淺析輸電線路塔材的選用及故障防范

商笑愷

摘要：鐵塔是輸電線路中最主要的組成部分，承載著電力的輸送。整個(gè)鐵塔主要由塔頭、塔身和塔腿三大部分組成，如果是拉線鐵塔還增加拉線部分，本文從耐候角鋼塔設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了相關(guān)研究，重點(diǎn)探討了冷彎耐候角鋼截面幾何特性計(jì)算、耐候鋼材料選擇原則、冷彎角鋼軸心受壓承載力計(jì)算、節(jié)點(diǎn)耐腐蝕技術(shù)措施等設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鐵塔塔材;設(shè)計(jì)選用;措施防范

輸電線路鐵塔簡(jiǎn)稱電力鐵塔。按照形狀，輸電線路鐵塔一般分為“酒杯型”、“貓頭型”、“上字型”、“干字型”和“桶型”5種。環(huán)境污染是輸電線路桿塔裸露在外的金屬部件產(chǎn)生腐蝕的重要影響因素，主要表現(xiàn)在塔身銹蝕、接地網(wǎng)銹蝕和對(duì)地導(dǎo)線銹蝕等。如腐蝕相對(duì)嚴(yán)重，明顯降低了其與基礎(chǔ)的接觸面積和桿塔的穩(wěn)定性，增大了倒塔斷線的風(fēng)險(xiǎn)。因此，要使電網(wǎng)能夠安全運(yùn)行，輸電桿塔的防腐蝕成為必須考慮的突出問(wèn)題。

1.輸電線路桿塔主材與基礎(chǔ)接觸部的腐蝕機(jī)理

1.1實(shí)驗(yàn)方法和過(guò)程

為研究輸電線路桿塔主材與基礎(chǔ)接觸部的腐蝕機(jī)理，首先采用BrukerAXSD8-AdvanceX射線衍射儀（Cu靶，K，λ=0.15456nm）對(duì)接觸部?jī)?nèi)、外兩側(cè)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行物相分析。其次，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地下500mm，左右處土壤取樣。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，清除土壤中雜物，自然風(fēng)干，粉碎研磨后通過(guò)20目篩。用除鹽水按照水土比5：1的方法溶解、振蕩，過(guò)濾出浸出液。靜置后，分別采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法和電極法對(duì)土壤樣品中的金屬陽(yáng)離子和非金屬陰離子進(jìn)行分析。針對(duì)輸電線路鐵塔塔腳與基座連接部的腐蝕嚴(yán)重情況，采用保護(hù)帽涂層對(duì)其保護(hù)，其中涂層有內(nèi)向外依次為丙烯酸樹脂+羅曼哈斯膠+Megum538膠+改性環(huán)氧樹脂砂漿+防水防滲涂料，另外，為了避免由于長(zhǎng)時(shí)間受雨水侵蝕而導(dǎo)致防水防滲涂層起泡的現(xiàn)象，將保護(hù)帽涂層外層設(shè)計(jì)成倒水棱。配置硝酸鈣質(zhì)量濃度為8.01g/L、硝酸鉀質(zhì)量濃度為10.14g/L、無(wú)水硫酸鈉質(zhì)量濃度為13.5g/L、氯化鈉質(zhì)量濃度為5.58g/L和磷酸三鈉質(zhì)量濃度為15.6g/L的溶液，采用南京環(huán)科YWX-250型鹽霧試驗(yàn)箱對(duì)保護(hù)帽進(jìn)行鹽霧實(shí)驗(yàn)。

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

輸電線路桿塔主材與基礎(chǔ)接觸部?jī)?nèi)、外兩層腐蝕產(chǎn)物的XRD衍射圖?？梢钥闯龈鞲g產(chǎn)物中的組成大致類似，均為FeO、Fe2O3、Fe3O4、FeOOH及少量微晶和非晶物質(zhì)，但外層晶態(tài)的FeO、Fe2O3、Fe3O4和FeOOH均較多，其衍射峰相對(duì)明顯，說(shuō)明其穩(wěn)定性較高。內(nèi)層晶態(tài)物質(zhì)的峰強(qiáng)較弱，說(shuō)明其腐蝕產(chǎn)物中含有大量的微晶和非晶，這表明其腐蝕產(chǎn)物的穩(wěn)定性較差，大量物質(zhì)處于腐蝕過(guò)程的中間狀態(tài)，在環(huán)境條件合適時(shí)，其腐蝕轉(zhuǎn)變將會(huì)繼續(xù)發(fā)生。

