輸電線路鐵塔用鋼的發(fā)展趨勢(shì)

何長(zhǎng)華

（中國電力科學(xué)研究院，北京市，100192）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各地經(jīng)濟(jì)對(duì)電力的需求不斷增加，使得我國電網(wǎng)建設(shè)有了前所未有的發(fā)展。隨著長(zhǎng)距離大容量電力傳輸?shù)男枰妷旱燃?jí)不斷升級(jí)，以1000 kV交流、±800 kV直流和±1000 kV直流的特高壓線路為骨干網(wǎng)架的線路正在建設(shè)中，輸電塔也從早期的木桿、混凝土桿發(fā)展到現(xiàn)在普遍采用的鋼結(jié)構(gòu)塔，單基塔質(zhì)量從1～2 t發(fā)展到上千噸。目前正在建設(shè)的江舟山與內(nèi)陸聯(lián)網(wǎng)跨海工程跨越塔，塔高約370 m，單基塔質(zhì)量達(dá)到5999 t。

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展升級(jí)，輸電塔也在向大型化、鋼結(jié)構(gòu)化、規(guī)?；较虬l(fā)展，輸電塔的用鋼量不斷增大，需要的單根構(gòu)件承載力越來越高，對(duì)型材的需求越來越廣。這些對(duì)輸電塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋼材使用提出了更高的要求。

1 我國輸電線路發(fā)展現(xiàn)狀

新中國成立后，我國的電力事業(yè)得到了快速的發(fā)展，輸電線路的建設(shè)也獲得了巨大的進(jìn)展。20世紀(jì)50年代我國建設(shè)了一大批35 kV和110 kV線路。20世紀(jì)60年代開始建設(shè)220 kV線路，并逐步形成地區(qū)220 kV電網(wǎng)。隨著電力負(fù)荷的增長(zhǎng)和大型水、火電源的開發(fā)，1972年我國建成第1條330 kV劉家峽—關(guān)中超高壓線路，隨后此超高壓線路逐步延伸，并形成西北跨省聯(lián)合電網(wǎng)。1981年我國第1條500 kV平頂山—武漢線路投入運(yùn)行，接著其他地區(qū)也相繼開展了500 kV線路的建設(shè)，形成了目前的東北、華北、華東、華中、西北、南方、川渝共7個(gè)跨省電網(wǎng)和山東、福建、新疆、海南、西藏共5個(gè)獨(dú)立省（區(qū)）電網(wǎng)[1]。隨著我國電力負(fù)荷的迅速增長(zhǎng)和大型能源基地的開發(fā)，電力的跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)和長(zhǎng)距離輸送已經(jīng)成為電力輸送發(fā)展的必然趨勢(shì)，更高電壓等級(jí)被引入輸電線路，2008年我國第1條1000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓線路建成投運(yùn)，隨后淮南—上海、錫盟—上海、陜北—長(zhǎng)沙等1000 kV特高壓交流輸變電工程以及金沙江、溪洛渡、向家壩等水電站外送的±800 kV直流特高壓送出工程都已進(jìn)入建設(shè)規(guī)劃中。到2015年前后，我國將在南北方向構(gòu)建多回1000 kV級(jí)特高壓輸電線路大通道，輸電線路總長(zhǎng)約為4200 km，此外，還建成±800 kV級(jí)特高壓直流輸電線路工程7200 km。

從220 kV、330 kV、500 kV輸電線路工程建設(shè)開始，就將鋼材作為輸電塔的主要材料。在20世紀(jì)80—90年代，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，鋼材貨源充足，輸電塔上鋼材的使用量不斷增大。據(jù)電力部門測(cè)算，“十一五”期間國家電網(wǎng)公司每年投產(chǎn)220 kV及以上的輸電線路約2.8×104km，輸電鐵塔年均需求鋼材40萬t左右[2]。隨著電壓等級(jí)的不斷升高，輸電塔所用的鋼材重量不斷增加，目前建設(shè)的1000 kV輸電塔相比現(xiàn)在500 kV鐵塔，其外型規(guī)模、塔材重量上都有了較大變化，塔重增加4～5倍，單回路單基塔質(zhì)量將達(dá)到100 t，雙回路單基塔質(zhì)量將達(dá)到250 t。預(yù)計(jì)今后5年特高壓輸電線路上的投資約達(dá)6千多億元，鐵塔鋼材需求量達(dá)600多萬t。

