塔腳腐蝕對(duì)輸電鐵塔安全性能的影響

單曠怡,李 天,嚴(yán)傳標(biāo),胡家元,夏 晉

(1. 浙江大學(xué)，杭州 310058； 2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司 寧波供電公司，寧波 315010)

輸電鐵塔作為高壓輸電線路的承重結(jié)構(gòu)，是輸電線路最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，其可靠運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)的安全至關(guān)重要[1-2]。近年來，塔腳腐蝕是輸電線路鐵塔腐蝕問題中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[3]，其腐蝕有如下特殊性：(1) 腐蝕環(huán)境復(fù)雜惡劣。塔腳部位易發(fā)生氧濃差腐蝕、縫隙腐蝕，混凝土保護(hù)帽的滲水性及表面積水會(huì)加劇塔腳鋼材的腐蝕[4]。 (2) 腐蝕具有隱蔽性。塔腳包裹于保護(hù)帽中，其內(nèi)部腐蝕形態(tài)及腐蝕程度無法被直觀觀察，易被忽略并導(dǎo)致隱蔽腐蝕發(fā)展惡化。(3) 腐蝕危害性巨大。塔腳作為鐵塔塔架的承力部件，一旦發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，鋼材截面面積減小，從而引起鐵塔受力分布的改變及承載能力的下降，在強(qiáng)風(fēng)、覆冰等工況下極易發(fā)生倒塌事故，造成輸電線路全線故障[5]。

目前，輸電線路鐵塔塔腳腐蝕及因腐蝕引起的鐵塔安全性問題逐漸引起重視。例如，陳彤等[6]通過試驗(yàn)?zāi)M探討了塔腳的腐蝕行為及腐蝕機(jī)理，發(fā)現(xiàn)塔腳處的局部結(jié)構(gòu)與環(huán)境是造成輸電線路鐵塔腐蝕的重要因素，提出了在塔腳與混凝土連接界面上下各50 mm處涂抹環(huán)氧樹脂保護(hù)層和將鐵塔保護(hù)帽設(shè)計(jì)成斜面來減少積灰兩種防護(hù)措施；方玉群等[7]通過對(duì)部分110～220 kV輸電線路鐵塔腐蝕樣本進(jìn)行采集并分析了塔腳腐蝕的內(nèi)在因素，從防腐蝕措施、塔腳設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量管控等方面提高輸電線路鐵塔塔腳的防腐蝕性能；陳云等[8]通過中外規(guī)范的對(duì)比，介紹了與銹蝕等級(jí)劃分相關(guān)的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系，根據(jù)底材類型并考慮整體與局部腐蝕程度,對(duì)輸電線路鐵塔的腐蝕程度進(jìn)行了劃分。由此可見，輸電線路鐵塔塔腳腐蝕機(jī)理復(fù)雜，塔腳腐蝕會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常服役，現(xiàn)有研究已對(duì)塔腳腐蝕原因和后果進(jìn)行了定性討論，然而如何量化塔腳腐蝕程度對(duì)輸電線路鐵塔的安全性能的影響規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

本工作首先對(duì)浙江省內(nèi)輸電線路鐵塔的運(yùn)行情況及腐蝕情況進(jìn)行調(diào)研，明確鐵塔塔腳鍍鋅鋼材的腐蝕程度分布及腐蝕機(jī)理，通過有限元方法，量化分析不同腐蝕工況下輸電線路鐵塔整體安全性的變化及特定構(gòu)件的安全性能演變規(guī)律，并對(duì)塔腳腐蝕后輸電線路鐵塔構(gòu)件的安全性進(jìn)行評(píng)級(jí)。

1 塔腳鋼材腐蝕調(diào)查

對(duì)浙江省內(nèi)162條輸電線路進(jìn)行了調(diào)研，并根據(jù)塔腳腐蝕程度評(píng)為四個(gè)等級(jí)：良好、輕度、明顯和嚴(yán)重，如圖1所示。鐵塔塔腳存在明顯腐蝕的線路有32條，占比20%；鐵塔塔腳存在嚴(yán)重腐蝕亟待整改的線路有17條，占比10%。主要表現(xiàn)為塔腳處的主材和斜材腐蝕，如表1和圖2所示，主材腐蝕率約為30%，而斜材腐蝕率約為80%，腐蝕較為嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象。

