復(fù)合材料電桿在油田輸電線路中的應(yīng)用

鄭春生 劉天方 王洪艷 司 健

勝利石油管理局有限公司電力分公司 山東東營 257000

1 應(yīng)用背景

自勝利石油管理有限公司電力分公司2020年申報(bào)中石化重大科技項(xiàng)目“碳纖維復(fù)合材料輸變電設(shè)施研究與應(yīng)用”立項(xiàng)以來,復(fù)合材料電桿憑借優(yōu)異的機(jī)械與電氣性能,取得了良好的應(yīng)用效果。2021年,輸電線路用復(fù)合材料電桿逐步試點(diǎn)應(yīng)用。通過以35 kV灘海線為代表的國家保護(hù)區(qū)灘涂地型典型應(yīng)用及以110 kV渤大線為代表的頁巖油電驅(qū)壓裂技術(shù)輸電技術(shù)應(yīng)用,逐步探索出一條適合油田電網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)合材料電桿應(yīng)用路徑。

2 環(huán)形混凝土電桿

環(huán)形混凝土電桿由沙子、水泥、鋼筋經(jīng)離心機(jī)塑性蒸制而成,因材料工藝原因存在質(zhì)量大、撓度低、易風(fēng)化開裂、不耐腐蝕、壽命短等缺點(diǎn),壽命一般為15～30 a。華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2020—2025年中國混凝土電桿市場(chǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)及行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示,隨著國家大基建項(xiàng)目逐個(gè)落地完工,環(huán)形混凝土電桿市場(chǎng)將逐年收窄,未來30～50 a環(huán)形混凝土電桿將完全退出市場(chǎng),由電纜、管塔、復(fù)合材料電桿取代。

3 復(fù)合材料電桿

復(fù)合材料電桿是一種利用復(fù)合材料,包括聚氨酯、玻璃纖維、碳纖維等,通過變角纏繞工藝構(gòu)成的電力電桿,有12 m、15 m、18 m等長度之分,性能參數(shù)見表1。

表1 復(fù)合材料電桿性能參數(shù)

從表1中可以發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料電桿具有五方面優(yōu)點(diǎn)。第一,強(qiáng)度大,質(zhì)量小,便于運(yùn)輸及施工,尤其適用于難以進(jìn)入的地區(qū)及災(zāi)后電力搶修。第二,電桿整體絕緣,相地爬電距離大幅增大,可以有效防止由感應(yīng)雷引起的雷擊閃絡(luò)事故,帶電作業(yè)性能優(yōu)異。第三,電桿表面有良好的憎水性,防污閃、抗覆冰能力強(qiáng),適合用于重污染地區(qū)。第四,韌性好,大變形下可自行恢復(fù),不影響后續(xù)使用,尤其適合沿海強(qiáng)風(fēng)地區(qū)使用。第五,耐腐蝕,使用壽命可達(dá)40 a以上。

復(fù)合材料電桿從材料和工藝角度解決了傳統(tǒng)環(huán)形混凝土電桿的部分缺點(diǎn),為輸配電線路帶來更多解決方案。復(fù)合材料電桿的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是工藝復(fù)雜,造價(jià)成本較高,是環(huán)形混凝土電桿單價(jià)的數(shù)倍。但隨著工藝控制逐步穩(wěn)定,產(chǎn)量逐步提升,所帶來的規(guī)模效應(yīng)可以有效攤銷生產(chǎn)成本,從而降低復(fù)合材料電桿的采購成本。

4 油田輸電線路概況

勝利油田輸電線路始建于1965年3月,隨著油田石油開發(fā)的進(jìn)程,經(jīng)過超過50 a的發(fā)展,油田電網(wǎng)逐步覆蓋東營、濱州、淄博、德州等6個(gè)地市、22個(gè)縣區(qū)。油田電網(wǎng)現(xiàn)有292條輸電線路,近15 000基電桿,其中大部分地處黃河以北區(qū)域。黃河以北39%的面積處于黃河入海口灘涂沼澤地帶,河流縱橫,鹽場(chǎng)密布,水汽極大,土地多為鹽堿地,含鹽量約0.5%。黃河入海口廣袤空曠,年雷暴日約32.2 d,屬雷暴多發(fā)區(qū)。油田灘海地區(qū)大部分處于工業(yè)和電磁污染最嚴(yán)重的Ⅳ級(jí)污穢區(qū)域,鹽密為0.25～0.35 mg/cm2。

