輸電線路耐候鋼角鋼塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

羅義華， 羅正幫， 黃 耀, 楊 進(jìn)， 楊雪鋒

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230061；

2.安徽華電工程咨詢設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230022；3.中國電力科學(xué)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(jié)構(gòu)鋼(耐候鋼)”被國內(nèi)外輸電線路設(shè)計人員所關(guān)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(hù)層,減緩腐蝕向材料縱深發(fā)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(huán)境一般包括農(nóng)村大氣環(huán)境,城市大氣環(huán)境,工業(yè)大氣環(huán)境以及海洋大氣環(huán)境等幾種典型大氣類型[2],不同腐蝕大氣各自的特點導(dǎo)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(shè)計輸電鐵塔時要特別關(guān)注其所處大氣環(huán)境條件。

目前,美國、日本、德國等已建并成功投運數(shù)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(shè)計,國外發(fā)達(dá)國家已有較成熟的經(jīng)驗和設(shè)計指南。與國外相比,國內(nèi)在此方面的研究較少,僅有中國電力科學(xué)院于2009年在廈門220kV梧侶-內(nèi)官線路中完成2基冷彎耐候角鋼塔試點應(yīng)用,但實際應(yīng)用時均采用噴鋅工藝進(jìn)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(shù)難點,本文從耐候角鋼塔設(shè)計方面闡述了關(guān)鍵技術(shù)要點。

1 冷彎耐候角鋼規(guī)格庫

1.1 耐候鋼預(yù)留腐蝕層厚度

耐候鋼用于輸電鐵塔其優(yōu)勢在于免涂裝、不鍍鋅,可直接暴露大氣環(huán)境下使用,其耐腐蝕性能是通過其表面形成天然保護(hù)層而實現(xiàn)的,對于耐候角鋼塔的設(shè)計,考慮耐候鋼的預(yù)留腐蝕層厚度是必要的?！?10 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB 50545-2010)規(guī)定110 kV～330 kV輸電線路及其大跨越基本風(fēng)速、設(shè)計冰厚重現(xiàn)期應(yīng)取30年,750 kV、500 kV輸電線路重現(xiàn)期應(yīng)取50年[7]?！遁旊娋€路資產(chǎn)全壽命周期設(shè)計建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》中明確規(guī)定鐵塔設(shè)計年限為40年[8]。

確定輸電桿塔設(shè)計使用年限內(nèi)角鋼預(yù)留腐蝕層厚度是桿塔設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)之一。根據(jù)中國電力科學(xué)研究院相關(guān)調(diào)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(chǎn)規(guī)格尺寸限制,工程應(yīng)用預(yù)留銹蝕層厚度至少為0.5 mm/面,設(shè)計平均年腐蝕速率為0.013 mm(設(shè)計使用年限取40年計算),可滿足常規(guī)大氣環(huán)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(xiàn)階段,耐候鋼軋制截面形式比普通結(jié)構(gòu)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(tài)下,經(jīng)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(xué)基本理論知識,可推導(dǎo)等肢冷彎角鋼截面幾何特性。根據(jù)截面特點,將整個截面分為3個區(qū)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(zhuǎn)半徑最小軸回轉(zhuǎn)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(nèi)圓弧半徑;h為預(yù)留腐蝕層厚度;a01為區(qū)域1對坐標(biāo)軸Y0形心距;a02為區(qū)域2對坐標(biāo)軸Y0形心距;a03為區(qū)域3對坐標(biāo)軸Y0形心距;a1為區(qū)域1對坐標(biāo)軸Y形心距;a2為區(qū)域2對坐標(biāo)軸Y形心距;a3為區(qū)域3對坐標(biāo)軸Y形心距;b01為區(qū)域1對坐標(biāo)軸X0形心距;b02為區(qū)域2對坐標(biāo)軸X0形心距;b03為區(qū)域3對坐標(biāo)軸X0形心距;b1為區(qū)域1對坐標(biāo)軸X形心距;b2為區(qū)域2對坐標(biāo)軸X形心距;b3為區(qū)域3對坐標(biāo)軸X形心距;A1為區(qū)域1面積;A2為區(qū)域2面積;A3為區(qū)域3面積。

根據(jù)角鋼塔設(shè)計使用年限,確定耐候鋼角鋼預(yù)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(guī)格庫,見表1。

表1 冷彎耐候角鋼規(guī)格庫(預(yù)留腐蝕層厚度0.5mm/面)

表1(續(xù))

2 耐候鋼角鋼塔設(shè)計關(guān)鍵要點

2.1 耐候鋼材料的選擇

選擇耐候鋼材料應(yīng)當(dāng)考慮以下原則:

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

(2)材料強度滿足國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范等;

(3)原材料供應(yīng)充足,且經(jīng)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(qū),耐候鋼可免涂裝直接暴露大氣環(huán)境下使用。本工程選用首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SQ355NH,其部分化學(xué)成分見表2,滿足耐候鋼材料選用原則。

表2 SQ355NH部分化學(xué)成分表(wt%)

2.2 軸心受壓構(gòu)件承載力計算

軸心受壓桿件穩(wěn)定系數(shù)φ是受壓構(gòu)件承載力計算的關(guān)鍵參數(shù),其受截面的不同形式和尺寸、不同的加工條件及相應(yīng)的殘余應(yīng)力、桿件的初彎曲等影響,現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范未對冷彎耐候角鋼軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)取值做出規(guī)定。中國電力科學(xué)研究院經(jīng)過大量的軸心受壓構(gòu)件試驗,得到了冷彎角鋼軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)φ計算公式[4]:

(8)

(9)

式中:λ為冷彎角鋼弱軸長細(xì)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(gòu)件長細(xì)比λ影響,長細(xì)比需要進(jìn)行修正,修正系數(shù)K見表3。

表3 受壓構(gòu)件長細(xì)比修正系數(shù)K

參考現(xiàn)行規(guī)范,冷彎耐候角鋼構(gòu)件承載力N按式(10)驗算:

N≤φ·f·A

(10)

式中:φ為受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù);A為構(gòu)件毛截面面積;f為冷彎型鋼鋼材強度設(shè)計值,材料抗力分項系數(shù)取1.165[10]。

2.3 連接節(jié)點耐腐蝕技術(shù)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(xué)腐蝕,盡管這種腐蝕短期內(nèi)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(jié)點喪失承載力的隱患。圖2為北京環(huán)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(yán)重。因此,免涂裝耐候角鋼塔桿件連接節(jié)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(chǎn)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(tǒng)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(fā)生雷電反擊閃絡(luò)的概率明顯增大,雷電故障風(fēng)險較大,因此,針對耐候角鋼塔開展了專項的防雷設(shè)計,如圖3所示。

圖3 防雷引流線設(shè)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(jù)國網(wǎng)通用設(shè)計1D2模塊,采用冷彎耐候角鋼設(shè)計了SJ4型耐張塔,進(jìn)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(jù)輸電線路桿塔設(shè)計規(guī)范[7],本次試驗共進(jìn)行了60°大風(fēng)、90°大風(fēng)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(dá)到116%時,受壓側(cè)塔腿主材最先發(fā)生彎曲失穩(wěn)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(yīng)用

為進(jìn)一步研究耐候鋼在輸電線路中免涂裝應(yīng)用的技術(shù)難點,國網(wǎng)安徽省電力公司作為建設(shè)單位,由安徽華電工程咨詢設(shè)計有限公司設(shè)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(yīng)用提供了寶貴的工程實踐經(jīng)驗。

5 結(jié)論與展望

免涂裝耐候角鋼塔的應(yīng)用,標(biāo)志著耐候鋼的抗大氣腐蝕性能發(fā)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(tǒng)鍍鋅鋼帶來環(huán)境污染問題,同時節(jié)約角鋼塔后期維護(hù)費用。本文針對免涂裝冷彎耐候角鋼塔開展設(shè)計研究工作,主要形成以下結(jié)論:

(1)冷彎耐候角鋼預(yù)留銹蝕層厚度取0.5 mm/面,平均腐蝕速率為0.013 mm/a(設(shè)計使用年限取40年計算),可滿足常規(guī)大氣環(huán)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(shù)進(jìn)行計算,并形成截面規(guī)格庫,以便工程實踐使用。

(3)免涂裝耐候角鋼塔桿件連接節(jié)點應(yīng)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(chǎn)品。

(4)真型試驗結(jié)果表明,采用冷彎耐候角鋼設(shè)計輸電桿塔可以滿足承載力要求。

此外,由于冷彎角鋼生產(chǎn)效率較低,且受廠家生產(chǎn)設(shè)備限制,不利于耐候鋼在輸電線路中的推廣應(yīng)用。熱軋耐候角鋼大規(guī)模生產(chǎn),必將助推耐候鋼輸電角鋼塔在實際工程應(yīng)用。免涂裝冷彎耐候角鋼塔在國內(nèi)初次使用,設(shè)計相關(guān)方面研究甚少,還需進(jìn)一步對免涂裝冷彎耐候角鋼塔進(jìn)行專項研究。