2 輸電塔鋼材使用特點(diǎn)和現(xiàn)狀

由于輸電線路多是跨區(qū)域、長(zhǎng)距離建設(shè)，因此，輸電鐵塔必須要滿足以下特殊使用條件。

（1）運(yùn)行環(huán)境惡劣：長(zhǎng)期露天運(yùn)行，面臨各類氣象條件、大氣腐蝕。

（2）現(xiàn)場(chǎng)施工困難：地點(diǎn)分散，長(zhǎng)距離綿延，沒有大型機(jī)械設(shè)備使用的條件。

（3）運(yùn)輸條件復(fù)雜：翻山越嶺，跨河穿林，道路不通。

（4）使用條件變化多樣：線路轉(zhuǎn)角變化，氣象條件差異，鐵塔間距和高度的變化。

這些特定條件決定了輸電塔要具備運(yùn)輸安裝方便、日后運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便、可應(yīng)對(duì)各類氣象條件等特點(diǎn)，因此，輸電鐵塔通常采用專業(yè)化設(shè)計(jì)、格構(gòu)式組合結(jié)構(gòu)、螺栓裝配連接，且需具備良好的防腐性能。

輸電鐵塔一般多采用單柱鋼管桿（見圖1）或由四柱式組合結(jié)構(gòu)的鐵塔（見圖2），采用熱鍍鋅防腐工藝。鋼管桿多采用鋼板制成不等徑鋼管；鐵塔采用型材構(gòu)件拼裝的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，通常1基鐵塔中要用到上千種構(gòu)件，40～60種規(guī)格的型材。這樣具有配套規(guī)格的熱軋角鋼、鋼管（無縫或直縫焊接）型材和板材就成了輸電塔的首選型材。

隨著電壓等級(jí)的不同，型材材料的使用也在發(fā)生變化，輸電塔桿件斷面形式由簡(jiǎn)單到復(fù)雜進(jìn)行變化。對(duì)于500kV及以下的輸電塔，荷載相對(duì)較小，一般主柱使用單角鋼就可以滿足承力要求；當(dāng)單角鋼不能滿足承載要求時(shí)，則用單角鋼進(jìn)行截面組合，如雙拼角鋼、四拼角鋼、格構(gòu)式[3]。對(duì)于特高壓線路、同塔多回線路、大截面導(dǎo)線線路、大跨越工程的鐵塔，其荷載明顯增大[4]，僅用角鋼已不能滿足需求，這時(shí)就需要選用具有更高承載能力的鋼管構(gòu)件。對(duì)于更大的鐵塔，有時(shí)還要在鋼管構(gòu)件的基礎(chǔ)上增加補(bǔ)強(qiáng)手段，如鋼管中加灌混凝土等。圖3是輸電塔中常用的一些主柱截面形式。

江陰長(zhǎng)江大跨越塔主材每個(gè)分支用板厚65 mm、寬500 mm焊成十字型斷面，然后由4個(gè)十字型斷面組成格構(gòu)式柱（見圖4）。舟山大跨越塔主柱采用鋼管與內(nèi)置鋼構(gòu)架的組合結(jié)構(gòu)（見圖5）。

