GIS 法兰焊接过程中的防内翻控制装置研究与改进设计

引言

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）因其占地面积小、可靠性高、维护方便等优点，在电力系统中得到了广泛应用。GIS 设备的壳体通常采用铝合金材料，通过焊接工艺将筒体、法兰、支管等部件连接成一个密封的整体。在 GIS 壳体焊接过程中，法兰与筒体的焊接质量直接影响到设备的密封性和整体性能。然而，由于铝合金材料的热导率高、线膨胀系数大，在焊接过程中极易产生变形，其中法兰内翻变形是最为常见的问题之一[1]。

法兰内翻变形会导致法兰密封面的平面度和垂直度超差，从而影响 GIS 设备的密封性能，严重时甚至会导致设备漏气，威胁电力系统的安全运行。目前，国内外学者针对焊接 ，提出了多种控制焊接变形的方法，如优化焊接工艺参数、采用刚性固定法、施加反变形等。但对于 GIS 铝合金 度要求高的焊接部件，现有的控制方法仍存在一定的局限性，难以满足实际工程需求。因此，研究一种有效的GIS 法兰焊接防内翻控制装置具有重要的工程意义和实际应用价值。

1 GIS 法兰焊接内翻问题分析

1.1 内翻产生的原因

1.1.1 焊接热应力的影响

在GIS 法兰焊接过程中，焊接热源对焊缝及附近区域进行快速加热，使得该区域金属温度急剧升高，而远离焊缝的金属温度相对较低。由于金属热胀冷缩的特性，这种不均匀的温度分布会导致焊接区域产生热应力。在热应力的作用下，焊缝及附近金属发生塑性变形。当焊接完成后，焊缝冷却收缩，此时热应力与金属内部的残余应力相互作用，使得法兰边缘部分向内收缩，从而产生内翻变形。

1.1.2 焊接工艺参数的影响

焊接电流、电压、焊接速度等工艺参数对焊接热输入量有直接影响[2]。若焊接电流过大或焊接速度过慢，会使焊接热输入量增加，导致焊缝及附近区域金属受热程度加剧，热影响区范围扩大，从而增大内翻变形的可能性。例如，在熔化极气体保护焊中，当焊接电流从 200A 增大到 250A 时，焊缝热影响区宽度明显增加，法兰内翻变形量也随之增大。此外，不合适的焊接顺序也会导致内应力分布不均匀，进而引发内翻变形。若先焊接一侧焊缝，再焊接另一侧，可能会使先焊侧产生较大的收缩应力，带动法兰向内翻。

1.1.3 法兰结构及材料特性的影响

法兰的结构形状和尺寸对焊接变形有显著影响。例如，法兰的厚度较薄时，其抵抗变形的能力较弱，在焊接热应力作用下更容易发生内翻。同时，不同材料的热膨胀系数、屈服强度等力学性能不同，也会导致焊接变形情况各异。以铝合金法兰和不锈钢法兰为例，铝合金的热膨胀系数较大，在焊接过程中受热膨胀和冷却收缩的程度更为明显，相比不锈钢法兰更容易产生内翻变形。

1.2 内翻对 GIS 性能的影响

1.2.1 密封性能下降

内翻变形会使法兰连接面不平整，导致密封垫片无法与法兰面紧密贴合，从而破坏密封结构，降低密封性能。当 GIS 内部的 SF6 气体压力较高时，即使微小的缝隙也可能导致气体泄漏。研究表明，当法兰内翻变形量达到 0.5mm 时，采用常规密封垫片的法兰连接处就可能出现明显的气体泄漏现象，严重影响 GIS 的绝缘性能和正常运行。

1.2.2 电场分布不均匀

GIS 内部电场分布的均匀性对设备的绝缘性能至关重要。内翻变形会改变 GIS 内部的几何结构，使得电场在法兰附近区域发生畸变。在变形处，电场强度会局部增强，容易引发局部放电现象。长期的局部放电会逐渐侵蚀绝缘材料，降低其绝缘性能，最终可能导致绝缘击穿，引发设备故障。通过有限元模拟分析发现，当法兰内翻变形导致其表面出现1mm 的凸起时，该区域电场强度可增加约 20%，局部放电风险显著提高。

1.2.3 设备使用寿命缩短

由于内翻变形导致的密封性能下降和电场分布不均匀，会使 GIS 设备频繁出现故障，需要进行维修或更换部件。这不仅增加了设备的运维成本，还会因设备停运对电力供应造成影响。同时，长期处于异常运行状态下的 GIS 设备，其整体使用寿命会大幅缩短。据统计，因法兰焊接内翻等质量问题导致的GIS 设备故障，可使设备实际使用寿命缩短约30% - 50%，严重影响电力系统的投资效益和可靠性。

2 现有防内翻控制装置研究

2.1 传统防内翻装置的类型及工作原

2.1.1 机械支撑式防内翻装置

机械支撑式防内翻装置通常由支撑座、支撑杆和调节螺栓等部件组成[3]。在焊接前，将支撑座固定在法兰周围的合适位置，通过调节支撑杆的长度，使其一端顶住法兰边缘内侧，另一端与支撑座连接。在焊接过程中，支撑杆对法兰提供向外的支撑力，以抵抗焊接热应力引起的内翻趋势。例如，在一些小型 GIS 法兰焊接中，采用了简单的三脚架式支撑装置，三脚架的三个支撑脚通过螺纹调节长度，分别顶在法兰的不同位置，有效减少了部分内翻变形。

