耐候鋼在輸電鐵塔中應用的全壽命分析

【摘 要】耐候鋼是一種大氣防腐蝕合金鋼，具有自防腐蝕性能，現已廣泛應用于鐵路、車廂、橋梁、集裝箱、建筑等方面。耐候鋼的力學性能和加工、連接性能均能滿足輸電鐵塔設計要求，在國外已有耐候鋼使用于輸電鐵塔，但在國內尚未使用。本文從主要從全壽命周期的角度分析耐候鋼在輸電鐵塔中的應用所產生的經濟效益，并具體論述使用耐候鋼的環境效益等。

【關鍵詞】耐候鋼；輸電鐵塔；全壽命

0 引言

目前輸電鐵塔鋼材的防腐措施一般為熱鍍鋅防腐，這種防腐措施可以使鐵塔構件得到長期的室外暴露使用壽命，但在經過一段時間（一般為10～20年）后，需要根據鐵塔構件鍍鋅層破損情況對鐵塔構件進行一系列的防腐蝕措施，運檢維修費用較高。

耐候鋼是一種大氣防腐蝕合金鋼，通過在鋼材中添加少量合金元素，使鋼材在大氣中具有良好的耐腐蝕性能，現已廣泛應用于鐵路、車廂、橋梁、集裝箱、建筑等方面。

國內外的學者對耐候鋼進行了大量的實踐研究，美國在1961年將耐候鋼材用于馬薩諸塞州Pittsfield近郊的輸電塔上，1962年在賓夕法尼亞的Brookville建成兩座輸電塔，其后佛尼吉亞電力公司建成的563km輸電鐵塔全部使用耐候鋼。在我國，耐候鋼在輸電鐵塔中尚未應用。

1 耐候鋼在輸電鐵塔中應用的可行性

1.1 耐候鋼材質

目前最常用的鐵塔材質為Q235、Q345和Q420，均屬于普通熱鍍鋅角鋼，其力學性能的研究較為成熟，耐候鋼屬于新型的鋼材種類，依據《耐候結構鋼》（GB/T 4171-2008）[1]中關于耐候鋼牌號的規定，得知耐候鋼的牌號及其生產方式和主要用途，如表1所示。

耐候鋼的牌號規定同普通鋼材牌號表示方式相同，由上表1可以看出耐候鋼的最下屈服強度下限值為235N/mm2～550 N/mm2，涵蓋了現今輸電鐵塔常規使用的鋼材，只是與普通鋼材牌號沒有一一對應，因此在使用耐候鋼時需對鋼材的強度值進行調整，以滿足鐵塔設計要求。

1.2 耐候鋼和熱鍍鋅角鋼耐腐蝕性能比較

熱鍍鋅構件根據鐵塔所在大氣環境，耐腐蝕年限存在不同。根據運行經驗，一般在運行10～20年間就需要進行防腐處理，處理方式為涂覆防腐材料，之后的防腐處理周期為5～8年。圖1為塔材銹蝕情況。

耐候鋼對工業大氣環境的耐腐蝕性較強，其通過添加少量合金元素Cu、P、Cr、Ni等，使其在金屬基體表面上形成保護層，以提高抗大氣腐蝕性能。依據對耐候鋼的調研結果，耐候鋼在工業廢氣污染環境等惡劣大氣環境中耐腐蝕性能突出，在鐵塔設計年限（40年）期間均無需對其進行防腐處理，進而減少運維費用，降低工程成本。

1.3 耐候鋼產能

全國大型鋼鐵廠家均具有耐候鋼生產資質，其中馬鋼、唐鋼、首鋼、萊鋼、寶鋼、武鋼等鋼鐵廠家均進行耐候鋼的生產，依據調查結果，馬鋼的耐候鋼產能為30萬噸/年，唐鋼的耐候鋼產能為25萬噸/年，其他鋼廠也均有20萬噸/年左右的產能，能夠保證耐候鋼在輸電鐵塔中的供應需求。

1.4 耐候鋼的加工性能

耐候鋼與普通鋼材的加工性能相同，在角鋼的切割、鉆孔作業中與普通鋼材工藝相同，螺栓連接性能及焊接性能均需要與耐候鋼相配套的螺栓和焊條，連接成品可以滿足現行鐵塔設計要求。

1.5 耐候鋼的環境效益

熱鍍鋅的主要污染物為工業廢水、工業廢氣和工業廢渣，“三廢”所含有毒物質大致為：鋅經加熱產生的氧化鋅蒸氣、鈍化液中的鉻化物、廢水生產的固體沉淀物均為有毒物質等。

酸霧吸入人體會引起呼吸道炎癥、對眼粘膜、皮膚有強烈的刺激作用，對機械設備的表面也有一定程度的腐蝕作用；鋅鍋中加熱后揮發出的鋅氣對人體有一定的毒害作用；廢酸不經處理排放會對土質、水源、水生物等有著強烈的污染。

