熱軋耐候角鋼塔結構設計研究及全壽命周期成本分析

程智余，羅義華，尹雪超，楊 進

(1.國網安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230061；2.安徽華電工程咨詢設計有限公司，安徽 合肥 230022)

0 引 言

耐候鋼作為一種耐大氣腐蝕結構鋼，經過一段時間銹蝕后，其表面Cr、Cu等合金元素富集形成一層致密的非晶態(tài)銹層組織，并與基體牢固地結合，在一定程度上抵御大氣中水汽及有害離子的入侵，能防止或極大地延緩基體金屬進一步銹蝕[1]。耐候鋼的耐大氣腐蝕性能為普通碳鋼的2～8倍[2]，可避免傳統(tǒng)酸洗、熱浸鍍鋅制作等工藝，減少對大氣、土壤環(huán)境的污染；也無須熱浸鍍鋅加工成本和后期防腐維護成本，有助于降低工程造價。

隨著電力工業(yè)和鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展、環(huán)保意識的加強，桿塔結構使用耐候鋼已成為一種趨勢。在國外，輸電桿塔使用耐候鋼已有50年的歷史[3-5]。我國耐候鋼在輸電鐵塔上的應用較少，2002年在山東濰坊的農網改造中試用了濟鋼研制的JT系列耐候鋼[6]，2009年中國電科院開展冷彎耐候角鋼塔的真型試驗，并在廈門220 kV梧侶-內官架空輸電線路中進行試點應用[7]，但是耐候角鋼采用噴鋅工藝進行防腐，導致耐候鋼表面穩(wěn)定銹層形成時間延緩。安徽省電力公司于2017年聯(lián)合中國電科院、安徽華電設計院等企業(yè)研究免涂裝冷彎耐候鋼在110 kV輸電線路中的應用，依托安徽亳州夏湖—高堂(孫廟)110 kV輸電線路工程，設計使用了62基冷彎耐候角鋼塔，是國內首條全裸露、免涂裝使用的冷彎耐候角鋼塔輸電線路工程，已于2018年12月正式投入運營。其后，安徽阜陽地區(qū)6條輸電線路工程共應用了6000多噸冷彎耐候角鋼塔，這是國內首次大規(guī)模應用耐候鋼輸電鐵塔，截至2019年12月，6條輸電線路工程均已成功投入運營。

由于冷彎角鋼生產效率較低，且受廠家生產設備限制，不利于耐候鋼在輸電線路中的推廣應用。為進一步提高電網建設的經濟性和環(huán)保性，高效推廣耐候鋼在輸電線路工程中的應用，本文將開展熱軋耐候角鋼的截面幾何特性計算、規(guī)格選擇原則等設計要點研究，以及熱軋耐候角鋼塔全壽命周期成本分析，為熱軋耐候角鋼塔的設計提供參考。

1 熱軋耐候角鋼規(guī)格

1.1 銹層厚度

耐候鋼在長期自然環(huán)境腐蝕作用下，其表面層會逐漸演變?yōu)槭杷傻耐怃P層和致密的內銹層，為了滿足輸電桿塔荷載要求，設計耐候鋼鐵塔時，角鋼截面參數(shù)計算需要去除銹層厚度。

《輸電線路資產全壽命周期設計建設技術導則》中明確規(guī)定，一般環(huán)境下常用輸電線路桿塔的使用壽命為40年[8]。耐候鋼在40年及以上的腐蝕作用下，其銹層厚度是熱軋耐候角鋼塔設計的關鍵參數(shù)。經查閱耐候結構鋼在不同國家地區(qū)長時間服役的銹層厚度數(shù)據(jù)(表1)可知，日本50年后耐候鋼銹層厚度為0.14 mm，平均腐蝕速率為0.002 8 mm/年；美國50年后的耐候鋼銹層厚度為0.167 mm，平均腐蝕速率為0.003 34 mm/年。因此熱軋耐候角鋼塔設計時，可設定角鋼銹層厚度為0.25 mm/面，平均腐蝕速率為0.006 25 mm/年(設計使用年限按40年考慮)，滿足常規(guī)大氣環(huán)境對耐候鋼銹蝕的要求。

表1 耐候結構鋼在不同國家地區(qū)長時間服役銹層厚度一覽表

1.2 截面特性計算方法

角鋼的截面特性參數(shù)是鐵塔設計的必需參數(shù)，因此，結合耐候鋼的腐蝕特性，提出適用于熱軋耐候角鋼的截面特性參數(shù)，是熱軋耐候角鋼塔設計的前提。