在輸電塔鋼材材質(zhì)方面，主要以國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700《碳素結(jié)構(gòu)綱》中規(guī)定的Q235和GB/T 1591《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定的Q345等級(jí)鋼材為主，近期開始在鐵塔成批使用Q420等級(jí)鋼材[5-7]。在一些個(gè)別的220 kV線路鋼管桿和500 kV變電構(gòu)架中，也使用過上海寶鋼按ASTM A572GR65配方生產(chǎn)的鋼材屈服強(qiáng)度為450 N/mm2的鋼板。對(duì)于更高強(qiáng)度級(jí)別鋼材，只是對(duì)Q460等級(jí)鋼材進(jìn)行了少量試用。

為了不斷推動(dòng)輸電鐵塔的技術(shù)進(jìn)步，近幾年，在電力行業(yè)內(nèi)有目的地開展了一些新材料在鐵塔應(yīng)用的研究工作，并取得較好的效果。一是冷彎型鋼的使用[8]：首次把冷彎角鋼應(yīng)用于輸電鐵塔[9]，充分借鑒了冷彎型鋼定尺任意、鋼材型號(hào)多樣、鋼材利用率高等特點(diǎn)。二是復(fù)合材料的使用：把玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料用于輸電桿和鐵塔橫擔(dān)上，有效降低了塔重，改善輸電塔防腐性能。雖然這些新材料在輸電塔中大范圍推廣還存在有一些經(jīng)濟(jì)性等方面問題，但新型材料在輸電塔上使用已經(jīng)成為一種時(shí)代發(fā)展的潮流。

3 輸電塔使用鋼材存在的問題

隨著我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，可選用鋼材的品種也越來越多。由于用鋼總量在鋼鐵行業(yè)占很小的比例，因此，鐵塔所用的型鋼材料的生產(chǎn)沒有得到鋼鐵企業(yè)的強(qiáng)力關(guān)注?，F(xiàn)有的型材產(chǎn)品規(guī)格和品質(zhì)延續(xù)了幾十年，缺乏必要的技術(shù)升級(jí)和換代，致使存在于鐵塔型材供貨中的2個(gè)主要問題一直沒得到徹底解決。

3.1 鋼材規(guī)格不足

在角鋼規(guī)格方面，GB 9787《熱軋等邊角鋼外型、尺寸、重量及允許偏差》中給出的從40 mm×3 mm到200 mm×24 mm的角鋼規(guī)格達(dá)70多種，但在市場(chǎng)上能采購到的角鋼產(chǎn)品只有40多種規(guī)格，致使鐵塔加工時(shí)經(jīng)常發(fā)生以大規(guī)格代替小規(guī)格的情況，造成不必要的浪費(fèi)。我國角鋼最大規(guī)格為200mm×24mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足輸電塔使用需求，而國際上角鋼最大規(guī)格可達(dá)250mm×35mm。在建造一些受力大的輸電塔過程中，單角鋼200mm×24mm常常不能滿足受力要求，只能采用組合角鋼，致使輸電塔構(gòu)造復(fù)雜化，另外還要增加許多輔助材料，導(dǎo)致塔重增加。在220 kV汕頭港灣大跨越塔中采用的250 mm×25 mm、250 mm×35 mm大規(guī)格角鋼，只能依靠進(jìn)口鋼材解決。在特高壓桿塔試驗(yàn)基地建設(shè)中，加荷塔中使用的300 mm×30 mm角鋼只能用鋼板焊接成型，增加了大量工作量。

在鋼管規(guī)格方面，在鐵塔中涉及到的鋼管規(guī)格要達(dá)近百種，管徑為89～1000 mm，壁厚為4～25 mm，但目前市場(chǎng)上能夠有效供應(yīng)的鋼管規(guī)格僅40多種，且最大規(guī)格管徑一般為600 mm左右。對(duì)于更大規(guī)格的鋼管，目前多是由鐵塔生產(chǎn)廠使用板材卷制生產(chǎn)。如淮南—上海1000 kV特高壓同塔雙回鐵塔用到的

