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        特高壓輸電線路拉線塔拉線- 金具系統(tǒng)的風(fēng)載荷計算及疲勞特性分析

        2023-09-21 08:17:22黃青松王曉兵王東陽孫俊龍
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年22期
        關(guān)鍵詞:雨流計數(shù)法金具

        黃青松,王曉兵,王東陽,孫俊龍

        (1.平高集團(tuán)有限公司,河南 平頂山;2.河南省建設(shè)科技和人才發(fā)展中心,河南 鄭州)

        拉線塔具有柱身斷面小、施工周期短、穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)勢,在高壓和特高壓輸電線路中被廣泛應(yīng)用。隨著拉線塔使用年限的增加,由于材料自身老化以及多次重復(fù)荷載作用的影響,材料的屈服極限降低,容易出現(xiàn)疲勞破壞,嚴(yán)重時還有可能導(dǎo)致拉線塔的倒塌。其中,拉線塔上的拉線- 金具系統(tǒng)由于受力特殊,是疲勞分析的重點對象。分析拉線- 金具系統(tǒng)的疲勞特性,能夠為今后特高壓輸電線路拉線塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與日常維護(hù)提供參考,對保障特高壓輸電線路安全有一定幫助。

        1 拉線- 金具系統(tǒng)的風(fēng)載荷計算

        位于野外空曠地帶的拉線塔,在風(fēng)力作用下會產(chǎn)生風(fēng)振疲勞損傷,并且風(fēng)速的大小與疲勞損傷的程度密切相關(guān)。在三維空間中,各個方向上風(fēng)的出現(xiàn)頻率和強(qiáng)度均表現(xiàn)出明顯差異;在低風(fēng)速時,風(fēng)速方向的分布較為離散。為了更加準(zhǔn)確地描述風(fēng)載荷對拉線-金具系統(tǒng)的影響,本文運(yùn)用概率密度函數(shù)描述風(fēng)的特征,該函數(shù)可表示為:

        式中,P、Q 為描述任意方向上不同大小風(fēng)速出現(xiàn)概率的可變參數(shù),v 表示平均風(fēng)速。各個方向上的P 值、Q值以及出現(xiàn)風(fēng)的百分比如表1 所示。

        表1 風(fēng)在各個方向上的出現(xiàn)頻率

        將表1 中的P 值、Q 值代入到式(1)中,可以求得任意方向上風(fēng)速的分布概率。這里以240°方向為例,各個風(fēng)速的分布概率如圖1 所示。

        圖1 某地240°方向上各平均風(fēng)的概率分布

        結(jié)合圖1 可知,該地區(qū)240°方向上,分布概率最高的風(fēng)速為4 m/s;其中,10 m/s 以上的高風(fēng)速分布概率僅為0.093,占比不足10%,說明該地區(qū)大風(fēng)出現(xiàn)概率較低。

        2 疲勞破壞區(qū)應(yīng)力幅統(tǒng)計

        2.1 單柱拉線塔的模型構(gòu)建

        結(jié)合以往的拉線塔維修經(jīng)驗以及查閱相關(guān)資料,可以得出“拉線- 金具系統(tǒng)疲勞斷裂主要分布在應(yīng)力集中區(qū)”的結(jié)論。在特高壓輸電線路的拉線- 金具系統(tǒng)中,金具通過液壓壓接的方式將拉線與拉線塔連接起來。為了保證兩者連接牢固,需要在壓接管口位置施加一個較大的作用力,由此產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。在拉線- 金具系統(tǒng)的疲勞特性分析中,將金具與拉線接觸的壓接管口位置作為疲勞破壞區(qū)進(jìn)行重點分析[1]。

        本文參照某地800KV 直流輸電線路中的單柱拉線塔,使用ANSYS 軟件構(gòu)建了拉線塔仿真模型,導(dǎo)線型號為JL/G3A-1000/45,截面積1 036 mm2;地線型號為LBGJ-150-20AC,截面積為150 m2,參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

