2.根据权利要求1所述的寿命评估方法，其特征在于，所述的特高压GIS壳体结构数据获取是指：通过现场检测获得壳体结构尺寸。

3.根据权利要求1所述的寿命评估方法，其特征在于，所述的特高压GIS壳体缺陷特征获取是指：通过无损检测方法测得缺陷尺寸参数，利用最大包络法对缺陷进行规则简化。

4.根据权利要求1所述的寿命评估方法，其特征在于，所述的特高压GIS壳体缺陷扩展极限确定是指：利用板壳强度理论和断裂力学理论，联合计算缺陷容许的不断裂和泄漏最大尺寸。

5.根据权利要求1所述的寿命评估方法，其特征在于，所述的特高压GIS壳体材料及焊缝性能获取是指：利用与GIS壳体相同材料和焊接工艺制作的焊接试板，分别进行拉伸、断裂和疲劳裂纹扩展试验获得相应材料和焊缝性能。

6.根据利要求1所述的寿命评估方法，其特征在于，特高压GIS壳体疲劳裂纹扩展模型建立是指：根据疲劳裂纹扩展速率试验的结果，利用数学归纳和曲线拟合方法建立GIS壳体材料和焊缝的疲劳裂纹扩展驱动力与壳体疲劳裂纹扩展速率模型关系式。

7.根据利要求6所述的寿命评估方法，其特征在于，所述的模型关系式采用Paris公式、两段Paris公式或双曲线型式，关系式拟合过程中相关系数取0.95以上。

8.根据利要求6所述的寿命评估方法，其特征在于，所述的监测提取特高压GIS壳体工况特征参数是指：通过对壳体使用过程中压力、温度和变形的监测，获得其变化规律，将各种载荷的变化规律应用力学和断裂力学理论，或借助有限元方法，转换计算成疲劳裂纹扩展驱动力的特征参数。

9.根据利要求6所述的寿命评估方法，其特征在于，所述的特高压GIS壳体疲劳循环次数计算是指：利用上述建立的壳体疲劳裂纹扩展速率模型关系式，将疲劳裂纹扩展驱动力的参数代入关系式，计算驱动力每循环一次裂纹扩展量和裂纹长度，依次循环迭代，累加迭代次数，直到裂纹扩展到上述确定的极限裂纹长度，总计迭代的次数即为特高压GIS壳体的疲劳寿命。

10.根据利要求1所述的寿命评估方法，其特征在于，在特高压GIS壳体寿命评估过程中，在材料性能、缺陷尺寸、载荷工况参数计算时取保守值和1.1-1.5的安全系数，评定寿命取至少5.0的安全系数。