輸電線路耐候鋼角鋼塔結構設計

羅義華， 羅正幫， 黃 耀, 楊 進， 楊雪鋒

(1.國網安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230061；

2.安徽華電工程咨詢設計有限公司，安徽 合肥 230022；3.中國電力科學研究院有限公司，北京 100092)

近年來,一種“具有改善的耐大氣腐蝕性的結構鋼(耐候鋼)”被國內外輸電線路設計人員所關注。通過在鋼材中加入少量合金元素(如Cu、P、Cr、Ni等),使其在金屬基體表面形成保護層,減緩腐蝕向材料縱深發展,從而提高鋼材的耐腐蝕性能[1]。耐候鋼主要暴露的腐蝕性環境一般包括農村大氣環境,城市大氣環境,工業大氣環境以及海洋大氣環境等幾種典型大氣類型[2],不同腐蝕大氣各自的特點導致了耐候鋼不同的腐蝕行為。溫度、濕度及空氣中SO2濃度均對鋼材的腐蝕有重要影響[3]。因此在設計輸電鐵塔時要特別關注其所處大氣環境條件。

目前,美國、日本、德國等已建并成功投運數條免涂裝耐候角鋼塔輸電線路工程,這些線路安全運行已超過50年,且運行狀況良好[4，5]。對于免涂裝耐候角鋼塔的設計,國外發達國家已有較成熟的經驗和設計指南。與國外相比,國內在此方面的研究較少,僅有中國電力科學院于2009年在廈門220kV梧侶-內官線路中完成2基冷彎耐候角鋼塔試點應用,但實際應用時均采用噴鋅工藝進行防腐,并未直接裸露使用[6]。為探索耐候鋼在輸電角鋼塔中免涂裝使用的技術難點,本文從耐候角鋼塔設計方面闡述了關鍵技術要點。

1 冷彎耐候角鋼規格庫

1.1 耐候鋼預留腐蝕層厚度

耐候鋼用于輸電鐵塔其優勢在于免涂裝、不鍍鋅,可直接暴露大氣環境下使用,其耐腐蝕性能是通過其表面形成天然保護層而實現的,對于耐候角鋼塔的設計,考慮耐候鋼的預留腐蝕層厚度是必要的。《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》(GB 50545-2010)規定110 kV～330 kV輸電線路及其大跨越基本風速、設計冰厚重現期應取30年,750 kV、500 kV輸電線路重現期應取50年[7]。《輸電線路資產全壽命周期設計建設技術導則》中明確規定鐵塔設計年限為40年[8]。

確定輸電桿塔設計使用年限內角鋼預留腐蝕層厚度是桿塔設計關鍵參數之一。根據中國電力科學研究院相關調研成果,日本運行50年耐候桿塔銹層腐蝕厚度僅為0.14 mm,平均年腐蝕速率約0.002 8 mm;美國運行50年耐候桿塔銹層腐蝕厚度僅為0.167 mm,平均年腐蝕速率為0.003 34 mm。受實際生產規格尺寸限制,工程應用預留銹蝕層厚度至少為0.5 mm/面,設計平均年腐蝕速率為0.013 mm(設計使用年限取40年計算),可滿足常規大氣環境對耐候鋼銹蝕要求[4]。

1.2 冷彎耐候角鋼截面特性計算

現階段,耐候鋼軋制截面形式比普通結構鋼難以即時獲得,對于目前用量相對較少的輸電線路尤其如此,本文所闡述的耐候角鋼塔采用的是冷彎耐候型鋼,其是以熱軋或冷軋帶鋼為坯料,在常溫狀態下,經過拉拔、沖壓、折彎或輥式彎曲成型機組加工,彎曲成等肢角鋼的型材[9]。運用材料力學基本理論知識,可推導等肢冷彎角鋼截面幾何特性。根據截面特點,將整個截面分為3個區域,如圖1所示。