        表2 單柱拉線塔工程條件

        仿真模型搭建完成后,在拉線塔上施加一個初始預(yù)應(yīng)力,隨后改變風(fēng)載荷條件,模擬拉線塔在不同風(fēng)向、不同風(fēng)速下的風(fēng)振響應(yīng),并繪制10 min 內(nèi)拉線軸向應(yīng)力時程曲線。從該曲線中,提取出疲勞破壞區(qū)的應(yīng)力時程曲線,利用“雨流計數(shù)法”求出拉線- 金具系統(tǒng)疲勞區(qū)的應(yīng)力幅。

        2.2 拉線- 金具疲勞區(qū)應(yīng)力幅的統(tǒng)計方法

        目前計算拉線- 金具系統(tǒng)的累計疲勞損失,常用的做法是將應(yīng)力幅的幅值進(jìn)行細(xì)分,分別計算出每個部分應(yīng)力幅值的出現(xiàn)次數(shù),最后求和。在幅值統(tǒng)計過程中,需要運(yùn)用到循環(huán)計數(shù)法、雨流計數(shù)法等方法。本文選用“雨流計數(shù)法”,其原理是將“應(yīng)力- 時間歷程”數(shù)據(jù)記錄旋轉(zhuǎn)90°,使時間坐標(biāo)軸垂直線下,讓應(yīng)力值像雨水一樣自上而下流動。具體實現(xiàn)過程為:

        步驟1:將“應(yīng)力- 時間歷程”曲線以順時針方向轉(zhuǎn)動90°,規(guī)定垂直向下的軸線為時間軸,水平向右的軸線為應(yīng)力軸。

        步驟2:任意選定一個峰值或谷值開始計數(shù)。假設(shè)從峰值開始計數(shù),如果一個從峰值開始的流動到達(dá)臨近谷值時,判斷下一個峰值與開始峰值的大小。如果下一個峰值較大,則流動停止;反之,如果下一個峰值較小,則繼續(xù)流動。

        步驟3:流動結(jié)束后,流動軌跡在應(yīng)力軸上的投影長度,即為該半循環(huán)的幅值[2]。

        使用雨流計數(shù)法,統(tǒng)計10 min 內(nèi)沿120°方向平均風(fēng)速為10 m/s 時,各應(yīng)力水平結(jié)構(gòu)實際循環(huán)次數(shù)百分比,結(jié)果表明:應(yīng)力幅為1 MPa 的循環(huán)次數(shù)百分比最高,達(dá)到了44.7%;隨著應(yīng)力幅的增加,循環(huán)次數(shù)百分比逐步下降,在應(yīng)力幅超過10 MPa 后,循環(huán)次數(shù)百分比降低至1%以下。

        2.3 拉線- 金具疲勞區(qū)應(yīng)力幅的計算結(jié)果

        現(xiàn)有的研究表明,在應(yīng)力循環(huán)方式不同的情況下,只要保證應(yīng)力幅一致,那么應(yīng)力對構(gòu)件及其連接件的疲勞效應(yīng)是相同的。由此可見,要想延長拉線-金具系統(tǒng)的疲勞壽命,必須要將應(yīng)力幅作為重點研究對象。參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2017)中的有關(guān)規(guī)定,對于焊接結(jié)構(gòu),若應(yīng)力幅為常量時,可采取下式進(jìn)行疲勞計算:

        式中,Δρ 表示應(yīng)力幅。對于焊接結(jié)構(gòu),取應(yīng)力循環(huán)中最大拉應(yīng)力與最小拉應(yīng)力之差;[Δρ] 表示常幅疲勞的容許應(yīng)力幅,可通過下式求得:

        式(3)中,n 表示應(yīng)力循環(huán)次數(shù);k 和λ 為系數(shù),由拉線- 金具系統(tǒng)中構(gòu)件和連接類別決定,具體取值見表3。

        表3 系數(shù)k 和λ 的取值表

        參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2017)中的有關(guān)規(guī)定構(gòu)件和連接類別總計8 種,以字母A~H 表示[3]。經(jīng)過對比,本文研究的拉線- 金具系統(tǒng)與第7 種構(gòu)件和連接類別(即表3 中G 欄)最為接近,因此在計算中k 值為0.7×1012,λ 值為4。將數(shù)據(jù)帶入式(3)后可以求得常應(yīng)力幅下的“應(yīng)力幅- 循環(huán)次數(shù)(S-N)”曲線,如圖2 所示。