圖1 浙江省輸電鐵塔塔腳腐蝕程度分布Fig. 1 Corrosion degree distribution of toeer feet of power transmission tower in Zhejiang province

表1 輸電線路鐵塔塔腳腐蝕情況調(diào)研Tab. 1 Tower feet corrosion investigation of power transmission tower

輸電線路鐵塔塔腳腐蝕主要發(fā)生在大氣/混凝土界面處，其原因可以歸結(jié)為兩類：(1) 外界環(huán)境作用，調(diào)研中塔腳腐蝕較嚴(yán)重的輸電線路鐵塔大多位于水田菜地中，塔腳易受潮或淤泥堆積，影響較大；(2) 混凝土保護(hù)帽性能不足，隨著保護(hù)帽的風(fēng)化破壞，在保護(hù)帽表面形成凹坑，雨水難以及時(shí)排走，加劇了界面處角鋼的腐蝕。可見，輸電線路鐵塔塔腳腐蝕可歸納為大氣/混凝土界面發(fā)生的氧濃差腐蝕[9]：一方面，混凝土保護(hù)帽內(nèi)氧氣隨著氧還原反應(yīng)的發(fā)生被消耗,另一方面，大氣中氧氣含量充足，導(dǎo)致大氣/混凝土界面內(nèi)外的氧氣含量不均衡而形成“氧濃差電池”并加速腐蝕[10]。混凝土保護(hù)帽內(nèi)部氧氣含量較低，該構(gòu)件部位為陽極，同時(shí)鍍鋅鋼表面的氧化膜難以形成，兩者耦合作用下大氣/混凝土界面處鍍鋅鋼腐蝕較為嚴(yán)重。因而，對(duì)塔腳大氣/混凝土界面處進(jìn)行密封處理或施加防腐蝕涂層，在一定程度上能延緩因“氧濃差電池”引起的塔腳腐蝕。

(a) 主材 (b) 斜材圖2 輸電鐵塔塔腳腐蝕部位Fig. 2 Corrosion locations of tower feet of power transmission tower: (a) primary member; (b) diagonal member

2 塔腳腐蝕后的安全性

本工作以60 kV輸電線路鐵塔為例，根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)輸電線路鐵塔塔架進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析塔腳主材和斜材的腐蝕程度以及腐蝕塔腳數(shù)量對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全性的影響。腐蝕率即截面面積損失率(η)見式(1),是表征鋼材腐蝕程度的重要指標(biāo)。

η=(A0-A)/A0

(1)

式中：A0為鋼材原始截面面積;A為鋼材腐蝕后截面面積。

基于上述調(diào)研獲得塔腳鋼材腐蝕程度分布，針對(duì)塔腳主材腐蝕率取0%～70%；塔腳斜材腐蝕率取0%～90%；比較1～4個(gè)塔腳腐蝕數(shù)量的影響，并參考GB 50144-2019《工業(yè)建筑可靠度鑒定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)構(gòu)件的安全性等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。

2.1 模型構(gòu)建

采用3D3S軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，通過改變塔腳處主材和斜材的有效截面厚度，模擬鋼材因腐蝕引起的截面面積損失。鐵塔全高16.9 m，基底寬度1.68 m，自上到下可分為三部分：塔頭、塔身、塔腿,結(jié)構(gòu)整體采用Q235B型等邊角鋼。如圖3所示，四個(gè)塔腳分別用數(shù)值1～4表示，各塔腳主材分別記為1-A、2-A、3-A和4-A，斜材記為1-B、2-B、3-B和4-B。