900 mm×22 mm以及工程試用的Q460等級(jí) 360 mm×10 mm鋼管，都是由鐵塔廠用鋼板自行生產(chǎn)的。

3.2 型材鋼的強(qiáng)度級(jí)別偏低

目前我國在輸電塔使用的角鋼型鋼，仍主要以Q235、Q345低強(qiáng)度鋼材為主，Q420等級(jí)高強(qiáng)角鋼只是剛剛形成了工業(yè)化生產(chǎn)能力；Q460高強(qiáng)角鋼生產(chǎn)仍在摸索中，其成熟度、技術(shù)水平、質(zhì)量穩(wěn)定性等還不夠理想。對(duì)于鋼管產(chǎn)品，其強(qiáng)度等級(jí)也只到Q345強(qiáng)度等級(jí)，雖然目前也有了一些更高強(qiáng)度等級(jí)的鋼管產(chǎn)品，但其規(guī)格系列化程度不夠，因此尚不能滿足鐵塔使用需求。

目前，電力部門已著手開展了Q460等級(jí)鋼管在鐵塔中的應(yīng)用工作，但Q460鋼管供貨渠道還沒有得到完全解決。而日本早在20世紀(jì)90年代就在特高壓線路鐵塔主材采用了鋼材屈服強(qiáng)度為392 N/mm2的鋼管。我國及其他國家用于輸電塔鋼材屈服強(qiáng)度的對(duì)比[10-12]如表1所示，可以看出，我國型鋼材料的強(qiáng)度等級(jí)與國際上其他國家還存在一定的差距。

表1 國內(nèi)外輸電塔鋼材屈服強(qiáng)度對(duì)比Tab.1 Steel yield strength comparison of domestic and foreign transmission towers

鐵塔中采用高強(qiáng)鋼具有很明顯的經(jīng)濟(jì)效益。例如，晉東南—南陽—荊門特高壓線路中，鐵塔采用了Q420高強(qiáng)度角鋼3.3萬t左右，占全部用鋼量的33%左右，由此使整個(gè)工程節(jié)約鋼材約2500 t，節(jié)省投資1億元左右。如果采用Q460高強(qiáng)鋼，節(jié)材量會(huì)更大。500 kV練塘—泗涇線路工程中，在雙回路鋼管塔上試點(diǎn)采用高強(qiáng)鋼，直線塔主材采用Q460鋼管代替目前常用的Q345鋼管，塔身主材節(jié)省鋼材12%～18%，整塔減輕5%～6%；轉(zhuǎn)角塔主材采用Q460鋼管代替Q345鋼管，塔身主材節(jié)省鋼材15%～20%，整塔減輕6%～9%。與Q345鋼管相比，采用Q460高強(qiáng)鋼管后工程全線鋼材節(jié)約1145 t。因此，輸電塔中采用高強(qiáng)度鋼具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，要提高我國輸電塔的技術(shù)水平，就需要有更多高強(qiáng)度級(jí)別的型鋼材料給予支撐。

4 輸電塔用鋼發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的加強(qiáng)，長(zhǎng)距離大容量輸電的特高壓輸電線路將成為電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)的骨干網(wǎng)架，同時(shí)，隨著土地資源的緊缺和環(huán)境保護(hù)的要求，同塔多回路輸電線路越來廣泛使用。不論是特高壓還是同塔多回路線路，其輸電塔的外荷載明顯增大，鐵塔的規(guī)模和單根構(gòu)件的規(guī)格也顯著增加。因此，傳統(tǒng)的型鋼材料的品種和規(guī)格已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代輸電鐵塔發(fā)展的需求，急須探求新的材料和結(jié)構(gòu)形式在鐵塔中使用。

根據(jù)輸電線路發(fā)展的需求，輸電塔對(duì)鋼材需求的趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