圖1 冷彎角鋼截面特性

(1)截面面積：

(1)

(2)截面形心：

(2)

(3)平行軸慣性矩最小軸慣性矩：

(3)

+A2·(a2·b2-a02·b02)-a3·b3·A3

(4)

Iu=Ix+Ixy

(5)

(4)平行軸回轉半徑最小軸回轉半徑

(6)

(7)

式中:b=b0-2h;t=t0-2h;r=r0-2h;b0為角鋼原肢寬;t0為角鋼原厚度;r0為角鋼原內圓弧半徑;h為預留腐蝕層厚度;a01為區域1對坐標軸Y0形心距;a02為區域2對坐標軸Y0形心距;a03為區域3對坐標軸Y0形心距;a1為區域1對坐標軸Y形心距;a2為區域2對坐標軸Y形心距;a3為區域3對坐標軸Y形心距;b01為區域1對坐標軸X0形心距;b02為區域2對坐標軸X0形心距;b03為區域3對坐標軸X0形心距;b1為區域1對坐標軸X形心距;b2為區域2對坐標軸X形心距;b3為區域3對坐標軸X形心距;A1為區域1面積;A2為區域2面積;A3為區域3面積。

根據角鋼塔設計使用年限,確定耐候鋼角鋼預留腐蝕層厚度,從而計算冷彎耐候角鋼截面幾何特性,建立輸電鐵塔常用角鋼規格庫,見表1。

表1 冷彎耐候角鋼規格庫(預留腐蝕層厚度0.5mm/面)

表1(續)

2 耐候鋼角鋼塔設計關鍵要點

2.1 耐候鋼材料的選擇

選擇耐候鋼材料應當考慮以下原則:

(1)與工程建設所在地大氣環境相匹配,即滿足桿塔設計使用年限內角鋼腐蝕層厚度設計限值要求;

(2)材料強度滿足國家標準及行業規范等;

(3)原材料供應充足,且經濟性較好。

夏湖-高堂110kV輸電線路工程位于安徽省亳州市,亳州屬于暖溫帶半濕潤氣候區,耐候鋼可免涂裝直接暴露大氣環境下使用。本工程選用首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司生產的SQ355NH,其部分化學成分見表2,滿足耐候鋼材料選用原則。

表2 SQ355NH部分化學成分表(wt%)

2.2 軸心受壓構件承載力計算

軸心受壓桿件穩定系數φ是受壓構件承載力計算的關鍵參數,其受截面的不同形式和尺寸、不同的加工條件及相應的殘余應力、桿件的初彎曲等影響,現行行業規范未對冷彎耐候角鋼軸心受壓構件穩定系數取值做出規定。中國電力科學研究院經過大量的軸心受壓構件試驗,得到了冷彎角鋼軸心受壓構件穩定系數φ計算公式[4]:

(8)

(9)

式中:λ為冷彎角鋼弱軸長細比;fy為材料的屈服強度;E為彈性模量。

考慮不同約束條件對構件長細比λ影響,長細比需要進行修正,修正系數K見表3。

表3 受壓構件長細比修正系數K

參考現行規范,冷彎耐候角鋼構件承載力N按式(10)驗算:

N≤φ·f·A

(10)

式中:φ為受壓構件穩定系數;A為構件毛截面面積;f為冷彎型鋼鋼材強度設計值,材料抗力分項系數取1.165[10]。

2.3 連接節點耐腐蝕技術措施

免涂裝耐候鋼與普通鍍鋅螺栓接觸存在電位差,兩者之間容易形成電化學腐蝕,盡管這種腐蝕短期內不會造成角鋼塔任何影響,但隨著角鋼塔運行時間的增加,普通鍍鋅螺栓腐蝕將不斷積累,存在角鋼塔節點喪失承載力的隱患。圖2為北京環境氣候暴曬3年后,與耐候鋼接觸位置(螺栓頭部、墊片接觸面)鋅層腐蝕較為嚴重。因此,免涂裝耐候角鋼塔桿件連接節點必須采用同等耐候性能的緊固件(螺栓、螺母、墊片、金具以及地腳螺栓等)系列產品。