塔架結(jié)構(gòu)選用空間桁架模型，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

圖3 輸電鐵塔示意圖Fig. 3 Schematic diagram of power transmission tower

(γ0)取1。為簡化計(jì)算，設(shè)計(jì)中進(jìn)行如下假定：(1) 將空間桁架簡化為靜定平面桁架；(2) 構(gòu)件節(jié)點(diǎn)為理想鉸，即構(gòu)件僅承受軸力；(3) 柱腳連接假定為鉸接。荷載類型包括恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載，并考慮運(yùn)行工況荷載及斷線工況荷載,運(yùn)行工況I：最大風(fēng)，無冰，未斷線；斷線工況I：無冰、無風(fēng)、斷下導(dǎo)線一項(xiàng)，地線未斷；斷線工況II：無冰、無風(fēng)、斷一根地線、導(dǎo)線未斷。塔架角鋼尺寸如表2所示，其中塔腳處主材設(shè)計(jì)截面均為L100 mm×16 mm，斜材設(shè)計(jì)截面均為L63 mm×8 mm。

表2 角鋼設(shè)計(jì)尺寸Tab. 2 Design size of angle steel

應(yīng)力/設(shè)計(jì)強(qiáng)度(γ0S/R)是描述結(jié)構(gòu)安全性的主要指標(biāo)，即考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)(γ0)后，荷載在結(jié)構(gòu)桿件上的效應(yīng)(S)與構(gòu)件自身的抗力(R)的比值。應(yīng)力/設(shè)計(jì)強(qiáng)度比小于1時(shí)，結(jié)構(gòu)安全可靠，且數(shù)值越小表示結(jié)構(gòu)安全裕度越高；當(dāng)應(yīng)力/設(shè)計(jì)強(qiáng)度比大于1時(shí)，結(jié)構(gòu)存在失效風(fēng)險(xiǎn)。以強(qiáng)度、繞x軸穩(wěn)定及繞y軸穩(wěn)定的應(yīng)力/設(shè)計(jì)強(qiáng)度(γ0S/R)為指標(biāo)，對(duì)572根構(gòu)件按應(yīng)力/設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)，如表3所示，構(gòu)件承載能力如圖4所示，所有構(gòu)件的γ0S/R均小于1，參考GB 50144-2019《工業(yè)建筑可靠度鑒定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)構(gòu)件安全性進(jìn)行評(píng)級(jí)，所有構(gòu)件安全等級(jí)為a級(jí)，結(jié)構(gòu)是安全的；大部分構(gòu)件的γ0S/R接近于0，表明構(gòu)件的安全裕度較大。

表3 構(gòu)件應(yīng)力/設(shè)計(jì)強(qiáng)度比統(tǒng)計(jì)表Tab. 3 Statistical table of stress-design intensity ratio of members

(a) 強(qiáng)度 (b) 繞x軸穩(wěn)定 (c) 繞y軸穩(wěn)定圖4 構(gòu)件承載能力Fig. 4 Bearing capacity of members:(a) strength; (b) stability of x-rotation; (c) stability of y-rotation

2.2 主材腐蝕對(duì)輸電線路鐵塔安全性影響

2.2.1 主材腐蝕對(duì)鐵塔整體安全性的影響

僅考慮塔腳1主材(1-A)發(fā)生腐蝕時(shí)，在主材腐蝕率不同的情況下，對(duì)輸電鐵塔所有構(gòu)件的γ0S/R進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖5所示。當(dāng)單根主材腐蝕率低于30%時(shí)，主材腐蝕程度對(duì)于構(gòu)件的應(yīng)力/設(shè)計(jì)強(qiáng)度比影響較小；當(dāng)腐蝕率高于40%時(shí)，部分構(gòu)件γ0S/R超過1.0，表明構(gòu)件的安全性已不滿足原有設(shè)計(jì)要求，且其γ0S/R隨腐蝕率的增加呈快速增大的趨勢；同時(shí)，整體構(gòu)件的γ0S/R分布向右側(cè)偏移，表明鐵塔的安全裕度隨主材腐蝕率的升高而降低。