（1）更高強(qiáng)度等級(jí)的型鋼。為了進(jìn)一步提高構(gòu)件承載力，減輕單根構(gòu)件的重量，鐵塔使用的鋼材正向高強(qiáng)度級(jí)別發(fā)展。目前，Q420、Q460高強(qiáng)度角鋼和鋼管型鋼已開始在鐵塔中使用，急需鋼鐵企業(yè)能提供成熟的產(chǎn)品。隨著時(shí)間推移，更高強(qiáng)度級(jí)別的型材也將會(huì)被采用，如西氣東送管線已大量使用X70和X80高強(qiáng)度鋼管，屈服強(qiáng)度達(dá)550 MPa以上，管徑規(guī)格為1200 mm，厚度為22 mm，這可為鐵塔中采用高強(qiáng)度鋼材提供很好的借鑒。

（2）更為有效的新結(jié)構(gòu)形式型材。為了滿足鐵塔大負(fù)荷需要，鐵塔構(gòu)件需要具有更高承載能力，目前，僅僅依靠加大角鋼和鋼管的截面規(guī)格已不能完全滿足工程實(shí)際需要。出于運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝方便的考慮，鐵塔的構(gòu)件需要采用更為有效的新結(jié)構(gòu)形式型材，如十字型鋼、組合鋼管以及便于現(xiàn)場(chǎng)組合拼接成主柱的其他型材等。

（3）更節(jié)能環(huán)保的材料。隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的日趨嚴(yán)格，鐵塔熱鍍鋅防腐所帶來的環(huán)境問題越來越突出，因此需要采用高效環(huán)保的手段來處理鐵塔防腐問題。采用復(fù)合材料、耐候鋼替代當(dāng)前普通鋼材是解決鐵塔防腐問題的一條有效途徑，具有較好的社會(huì)效益和環(huán)保效益[13]。目前，電力行業(yè)已在著手開展復(fù)合材料和耐候鋼在輸電鐵塔中的應(yīng)用研究工作，同時(shí)希望一些型鋼生產(chǎn)企業(yè)予以更多關(guān)注。

（4）更標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)化的構(gòu)件。目前，電網(wǎng)建設(shè)速度明顯加快，特別在大型輸電鐵塔生產(chǎn)制造上，現(xiàn)有鐵塔生產(chǎn)廠的產(chǎn)能嚴(yán)重不足，為此，電力部門已經(jīng)開始了把更多市場(chǎng)上已成熟的、專業(yè)化生產(chǎn)的構(gòu)件（如球型節(jié)點(diǎn)、帶頸鍛造法蘭等，其實(shí)物分別如圖6、圖7）引入鐵塔結(jié)構(gòu)中，以擴(kuò)大成品材外購力度，簡(jiǎn)化鐵塔生產(chǎn)廠的工作強(qiáng)度，提高鐵塔生產(chǎn)效率，加強(qiáng)鐵塔產(chǎn)品質(zhì)量保證。同時(shí)，電力部門也對(duì)輸電塔中一些構(gòu)件開展了標(biāo)準(zhǔn)定型化工作，以吸引更多其他專業(yè)化鋼鐵企業(yè)參與這些標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件生產(chǎn)，這就給一些鋼鐵企業(yè)提供依托已有產(chǎn)品擴(kuò)大服務(wù)領(lǐng)域的空間，通過與電力客戶的溝通，發(fā)展出與輸電鐵塔相配套標(biāo)準(zhǔn)、專業(yè)的型材或構(gòu)件，為輸電鐵塔提供更為專業(yè)化的技術(shù)支撐和產(chǎn)品服務(wù)。

5 結(jié)論

輸電鐵塔對(duì)鋼材用量需求將不斷加大，鐵塔的發(fā)展對(duì)鋼材的品種和規(guī)格也將提出更廣、更高的要求。輸電鐵塔使用的鋼材具有明顯的行業(yè)特點(diǎn)，鐵塔用鋼品種相對(duì)固定、需求集中穩(wěn)定，具有較好的潛在市場(chǎng)和可持續(xù)發(fā)展性?？梢灶A(yù)見輸電鐵塔對(duì)優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)的鋼材需求量將是巨大的，未來在鐵塔用鋼方面將是向高強(qiáng)度、新形式型材、節(jié)能環(huán)保以及標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)化方向發(fā)展。

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