耐候鋼在加工期間無需進行熱鍍鋅處理，而目前輸電鐵塔所使用的塔材均需要進行熱鍍鋅處理，因此使用耐候鋼能夠避免在塔材加工過程中的熱鍍鋅工藝，從而間接起到環保作用。

1.6 耐候鋼在輸電線路中應用存在的問題

耐候鋼在在國內外各行業中應用較為廣泛，但在我國輸電鐵塔中一直未能使用，究其原因主要分為以下幾點：

（1）耐候鋼表面全部附著銹層，影響美觀且直觀安全性較低，需要進行耐久性試驗后才能進行使用；

（2）目前耐候鋼只有少數大型鋼廠生產，成品大多為耐候鋼板，型材較少，需要其他加工廠對原材料進行加工成角鋼后才能進行使用，需對成品進行質量檢測；

（3）耐候鋼材料的角鋼規格不全，同成熟的普通鋼材角鋼規格庫相比差距較大；

（4）雖然耐候鋼具有耐腐蝕性能，但也存在腐蝕量，在進行設計時需要對其增加腐蝕裕度使用，這就需要針對耐候鋼進行研究推行一套新型的規格庫以指導設計，這需要大量的時間、人力和物力。

現在國內許多鋼廠能夠生產熱軋耐候角鋼，并具有批量生產的能力，但尚未形成一套完整的考慮耐候鋼腐蝕量的規格庫指導設計，耐候鋼在輸電線路中應用仍需要進一步研究。

2 鐵塔全壽命分析內容

根據《輸電線路資產全壽命周期設計建設技術導則》[3]，鐵塔全壽命周期成本主要包括建設成本、巡檢維護成本、失效成本和殘值四個方面。

2.1 建設成本

鐵塔建設成本是指鐵塔在設計和施工階段發生的材料、運輸和安裝的費用。建設成本是鐵塔全壽命周期成本內容最重要的組成部分。

2.2 運檢維護成本

鐵塔投入運行一定年限后，有局部桿件或螺栓缺失，需對鐵塔進行維修加固；鍍鋅層破壞造成部分桿件銹蝕，威脅鐵塔的安全，需對其進行后期防腐處理。由此產生的費用為運檢維護成本。

2.3 失效成本

由于鐵塔設計均按照現行設計規范執行，失效概率極低，因此不考慮鐵塔結構的失效成本。

2.4 殘值

鐵塔結構的拆除成本是指結構達到使用壽命極限進行拆除時產生的費用。

3 全壽命分析方法

全壽命周期分析采用凈現值方法進行計算分析，即將各時期費用折合到建設初期的凈現值進行分析。

依據《建設項目經濟評價方法與參數》（第三版）[2]中的規定，經濟凈現值（ENPV）是指按社會折現率將項目計算期內各年的經濟凈現金流量折現到建設初期的現值之和。可按式3-1計算：

4 全壽命分析過程

4.1 輸入條件

4.1.1 基本條件

1）新建線路；

2）沿線為工業污染大氣環境；

3）參考日本熱鍍鋅協會對熱鍍鋅的耐用年限進行的試驗研究數據（表3）確定首次涂覆防腐材料年以13年計。

4）涂覆防腐材料周期按5年計；

5）耐候鋼無需進行防腐措施。

4.1.2 經濟條件

1）依據《輸電線路資產全壽命周期設計建設技術導則》[3]中規定，鐵塔設計年限為40年，施工期按2年計，第一年投資為60%，第二年投資為40%；

2）依據《建設項目經濟評價方法與參數》（第三版）[2]中規定，電網送電工程的稅前基準收益率為7%；

3）單次涂覆防腐材料費用按1950元/t計；

4）依據調研結果，不同鋼材材質單價如下表，其中耐候鋼較普通角鋼出廠價高約1000元/t，但其無需熱鍍鋅工藝，熱鍍鋅工藝費用按1500元/t計，折合后的材料單價表如表4所示：

5）施工費用以1900元/t計；

6）拆除費用以550元/t計；

7）塔材廢品回收以2000元/t計。

4.2 材質分組方案

本文將普通熱鍍鋅角鋼和耐候鋼分四種材質分組方案進行比較，分組方案為：

方案一： 熱鍍鋅角鋼Q345、Q235材質

方案二： 熱鍍鋅角鋼Q345、Q235材質占80%、Q420材質占20%

方案三：耐候鋼Q235NH 、Q355NH材質

方案四：耐候鋼Q235NH、Q355NH材質占80%、Q415NH材質占20%

4.3 全壽命周期計算及分析

根據《輸電線路資產全壽命周期設計建設技術導則》[3]，鐵塔全壽命周期成本主要包括建設成本、巡檢維護成本、失效成本和殘值四個方面分別計算并求和，并以其中以方案二（初設方案）為比較基準，計算結果如表5所示。

由表5中的比較可見，在全壽命周期范圍內分析，方案四是最具經濟性的，比方案二全壽命周期成本節省27%。

5 結論

（1）耐候鋼的耐大氣腐蝕性能比普通鋼材較好，并且使用時間越長，耐蝕作用越突出；其材料性能和工藝性能能夠滿足輸電線路鐵塔設計要求，加工、螺栓連接、焊接方面在使用配套工藝情況下亦能夠滿足設計要求。此外，耐候鋼無需熱鍍鋅處理，具有環保效益。

（2）采用耐候鋼方案（80%Q355NH+20%Q415NH）最具經濟性，比熱鍍鋅角鋼方案（80%Q345+20% Q420）全壽命成本節省27%。

【參考文獻】

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[責任編輯：楊玉潔]