(a) η=0 (b) η=10% (c) η=20% (d) η=30%

2.2.2 主材腐蝕對(duì)塔腳構(gòu)件安全性的影響

由圖6可知，主材(1-A)的γ0S/R隨主材腐蝕率的增加而增加，且曲線斜率逐漸增長，表明腐蝕引起的主材截面損失，一方面會(huì)導(dǎo)致荷截作用下傳遞到該構(gòu)件的應(yīng)力效應(yīng)增加，另一方面結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力重分布后腐蝕主材的應(yīng)力增大。未發(fā)生腐蝕的其他三個(gè)塔腳，其主材的γ0S/R變化較小。

圖6 單根主材腐蝕對(duì)塔腳構(gòu)件安全性能的影響Fig. 6 Effect of single primary member corrosion on safety performance of tower foot members

根據(jù)GB 50144-2019 《工業(yè)建筑可靠度鑒定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)主材(1-A)進(jìn)行安全等級(jí)評(píng)定，當(dāng)腐蝕率為42.3%、45.7%以及49.6%時(shí)，構(gòu)件的安全等級(jí)分別為b級(jí)、c級(jí)和d級(jí)。因此，當(dāng)腐蝕率達(dá)到某臨界腐蝕率時(shí)(主材1-A的臨界腐蝕率為42.3%)，輸電線路鐵塔塔腳構(gòu)件的安全等級(jí)會(huì)降低,且伴隨著較小幅度的腐蝕率增長(由42.3%增長至49.6%)，構(gòu)件安全等級(jí)將迅速下降。

2.3 斜材腐蝕對(duì)輸電線路鐵塔安全性影響

2.3.1 斜材腐蝕對(duì)鐵塔整體安全性的影響

當(dāng)僅考慮塔腳斜材(1-B)發(fā)生腐蝕時(shí)，在不同斜材腐蝕率下，對(duì)輸電鐵塔所有構(gòu)件的γ0S/R進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖7所示。當(dāng)單根斜材腐蝕率低于70%時(shí)，所有構(gòu)件均滿足設(shè)計(jì)安全要求；隨著腐蝕率進(jìn)一步增加，達(dá)到90%時(shí)，部分構(gòu)件的γ0S/R達(dá)到1.2，表明構(gòu)件的安全性能不滿足原有設(shè)計(jì)要求。

(a) η=0 (b) η=10% (c) η=30%

2.3.2 斜材腐蝕對(duì)塔腳構(gòu)件安全性的影響

如圖8所示，斜材(1-B)腐蝕對(duì)未發(fā)生腐蝕的三個(gè)塔腳(2、3、4)的主材安全性能影響很??；而塔腳主材的γ0S/R略有減小，即其構(gòu)件安全性略有提高，可能是由于斜材發(fā)生腐蝕引起的截面積減小,導(dǎo)致塔腳主材和斜材中的應(yīng)力重分布。斜材(1-B)的γ0S/R隨斜材腐蝕率增加而增加，且曲線斜率逐漸增長，這表明腐蝕引起的斜材截面損失，一方面會(huì)導(dǎo)致荷截作用下傳遞到該構(gòu)件的作用效應(yīng)增加，另一方面結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力重分布后腐蝕斜材應(yīng)力增大。當(dāng)腐蝕率達(dá)到84.4%時(shí)，斜材1-B安全等級(jí)由a級(jí)降到b級(jí)。

圖8 單根斜材腐蝕對(duì)塔腳構(gòu)件安全性能的影響Fig. 8 Effect of single diagonal member corrosion on safety of tower foot members performance

值得注意的是，塔腳構(gòu)件安全等級(jí)一定程度上與構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)初始的安全裕度有關(guān)。本工作中，塔腳1主材的初始γ0S/R為0.64，當(dāng)腐蝕率達(dá)到臨界值42.3%時(shí)，安全等級(jí)開始發(fā)生變化；而塔腳1斜材的初始γ0S/R為0.32，安全裕度較大，當(dāng)腐蝕率達(dá)到臨界值(84.4%)時(shí)，其安全等級(jí)才發(fā)生改變。