2.1.2 预变形法防内翻装置

预变形法防内翻装置的工作原理是在焊接前对法兰进行反向预变形，使其在焊接后产生的内翻变形与预变形相互抵消，从而达到控制最终变形量的目的。常见的预变形方式有机械压弯和火焰加热预变形。机械压弯是利用压力机等设备，通过特定的模具对法兰施加外力，使其产生与内翻方向相反的变形。火焰加热预变形则是通过对法兰特定部位进行局部加热，利用金属热胀冷缩的原理使其产生预变形。

2.1.3 刚性约束式防内翻装置

刚性约束式防内翻装置通过在法兰周围设置刚性夹 将法兰紧紧固定在 个刚性框架内，限制其在焊接过程中的变形。夹具通常采用高强度钢材制作，具有较高的刚性和稳定性。在焊接过程中，夹具对法兰施加约束作用力，阻止其因焊接热应力而发生内翻。例如，在一些高精度要求的GIS 法兰焊接中，采用了定制的刚性焊接工装，工装内部的定位块和夹紧机构将法兰精确固定，极大地减小了焊接变形。2.2 现有装置存在的问题及局限性

传统的机械支撑式防内翻装置，其支撑结构的尺寸和布局往往是根据特定规格的法兰设计的，对于不同直径、厚度或结构形式的法兰，需要重新设计和制作支撑装置，通用性较差[4]。

机械支撑式防内翻装置虽然能提供一定的支撑力，但在焊接过程中，由于支撑点数量有限，无法完全均匀地抵抗焊接热应力，导致法兰各部位变形控制不均匀，整体控制精度不足。例如，在一些大型法兰焊接中，采用三脚架式支撑时，在两支撑点之间的区域，仍可能出现较大的内翻变形。预变形法防内翻装置由于预变形量的计算和控制难度较大，实际操作中很难精确掌握预变形量，导致焊接后仍存在一定的内翻偏差。刚性约束式防内翻装置虽然能在一定程度上限制变形，但由于焊接热应力无法完全消除，在刚性约束下，法兰内部会产生较大的残余应力，当残余应力超过一定限度时，可能会导致法兰出现裂纹等缺陷，影响焊接质量。

机械支撑式防内翻装置在安装和调节过程中，需要操作人员逐一调整支撑杆的长度和位置，操作繁琐且耗时较长。预变形法防内翻装置无论是机械压弯还是火焰加热预变形，都需要专门的设备和技术人员进行操作，且预变形过程需要一定的时间，增加了焊接前的准备工作时间，降低了生产效率。刚性约束式防内翻装置的工装设计、制作和安装过程复杂，成本较高，且在焊接完成后，拆卸工装也需要花费较多时间，不利于提高生产效率。

3 新型防内翻控制装置的改进设计

3.1 设计思路与创新点

3.1.1 自适应调节结构设计

新型防内翻控制装置引入自适应调节结构，摒弃了传统装置固定结构的模式。该结构由多个可活动的调节单元组成，每个调节单元通过传感器实时监测法兰在焊接过程中的变形情况。当传感器检测到某一区域的变形趋势发生变化时，对应的调节单元可自动调整其支撑力或约束方式，以适应法兰的变形需求。

3.1.2 智能控制系统集成

为实现对装置的精确控制，新型防内翻控制装置集成了智能控制系统。该系统以微处理器为核心，通过对传感器采集的数据进行实时分析和处理，根据预设的控制算法，向各个执行机构发送控制指令。例如，系统可以根据焊接电流、电压等参数的变化，以及传感器反馈的法兰变形数据，动态调整调节单元的支撑力大小和作用位置。同时，智能控制系统还具备人机交互界面，操作人员可以通过界面输入焊接参数、法兰规格等信息，系统根据这些信息自动生成最佳的控制方案，并实时显示装置的运行状态和法兰的变形数据。通过智能控制系统的集成，提高了装置的自动化程度和控制精度，减少了人为因素对焊接质量的影响。

3.1.3 组合式约束与支撑方式

新型防内翻控制装置采用组合式约束与支撑方式，将刚性约束和柔性支撑有机结合。在法兰的外周设置刚性的约束框架，框架通过可调节的夹紧机构与法兰紧密接触，提供基本的约束作用力，限制法兰的整体变形趋势。同时，在法兰的内侧设置多个柔性支撑单元，这些支撑单元采用弹性材料制作，能够在提供向外支撑力的同时，根据法兰的变形情况进行一定程度的自适应变形。

3.2 装置的结构设计

3.2.1 主体框架结构

新型防内翻控制装置的主体框架采用高强度铝合金材料制作，具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点。框架呈圆形，其内径可根据不同规格的法兰进行调节，以适应多种法兰尺寸。框架由多个弧形组件拼接而成，每个弧形组件之间通过螺栓连接，便于安装和拆卸。在框架的外周均匀分布有多个调节螺栓，通过旋转调节螺栓，可以调整框架的内径大小，使其紧密贴合不同直径的法兰。