從土壤樣品檢測(cè)結(jié)果，可以看出除金屬K+、Na+、Ca2+離子外，含有一定量的SO42-、NO3-、PO43-、及Cl-，特別是Cl-含量相對(duì)較高。桿塔主材一般采用鍍鋅鋼材，通常鋅與鋼鐵之間發(fā)生擴(kuò)散形成鋅鐵合金層，比一般涂料結(jié)合更牢固，暴露在大氣環(huán)境中的鋅層數(shù)十年不會(huì)脫落，但鍍鋅層在接觸空氣和水時(shí)，可產(chǎn)生輕微的電化學(xué)腐蝕。與內(nèi)陸地區(qū)相比，嶺南沿海地區(qū)位于亞熱帶低緯度地區(qū)，電網(wǎng)金屬結(jié)構(gòu)所處的運(yùn)行環(huán)境十分復(fù)雜，南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候的特點(diǎn)，使得大氣濕度很大，水蒸氣易在毛細(xì)管作用、吸附作用、化學(xué)凝結(jié)作用的影響下，附著在鋼材表面上形成一層水膜。補(bǔ)充嶺南沿海地區(qū)氣態(tài)污染情況（沿海地區(qū)鹽密大），這樣部分二氧化硫和氮氧化物溶解在鋼材表面的水膜中形成導(dǎo)電性較強(qiáng)的電解質(zhì)溶液，電解液溶液與金屬氧化膜發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生孔蝕，加速了輸電桿塔腐蝕。另一方面，可以看出土壤中Cl-含量較高，工廠所排出的Cl2形成HCl，HCl+Fe→H2+FeCl3，而FeCl3溶于水，于是進(jìn)一步增加了桿塔主材與基礎(chǔ)接觸部的銹蝕。為了對(duì)比腐蝕情況，在Q420角鋼上，設(shè)計(jì)了六種耐腐蝕方案。其中1號(hào)為丙烯酸樹脂，2號(hào)為丙烯酸樹脂+羅曼哈斯膠+Megum538膠，3號(hào)為丙烯酸樹脂+羅曼哈斯膠+Megum538膠+改性環(huán)氧樹脂砂漿，4號(hào)為丙烯酸樹脂+羅曼哈斯膠+Megum538膠+改性環(huán)氧樹脂砂漿+防水防滲涂料，5號(hào)為無(wú)鍍鋅層的鋼板，6號(hào)為有鍍鋅層的鋼板有出現(xiàn)裂紋、起泡、銹蝕等現(xiàn)象。2號(hào)試樣在240h表面鹽分殘留相對(duì)很少，說(shuō)明在丙烯酸樹脂膠表面涂覆羅曼哈斯膠和Megum538膠的過(guò)渡層，使得試樣的抗鹽霧腐蝕的能力得到顯著提高。3號(hào)和4號(hào)試樣經(jīng)過(guò)240h腐蝕后表面無(wú)點(diǎn)蝕、裂紋、起泡和銹蝕等現(xiàn)象，將3號(hào)和4號(hào)試樣的保護(hù)帽剖開后，被保護(hù)的基材表面沒(méi)有滲水、銹蝕現(xiàn)象，說(shuō)明其防護(hù)效果較佳。

2.輸電線路桿塔主材斷裂研究

低溫及雨雪天氣容易導(dǎo)致鋼材發(fā)生斷裂失效。2009年入冬，國(guó)內(nèi)北部某城市降雪頻繁，氣溫驟降，致使某輸電線路鐵塔投運(yùn)后發(fā)生3基轉(zhuǎn)角塔下部主材斷裂失效。3基鐵塔均按第Ⅶ種典型氣象區(qū)條件設(shè)計(jì)[1-2]，鐵塔主材設(shè)計(jì)材質(zhì)為Q345B，角鋼規(guī)格為∠160mm×160mm×14mm，塔型為FJ60-15，均斷于受拉腿底部。本文以一個(gè)典型失效塔為對(duì)象，通過(guò)分析及試驗(yàn)數(shù)據(jù)并提出防范措施

2.1承載力計(jì)算

斷裂主材型號(hào)為Q345BL160×14，該型號(hào)鋼材最大承載力為1100kN（去除螺栓孔后）。經(jīng)計(jì)算，失效塔材在不同工況下的承載力如下：掛線靜止?fàn)顟B(tài)（含低溫及覆冰）時(shí)，荷載為731.23kN，承載力為最大承載力的66.25%;承受最大風(fēng)力時(shí)，荷載為843.25kN，承載力為最大承載力的76.7%;安裝時(shí)，荷載為686.55kN，承載力為最大承載力的62.5%。可見(jiàn)，鐵塔承載力在安全范圍內(nèi)。