2.4 塔腳腐蝕數(shù)量對(duì)鐵塔安全性的影響

研究五種腐蝕工況下輸電線路鐵塔塔腳主材安全性能的變化。工況1：塔腳1-A腐蝕；工況2：塔腳1-A、2-A腐蝕；工況3：塔腳1-A、3-A腐蝕；工況4：塔腳1-A、2-A、3-A腐蝕；工況5：塔腳1-A、2-A、3-A、4-A腐蝕，如圖9所示。

(a) 1-A (b) 2-A

五種工況下，四根主材均呈現(xiàn)出一定的“獨(dú)立性”。塔腳主材安全性能退化主要由自身腐蝕程度決定，與其他主材腐蝕的聯(lián)系較??；當(dāng)超過臨界腐蝕率時(shí)，不同工況下，主材的γ0S/R隨腐蝕率的變化呈現(xiàn)出一定差異。當(dāng)η達(dá)到50%時(shí)，工況2、4、5下應(yīng)力/設(shè)計(jì)強(qiáng)度比的變化曲線斜率比工況1、3的要大，表明在工況2、4、5下塔腳1-A安全性能下降相對(duì)較快。

如圖10所示，五種工況下，構(gòu)件應(yīng)力/設(shè)計(jì)強(qiáng)度比隨腐蝕率增加均明顯增長。當(dāng)η<30%時(shí)，構(gòu)件在各個(gè)工況下的性能退化情況相近；當(dāng)η>30%時(shí)，在工況1中，構(gòu)件安全性能下降最慢，在工況4、5中，構(gòu)件安全性能下降最快,反映出構(gòu)件的安全性能退化與腐蝕塔腳的數(shù)量有關(guān)。

圖10 不同工況下構(gòu)件的安全性能退化Fig. 10 Safety degradation of members under different corrosion conditions

3 結(jié)論

(1) 由于輸電線路鐵塔塔腳所處環(huán)境惡劣及自身混凝土保護(hù)帽質(zhì)量較差，腐蝕往往發(fā)生在塔腳大氣/混凝土交接界面上，發(fā)生腐蝕的塔腳分布區(qū)域較廣，且腐蝕程度較為嚴(yán)重。

(2) 通過分析塔腳腐蝕對(duì)輸電線路鐵塔安全性能的影響，發(fā)現(xiàn)腐蝕主材的應(yīng)力/設(shè)計(jì)強(qiáng)度比隨著腐蝕率的增長呈現(xiàn)非線性增長的趨勢，且變化速率不斷增大。塔腳1主材的初始γ0S/R為0.64，當(dāng)腐蝕率達(dá)到臨界值(42.3%)時(shí)，安全等級(jí)隨即發(fā)生變化，腐蝕率進(jìn)一步提高7.3%后，構(gòu)件安全等級(jí)已降低到d級(jí)。因此，在工程中應(yīng)對(duì)塔腳是否達(dá)到其臨界腐蝕率進(jìn)行嚴(yán)格控制，以降低鐵塔的失效風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 構(gòu)件的臨界腐蝕率與構(gòu)件的初始應(yīng)力/設(shè)計(jì)強(qiáng)度比有關(guān)，初始γ0S/R越小，安全裕度越大，臨界腐蝕率越大。合理提高塔腳構(gòu)件安全裕度，可有效提高構(gòu)件的臨界腐蝕率。

(4) 當(dāng)腐蝕程度較輕時(shí)，構(gòu)件安全性能退化主要由自身腐蝕程度決定；當(dāng)腐蝕程度超過臨界腐蝕率時(shí)，構(gòu)件安全性能退化與其他構(gòu)件腐蝕程度有一定的相關(guān)性，且隨其他構(gòu)件腐蝕率的增加，安全性能下降?；谏鲜龉ぷ?，可以對(duì)輸電線路鐵塔塔腳腐蝕后的安全性能進(jìn)行評(píng)估，指導(dǎo)塔腳腐蝕后輸電線路鐵塔的維護(hù)、維修方案。