油田有51%的輸電線路環(huán)形混凝土電桿建于1992年以前,82%的輸電線路環(huán)形混凝土電桿建于2002年以前,運(yùn)行30 a以上的環(huán)形混凝土電桿占輸電線路總量的一半以上。雖然每年各管理區(qū)對(duì)危及線路運(yùn)行的危險(xiǎn)桿塔進(jìn)行了更換及補(bǔ)強(qiáng)加固,但并沒有從根本上解決問題。電力分公司輸電線路現(xiàn)有管理人員230人左右,平均年齡47周歲,人均管轄線路15.2 km,輸電設(shè)備與管理人員的雙重老化是不可回避的問題。

5 應(yīng)用案例分析

受國資委四供一業(yè)政策影響,油田輸電線路近幾年無新架設(shè)工程。油田輸電線路改建換桿等受成本限制,復(fù)合材料電桿在油田輸電線路中的應(yīng)用,更多位于環(huán)境惡劣、對(duì)強(qiáng)度要求較高的特殊地區(qū)。

5.1 35 kV灘海線

2021年7月10日,35 kV灘海線69號(hào)桿因短時(shí)強(qiáng)風(fēng)造成嚴(yán)重傾斜,隨時(shí)有倒桿風(fēng)險(xiǎn),周圍環(huán)境為國家5A級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū)。現(xiàn)場(chǎng)電桿架設(shè)的難點(diǎn)有四方面。第一,電桿長期浸泡在腐蝕性較強(qiáng)的海水中。第二,基礎(chǔ)松軟,易歪桿倒桿。第三,野生動(dòng)物出沒,以東方白鸛為主,易造成短路接地事故。第四,生態(tài)保護(hù)區(qū)內(nèi)嚴(yán)禁大型機(jī)具進(jìn)入,并且對(duì)周圍生態(tài)破壞有嚴(yán)格的控制。

針對(duì)以上情況,電力分公司進(jìn)行復(fù)合材料電桿特型設(shè)計(jì)。其中,套筒式實(shí)心預(yù)制鋼樁基礎(chǔ)為國內(nèi)首創(chuàng),適用于灘涂軟質(zhì)地基,埋入基礎(chǔ)部分為一根錐狀鍍鋅鋼管或不銹鋼管,與上部法蘭連接,管身帶有螺旋葉片,可以由螺桿鉆機(jī)打入地下形成鋼樁。在復(fù)合材料電桿安裝完成后,安裝電桿定位板,并注入混凝土。自7月14日搶修施工完成至今,35 kV灘海線運(yùn)行情況良好,69號(hào)桿再無倒桿情況發(fā)生。35 kV灘海線復(fù)合材料電桿應(yīng)用如圖1所示。

圖1 35 kV灘海線復(fù)合材料電桿應(yīng)用

從輸電運(yùn)維角度看,復(fù)合材料電桿具有質(zhì)量小、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì),套筒式實(shí)心預(yù)制鋼樁基礎(chǔ)具有基礎(chǔ)牢固、模塊化組裝、成本低等優(yōu)點(diǎn),兩者靈活搭配,可應(yīng)對(duì)復(fù)雜地理環(huán)境,適用于快速應(yīng)急搶險(xiǎn)工程。據(jù)統(tǒng)計(jì),生態(tài)保護(hù)區(qū)及沿海灘涂地區(qū)的輸電線路共有40條以上,涉及電桿500基以上,在未來運(yùn)維工作中將繼續(xù)推廣應(yīng)用復(fù)合材料電桿。

項(xiàng)目組邀請(qǐng)華北電力大學(xué)對(duì)復(fù)合材料電桿及套筒式實(shí)心預(yù)制鋼樁基礎(chǔ)進(jìn)行可靠性校驗(yàn),內(nèi)容分三部分:塔身風(fēng)載荷計(jì)算、下壓穩(wěn)定性計(jì)算、傾覆穩(wěn)定性計(jì)算。

塔身風(fēng)載荷的計(jì)算針對(duì)LGJ-70/10、LGJ-95/20、LGJ-120/20三種型號(hào)的導(dǎo)線在10 m/s、30 m/s、60 m/s大風(fēng)工況,以及覆冰工況下進(jìn)行,覆冰工況的風(fēng)速為10 m/s,覆冰厚度為10 mm。大風(fēng)工況計(jì)算結(jié)果見表2,覆冰工況塔頭風(fēng)載荷為10.2 N/m,塔身風(fēng)載荷為13.7 N/m。

表2 大風(fēng)工況計(jì)算結(jié)果

對(duì)于下壓穩(wěn)定性,參照標(biāo)準(zhǔn) DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定,對(duì)套筒式實(shí)心預(yù)制鋼樁基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值見表3,極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值見表4,灌注樁豎向承載力抗力分項(xiàng)因數(shù)見表5。