        圖2 材料S-N 曲線

        上文討論了應(yīng)力幅為常量情況下拉線- 金具系統(tǒng)的疲勞計算方法。而實際中,由于材料自身特性、外界風(fēng)力變化等多種因素的影響,應(yīng)力幅通常為變量(變幅疲勞)。對于變幅疲勞情況,可采用線性累積損傷公式求解拉線- 金具系統(tǒng)的疲勞,計算公式為:

        式(4)中,Δi表示應(yīng)力幅為Δρi破壞時對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為ni時的累積損傷;Ni表示應(yīng)力幅為Δρi,并且出現(xiàn)疲勞破壞時對應(yīng)的循環(huán)次數(shù),即疲勞壽命。將式(3)代入到式(4)中,可以得到:

        當(dāng)Δ 為1 時,結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。

        3 拉線- 金具結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測

        由于風(fēng)載荷的隨機(jī)性,拉線塔結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也表現(xiàn)出隨機(jī)特點。為了準(zhǔn)確估算出變幅應(yīng)力下拉線塔拉線- 金具結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,可使用Miner 線性累積疲勞損傷理論進(jìn)行計算[4]。公式為:

        式(6)中,任意選擇3 組點(假設(shè)為n1N1、n2N2、n3N3),以N 為橫坐標(biāo),以n 為縱坐標(biāo),在平面坐標(biāo)系上標(biāo)記出3個點的位置,然后用直線將3 個點連接起來,即可得到“S-N”曲線,如圖3 所示。

        圖3 Miner 理論示意圖

        由圖3 可知,在該坐標(biāo)系中,任意一個應(yīng)力水平Δρi,對應(yīng)的破壞循環(huán)次數(shù)為Ni,則Ni的表達(dá)式為:

        式中,ΔρF表示變幅疲勞極限應(yīng)力幅,NF表示對應(yīng)ΔρF的循環(huán)次數(shù),λ 表示傾斜度。為了便于分析,本文通過一個等效的應(yīng)力水平與破壞循環(huán)次數(shù),代替原來多種應(yīng)力水平下的實際循環(huán)次數(shù)[5]。則等效破壞循環(huán)次數(shù)(Ne)可表示為:

        計算后式(9)左側(cè)為9.03×1010,Sum 為0.14。令Ne取107,將各項數(shù)據(jù)帶入式(9)后,求得Δρe的值為40.12 N/mm2。在此基礎(chǔ)上,利用上文給出的式(3),計算構(gòu)件疲勞破壞循環(huán)次數(shù)。將式(3)兩邊進(jìn)行對數(shù)處理,計算公式變?yōu)椋?/p>

        求得lgn=7,相應(yīng)的n=107,即構(gòu)件疲勞循環(huán)次數(shù)(疲勞壽命)為107次。

        在估算出拉線塔拉線- 金具系統(tǒng)的使用壽命后,能夠為后續(xù)的檢修維護(hù)工作提供參考。工作人員可以在拉線- 金具系統(tǒng)即將達(dá)到疲勞壽命時,對其進(jìn)行更換,從而保證了拉線塔拉線- 金具系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,對保證特高壓輸電線路的運(yùn)行安全起到了積極幫助。

        4 結(jié)論

        在特高壓輸電線路中,相比于常見的自立塔,拉線塔表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、受力性能好等優(yōu)勢,尤其是在地形復(fù)雜的山區(qū)有著廣泛使用。拉線塔的拉線- 金具系統(tǒng)在長期受到風(fēng)載荷的影響后,容易出現(xiàn)不同程度的疲勞損壞,如果不能及時處理可能會出現(xiàn)拉線斷裂等問題,不僅影響特高壓輸電線路的正常供電,而且還會帶來嚴(yán)重的安全隱患。采用雨流計數(shù)法求得疲勞破壞區(qū)應(yīng)力幅循環(huán)次數(shù),在此基礎(chǔ)上基于Miner 線性累積疲勞損傷理論,估算出拉線- 金具系統(tǒng)的疲勞壽命,讓拉線塔拉線- 金具系統(tǒng)的疲勞損傷情況得以量化表示,為檢修維護(hù)工作的開展提供了依據(jù),切實保證了拉線塔的結(jié)構(gòu)安全。

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