研究背景

输电线路钢管塔主材通常采用法兰连接，其具有承载能力强、传力机理明确、现场安装方便等优点。钢管塔法兰按照设计理念可分为两类：刚性法兰和柔性法兰。目前工程上常用的刚性法兰形式为加劲法兰，具有刚度大、变形小、焊接量大等特点；常用的柔性法兰形式为无加劲法兰，具有焊接量小、刚度小、变形略大、螺栓有附加应力等特点。带颈锻造法兰则兼具上述两种传统法兰的优势，具有刚度大、变形小等刚性法兰的特点，同时因颈部与法兰板一体锻造而具有焊接量小、安装效率高等柔性法兰的特点。

对于输电线路设计领域而言，带颈锻造法兰在日本的大跨越以及各电压等级钢管塔中已有较为成熟的应用，其设计理念为刚性设计。中国电力科学研究院吴静等首次针对特高压输电线路钢管塔提出了柔性带颈锻造法兰设计方法，并通过了不同规格的法兰节点轴拉承载力试验以及多基特高压等真型塔试验的检验，现已推广应用于国内特高压交直流及同塔多回等输电线路，10年来运行情况良好；考虑到法兰精细化设计，近年吴静等又提出了按不同承载力级别设计的柔性带颈锻造法兰分级设计方法，可达到设计精细、用量节约的目的。

主要研究内容

锡盟-胜利、山东环网等特高压交流输电线路工程基于减轻钢管塔用量、降低工程本体投资的目的，拟在设计中应用强度分级带颈锻造法兰。为了检验其安全性及合理性，本文设计了不同承载力级别的带颈锻造法兰节点试件，进行不同规格、不同承载力级别的法兰受拉试验及有限元分析，并开展法兰盘厚度、螺栓预紧力等参数对法兰节点受拉承载性能的影响研究。

图1 特高压钢管塔带颈锻造法兰受压试验装置

● 试验及仿真

基于柔性带颈法兰强度分级设计方法设计了4组法兰节点试件、共计12件。其中，第1、2组为轴心受拉试件；第3、4组为偏心受拉试件。带颈锻造法兰与圆钢管对接焊缝焊接，两个带颈锻造法兰之间用8.8级普通粗制螺栓连接。涉及的等管径及不同管径连接的钢管规格包括Φ219×6、Φ299×7、Φ377×8及Φ457×10；考虑到法兰的精细化设计，上、下法兰的强度级别为100%和70%。基于试验结果，分析了试件破坏特征、承载力特性及应变发展特征，并通过有限元仿真分析与试验结果进行了对比和验证。

图2 法兰设计参数

图3 有限元模型

图4 法兰及螺栓屈服应力

● 参数分析

为了更深入地了解带颈锻造法兰各项参数对设计的影响，利用有限元软件ABAQUS对带颈锻造法兰节点进行非线性数值分析，研究法兰节点的4种主要影响参数（法兰盘厚度、颈部变坡、螺栓预紧力、荷载偏心距）对节点承载性能的影响规律。

图5 不同荷载偏心距的荷载-位移曲线

结论

各组法兰试件在拉力作用下的变形特征相近、均集中在小直径一侧，这是不等管径连接的带颈锻造法兰节点的共性特征：小直径一侧的钢管发生轴向拉伸和径向收缩变形，法兰盘轻微翘曲；大直径一侧钢管和法兰盘变形不明显。各组法兰试件的极限荷载达到设计荷载的130%~150%，表明按照不同承载力级别设计的带颈锻造法兰节点受拉承载性能良好。

法兰盘厚度增大，削弱了撬力对螺栓产生的附加应力影响，但会增加法兰用钢量，因此法兰盘厚度需综合考虑承载性能及经济性来确定；法兰颈部变坡坡度宜取15º左右，可更好发挥法兰颈部承载能力；螺栓预紧力越大，法兰初始刚度越大，但对法兰节点的极限承载力影响很小；法兰节点承载力随着荷载偏心距的增加而降低。

本文试验中的法兰螺栓采用的是单螺帽、单垫片，由此会导致超载后出现螺栓滑丝现象；因此，在特高压工程设计中法兰螺栓均建议采用双螺帽、双垫片。

按照强度分级设计的柔性带颈锻造法兰，在安全可靠的同时也可达到减轻用钢量、降低工程本体投资的目的。通过技术经济性分析可知，采用强度分级的带颈锻造法兰（含Q345、Q420）与采用传统未分级带颈锻造法兰相比，法兰重量降低25.7%～42.0%，钢管塔重降低2.7%～4.0%，技术经济优势显著，具有推广应用价值。

后续研究内容

为了进一步提升法兰设计的精细化程度并节约用钢量，可开展更高强度法兰及螺栓的设计研究；同时，为了兼顾设计与施工的便捷，可开展螺栓预紧力的配套设计研究。

引文信息：

吴静，李峰，王先铁，韩军科，等. 特高压钢管塔带颈锻造法兰承载性能试验与参数分析[J]. 高电压技术, 2019, 45(11)：3494-3503