2.2失效角鋼化學(xué)成分分析：從失效角鋼取樣，化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1

以看出，失效角鋼化學(xué)成分滿足GB/T1591—2008對(duì)Q345B鋼的要求。

2.3失效角鋼常溫力學(xué)性能試驗(yàn)：分別進(jìn)行室溫拉伸、室溫沖擊試驗(yàn)，其中，沖擊試樣沿縱向取樣，加工成55mm×10mm×10mm試樣，沿厚度方向開V型缺口，失效角鋼的常溫屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率及常溫沖擊性能均達(dá)到了GB/T1591—2008對(duì)Q345B鋼的性能要求。

2.4失效角鋼低溫力學(xué)性能試驗(yàn)：采用板狀試樣，測(cè)試了不同溫度下失效角鋼低溫拉伸性能，測(cè)試結(jié)果可以看出，溫度對(duì)角鋼強(qiáng)度的影響不大，隨溫度的降低，角鋼的塑性略有降低。

2.5低溫沖擊試驗(yàn)：從失效角鋼取樣，測(cè)試不同溫度下角鋼的沖擊性能，測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)材料在溫度為0～-20℃時(shí)沖擊吸收能量逐漸下降到34J以下。根據(jù)GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》韌脆轉(zhuǎn)變溫度的判定方法，材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-20℃，對(duì)應(yīng)的沖擊吸收能量為21J。根據(jù)上述分析，失效塔材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度大致為-20℃，-30℃時(shí)的沖擊功小于15J，-40℃時(shí)的沖擊功小于5J。在-30～-40℃時(shí)，塔材已經(jīng)嚴(yán)重脆化。

2.6失效角鋼金相組織與非金屬夾雜物檢驗(yàn)：對(duì)失效角鋼進(jìn)行了金相組織分析和非金屬夾雜物檢驗(yàn)，結(jié)果表明，失效角鋼金相組織為帶狀珠光體+鐵素體;C類夾雜物2.5級(jí)，夾雜物寬度22μm。螺栓孔邊緣觀察到深度為0.4mm的微裂紋，角鋼中有輕微帶狀偏析，偏析區(qū)有輕度魏氏體組織，結(jié)合沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析夾雜物對(duì)角鋼性能影響不大。

2.7斷口分析失效鐵塔主材宏觀斷口形貌如圖2所示。

從圖2中斷面上人字形花樣看出，塔材從一個(gè)螺栓孔起裂后擴(kuò)展，穿過(guò)同一橫截面的另一個(gè)螺栓孔，然后斷裂。斷裂面通過(guò)螺栓孔，垂直于表面，為平坦的正斷口，邊緣拉邊區(qū)非常小。取試件斷口，進(jìn)行除銹處理和超聲波清洗后在掃描電鏡下觀察其微觀形貌，斷裂從螺栓孔內(nèi)部表面（不是孔邊緣頂角）開始，起裂區(qū)表面有1層彎曲變形的撕裂狀斷口，起裂區(qū)和表面邊緣區(qū)只有非常窄的區(qū)域（約0.15mm寬）的拉邊。擴(kuò)展區(qū)斷口局部見(jiàn)到許多平行于表面的二次裂紋，從形態(tài)判斷與材料中非金屬夾雜物的分布有關(guān)，擴(kuò)展區(qū)斷口為解理斷口?？傮w上屬于一次性快速脆性斷裂。

3.結(jié)語(yǔ)

輸電線路鐵塔角鋼失效分析，特別是鐵塔材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、沖擊性能）分析，同時(shí)根據(jù)不同運(yùn)行使用環(huán)境及受力狀況，對(duì)于承受較大。鐵塔主材在低溫下嚴(yán)重脆化，外界輕微影響極易造成塔材斷裂失效，鐵塔加工中沖孔所形成的微裂紋是導(dǎo)致塔材失效的主要原因。對(duì)于在高寒環(huán)境中運(yùn)行的鐵塔，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇低溫韌性好的材料，或改變鐵塔結(jié)構(gòu)，選擇抗極端自然災(zāi)害能力更強(qiáng)的鋼管塔。對(duì)于在高寒環(huán)境中運(yùn)行的鐵塔，在加工中應(yīng)謹(jǐn)慎選擇冷加工工藝（如剪切、沖孔），嚴(yán)格控制加工過(guò)程，避免表面損傷。

參考文獻(xiàn)

[1]胡紅中.輸電線路塔腳主板不同焊接工藝方案對(duì)比分析[J]. 機(jī)械工程師2019（07）