3.2.2 自适应调节单元

自适应调节单元是装置的核心部件之一，均匀分布在主体框架内侧。每个调节单元由传感器、控制器、执行机构和支撑部件组成。传感器采用高精度的位移传感器，安装在支撑部件的端部，用于实时监测法兰的变形位移。控制器接收传感器传来的数据，并与预设的变形阈值进行比较，根据比较结果向执行机构发送控制指令。执行机构采用电动伸缩杆，通过电机驱动丝杆实现伸缩杆的伸缩运动，从而调整支撑部件对法兰的支撑力。支撑部件的端部采用橡胶材质，既能增加与法兰的摩擦力，防止滑动，又能在一定程度上缓冲对法兰的作用力，避免损伤法兰表面。

3.2.3 智能控制模块

智能控制模块安装在主体框架的一侧，通过电缆与各个自适应调节单元的传感器和执行机构连接。模块内部主要包括微处理器、数据存储单元、通信接口和电源管理单元。微处理器负责对传感器采集的数据进行实时处理和分析，根据预设的控制算法生成控制指令，并发送给执行机构。数据存储单元用于存储焊接参数、法兰规格信息、传感器历史数据等，以便后续查询和分析。通信接口采用 RS485 或无线通信模块，可实现与外部设备（如焊接电源控制器、上位机等）的通信，方便操作人员远程监控和调整装置参数。电源管理单元为整个智能控制模块和自适应调节单元提供稳定的电源供应，确保装置在不同工作环境下的可靠运行。

3.3 工作过程及原理

在 GIS 法兰焊接前，首先根据法兰的规格和焊接工艺要求，通过智能控制模块的人机交互界面输入相关参数。智能控制模块根据这些参数，结合内置的控制算法，计算出各个自适应调节单元的初始支撑力和位置，并将控制指令发送给对应的执行机构，使自适应调节单元的支撑部件与法兰内侧紧密接触，同时调整主体框架的内径，使其与法兰外周紧密贴合，完成装置的安装和初始设置。

在焊接过程中，自适应调节单元的传感器实时监测法兰的变形情况，并将采集到的数据传输给智能控制模块[5]。智能控制模块对数据进行实时分析，当发现某一区域的变形趋势超出预设范围时，立即根据控制算法生成调整指令，发送给对应的执行机构。执行机构根据指令调整支撑部件的位置和支撑力大小，对法兰的变形进行实时补偿和纠正。

4 新型装置的应用效果验证

4.1 实验方案设计

为验证新型防内翻控制装置的实际应用效果，设计了对比实验。选取两组规格相同的GIS 法兰，每组10 个，材料均为铝合金，直径为600mm，厚度为30mm。第一组采用传统的刚性约束式防内翻装置进行焊接，第二组采用新型防内翻控制装置进行焊接。焊接工艺采用熔化极气体保护焊，焊接电流为220A，焊接电压为24V，焊接速度为30cm/min，保护气体为纯度99.99%的氩气。

实验过程中，使用高精度的三维激光扫描仪对焊接前后的法兰进行扫描，获取法兰的三维模型，通过专业的数据分析软件测量法兰的内翻变形量。同时，对焊接后的法兰进行密封性能测试，将法兰与密封垫片组装后，充入一定压力的 SF6 气体，使用气体泄漏检测仪检测是否有气体泄漏，并记录泄漏量。此外，采用有限元模拟软件对焊接过程中的热应力和变形情况进行模拟分析，与实验测量结果进行对比验证。

4.2 实验结果分析

4.2.1 内翻变形量对比

通过三维激光扫描仪测量数据统计分析，采用传统刚性约束式防内翻装置焊接的法兰，平均内翻变形量为 0.8mm，最大内翻变形量达到1.2mm；而采用新型防内翻控制装置焊接的法兰，平均内翻变形量仅为0.2mm，最大内翻变形量为 0.3mm。从数据可以明显看出，新型防内翻控制装置能够显著降低 GIS 法兰焊接的内翻变形量，平均变形量降低了 75%，最大变形量降低了75%，控制效果十分显著。这主要得益于新型装置的自适应调节结构和智能控制系统，能够实时监测并调整对法兰的支撑力和约束方式，有效抵抗焊接热应力引起的内翻趋势。

4.2.2 密封性能测试结果

对两组焊接后的法兰进行密封性能测试，将法兰与密封垫片组装后，充入 0.6MPa 的SF6 气体，保压24 小时。采用传统装置焊接的法兰中，有 3 个出现明显的气体泄漏现象，泄漏量分别为 1.2×10⁻⁶ Pa・m³/s、1.5×10⁻⁶ Pa・m³/s 和 0.9×10⁻⁶ Pa・m³/s，其余 7 个虽未出现明显泄漏，但在保压过程中压力有轻微下降；而采用新型装置焊接的法兰，在24 小时保压过程中，压力无明显变化，气体泄漏检测仪