表3 樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值 kPa

表4 樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值 kPa

表5 灌注樁豎向承載力抗力分項(xiàng)因數(shù)

套筒式實(shí)心預(yù)制鋼樁基礎(chǔ)的豎向載荷為20.8 kN,豎向承載力設(shè)計(jì)值為337.81 kN,下壓穩(wěn)定性滿足要求。

對(duì)于傾覆穩(wěn)定性,參照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5219—2014中相關(guān)規(guī)定,對(duì)套筒式實(shí)心預(yù)制鋼樁基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。選擇LGJ-120/20型導(dǎo)線在30 m/s大風(fēng)工況下進(jìn)行傾覆穩(wěn)定性計(jì)算,此時(shí)導(dǎo)線風(fēng)壓為1 545.43 N,絕緣子串風(fēng)壓為70.87 N。

黏性土的參數(shù)見表6。塔頭風(fēng)荷載為76.52 N·m,塔身風(fēng)荷載為102.77 N·m,橫擔(dān)以上視為塔頭,電桿所受風(fēng)荷載簡化為一個(gè)集中力,計(jì)算得到傾覆力矩為39.07 kN·m。顯然傾覆力矩小于極限傾覆力矩,傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

表6 黏性土參數(shù)

5.2 110 kV渤大線

2022年3月28日,中石化勝利油田產(chǎn)能建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目義193-X28井臺(tái)電驅(qū)壓裂110 kV、31 500 kV·A輸變電工程一次送電成功。這一工程是復(fù)合材料電桿在國內(nèi)首次小規(guī)模應(yīng)用于石化產(chǎn)業(yè)110 kV輸電線路。電驅(qū)壓裂輸變電工程輸電線路要求根據(jù)電驅(qū)壓裂輸變電工程地理位置及電源位置靈活調(diào)整輸電設(shè)計(jì)方案,壓裂工期短,不超過30 d,需循環(huán)使用。

在輸電線路環(huán)節(jié)對(duì)比各種電桿。

(1) 環(huán)形混凝土電桿線路造價(jià)低,但無法頻繁重復(fù)使用,在高腐蝕性、高強(qiáng)度使用情況下極易造成倒桿斷桿。如果將環(huán)形混凝土電桿定義為一次性使用,那么成本將遠(yuǎn)高于復(fù)合材料電桿,影響電驅(qū)壓裂工程穩(wěn)定運(yùn)行。

(2) 角鋼塔線路強(qiáng)度高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,質(zhì)量極大,在臨時(shí)輸電用電情況下使用成本極高,并且需要灌注樁基礎(chǔ),施工周期長、成本高。

(3) 管塔線路與角鋼塔線路類似,質(zhì)量大,需要灌注樁基礎(chǔ),施工周期長、成本高。

(4) 電纜線路不適用于長距離輸電,并且每次電驅(qū)壓裂工程地理位置、距離不定,中間接頭過多會(huì)導(dǎo)致短路事故。

(5) 復(fù)合材料電桿線路強(qiáng)度高,質(zhì)量小,基礎(chǔ)簡單,施工周期短,成本比環(huán)形混凝土電桿線路高,但低于角鋼塔線路、管塔線路及電纜線路。

通過對(duì)比,選擇使用復(fù)合材料電桿線路作為實(shí)施方案。輸電線路采用稍徑為190 mm的復(fù)合材料電桿,共組立三基。其中,15 m單桿單挑終端桿一基、12 m三聯(lián)單桿單挑直線桿一基、15 m三聯(lián)單桿單挑耐張桿一基,設(shè)計(jì)檔距為80～120 m。因?yàn)榫€路全長不超過300 m,并且穿越110 kV國華線,可以不考慮防雷及接地。3月28日,輸電線路一次送電成功。

通過在義193-X28井臺(tái)電驅(qū)壓裂輸變電工程的應(yīng)用,證明復(fù)合材料電桿可以較好滿足工程需求,同時(shí)積累了復(fù)合材料電桿在電驅(qū)壓裂輸變電工程中應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn),未來可以逐步改進(jìn),進(jìn)一步簡化桿型和工藝流程,降低工程成本。

6 結(jié)束語

目前,復(fù)合材料電桿因成本問題,僅應(yīng)用于微地形、微氣象典型環(huán)境中。隨著中石化上下游產(chǎn)業(yè)一體化持續(xù)推進(jìn),聚氨酯、玻璃纖維、碳纖維等材料成本降低,以及復(fù)合材料電桿的大量應(yīng)用,復(fù)合材料電桿將完成與環(huán)形混凝土電桿的新舊交替,油田輸電線路也將更好地服務(wù)于油氣生產(chǎn)。