圖2 6.8級鍍鋅螺栓大氣暴曬3年后宏觀形貌

2.4 防雷接地措施

對于傳統線路桿塔,在避雷線或桿塔遭遇雷擊后,雷電流可沿桿塔塔身引至接地體,由于鍍鋅鋼桿塔塔身阻抗小,線路落雷后雷電流形成的塔頂電位主要受接地電阻影響。但耐候鋼桿塔塔身阻抗顯著高于鍍鋅鋼桿塔,在避雷線或桿塔遭遇雷擊且未形成有效雷電通道時,在相同接地電阻條件下,雷電流在耐候鋼桿塔上形成的塔頂電位明顯高于鍍鋅鋼桿塔,使得耐候鋼桿塔上絕緣子發生雷電反擊閃絡的概率明顯增大,雷電故障風險較大,因此,針對耐候角鋼塔開展了專項的防雷設計,如圖3所示。

圖3 防雷引流線設計

3 真型試驗研究

為檢驗冷彎耐候角鋼塔的整體承載能力情況,根據國網通用設計1D2模塊,采用冷彎耐候角鋼設計了SJ4型耐張塔,進行了桿塔真型試驗。加載方案如圖4所示。

圖4 1D2-SJ4-21試驗塔加載方案

依據輸電線路桿塔設計規范[7],本次試驗共進行了60°大風、90°大風等8個代表工況承載性能測試,如圖5所示。試驗塔通過了全部工況的驗證性試驗,并在超載工況達到116%時,受壓側塔腿主材最先發生彎曲失穩破壞,最終造成倒塔,如圖6所示。

圖5 冷彎耐候角鋼塔真型試驗

圖6 鐵塔破壞情況

4 試點工程應用

為進一步研究耐候鋼在輸電線路中免涂裝應用的技術難點,國網安徽省電力公司作為建設單位,由安徽華電工程咨詢設計有限公司設計的安徽亳州夏湖-高堂110 kV輸電線路工程已于2018年11月成功投運,該線路全線共計62基冷彎耐候角鋼塔,是我國首條全裸露、免涂裝使用的耐候鋼輸電線路,為耐候鋼桿塔在輸電線路中的推廣應用提供了寶貴的工程實踐經驗。

5 結論與展望

免涂裝耐候角鋼塔的應用,標志著耐候鋼的抗大氣腐蝕性能發揮用于輸電桿塔,不僅解決了鋼材易腐蝕問題,還解決了傳統鍍鋅鋼帶來環境污染問題,同時節約角鋼塔后期維護費用。本文針對免涂裝冷彎耐候角鋼塔開展設計研究工作,主要形成以下結論:

(1)冷彎耐候角鋼預留銹蝕層厚度取0.5 mm/面,平均腐蝕速率為0.013 mm/a(設計使用年限取40年計算),可滿足常規大氣環境對耐候鋼銹蝕要求。

(2)對常用冷彎耐候角鋼截面特性參數進行計算,并形成截面規格庫,以便工程實踐使用。

(3)免涂裝耐候角鋼塔桿件連接節點應采用同等耐候性能的緊固件(螺栓、螺母、墊片、金具以及地腳螺栓等)系列產品。

(4)真型試驗結果表明,采用冷彎耐候角鋼設計輸電桿塔可以滿足承載力要求。

此外,由于冷彎角鋼生產效率較低,且受廠家生產設備限制,不利于耐候鋼在輸電線路中的推廣應用。熱軋耐候角鋼大規模生產,必將助推耐候鋼輸電角鋼塔在實際工程應用。免涂裝冷彎耐候角鋼塔在國內初次使用,設計相關方面研究甚少,還需進一步對免涂裝冷彎耐候角鋼塔進行專項研究。