結合調整后的截面尺寸，運用幾何力學基本知識，可推導出熱軋耐候角鋼截面特性的計算公式(假定等邊角鋼的各肢為矩形截面)，包括截面面積、重心距、平行軸慣性矩、對稱軸慣性矩、最小軸慣性矩、回轉半徑等。

圖1 熱軋耐候角鋼截面

(1)截面面積：

A=(d-2δ)(2b-d-2δ)+0.215×[(r+δ)2-2×(r1-δ)2]

(1)

(2)重心距：

(2)

(3)平行軸慣性矩：

(3)

(4)慣性積：

(4)

(5)對稱軸慣性矩：

IX0=IX+IXY

(5)

(6)最小軸慣性矩：

IY0=IX-IXY

(6)

(7)回轉半徑：

(7)

(8)

(9)

1.3 熱軋耐候角鋼規(guī)格

根據(jù)耐候鋼的耐腐蝕特性、桿塔設計使用年限，設定角鋼銹層厚度取值為0.25 mm/面，結合推導的計算公式(1)～(9)，明確輸電線路桿塔常用角鋼規(guī)格一覽表，見表2。

表2 熱軋耐候角鋼規(guī)格一覽表(δ=0.25 mm)

與熱軋普通角鋼相比，熱軋耐候角鋼的截面特性參數(shù)有所折減，如圖2所示，其中截面面積折減幅度最大。當角鋼規(guī)格較小時，各參數(shù)折減幅度較大，隨角鋼規(guī)格的增大，折減幅度逐漸減小。因此熱軋耐候角鋼的應用，其表面產生的銹層，對小規(guī)格桿件的承載能力影響更大。

圖2 熱軋耐候角鋼截面特性參數(shù)折減趨勢圖

2 全壽命周期成本分析

《輸電線路資產全壽命周期設計建設技術導則》中明確規(guī)定鐵塔設計使用年限為40年。鐵塔全壽命周期成本主要包括建設成本、巡檢維護成本、失效成本和殘值四個方面。分析熱軋耐候角鋼的經濟性，其中鐵塔的增重比例是比較重要的成本控制參數(shù)。

2.1 增重成本分析

基于銹層厚度0.25 mm/面建立熱軋耐候角鋼的規(guī)格及截面特性參數(shù)表(表2)，選取常用設計條件進行110 kV和220 kV典型桿塔設計，對比分析相同設計條件下熱軋耐候角鋼塔與熱軋普通角鋼塔的重量。

以110 kV和220 kV雙回路直線塔和耐張塔作為典型桿塔，其設計條件見表3，單線圖如圖3所示。

表3 桿塔設計條件一覽表

圖3 典型桿塔單線圖

桿塔計算采用道亨軟件，通過設定DATA.INI文件中構件規(guī)格截面特性參數(shù)，并控制主材滿應力度98%、斜材及輔助材滿應力度95%的情況下，對熱軋普通角鋼塔和熱軋耐候角鋼塔進行計算，桿塔構件應力分布如圖4、圖5所示，各塔型計算塔重對比見表4。

圖4 熱軋普通角鋼塔應力分布圖

圖5 熱軋耐候角鋼塔應力分布圖

表4 桿塔重量對比表

從表4的數(shù)據(jù)對比分析可知：

(1) 相同設計條件下，與熱軋普通角鋼相比，輸電線路桿塔采用熱軋耐候角鋼，由于構件截面面積和回轉半徑的變化，110 kV直線塔重量增加8.00%，110 kV耐張塔重量增加4.84%，220 kV直線塔重量增加7.29%，220 kV耐張塔重量增加3.92%。

(2) 由于考慮銹層厚度，在計算過程中，原小規(guī)格桿件需要增加一個規(guī)格才能滿足要求，大規(guī)格桿件面積和回轉半徑折減值較小，可保持原規(guī)格不變，相同電壓等級情況下直線塔比耐張塔的小規(guī)格桿件多，熱軋耐候角鋼的應用對直線塔重量影響更為顯著，相同桿塔型式情況下110 kV桿塔比220 kV桿塔的小規(guī)格桿件多，熱軋耐候角鋼的應用對110 kV桿塔重量影響更為顯著。

2.2 全壽命周期總成本分析

2.2.1 全壽命周期成本取值原則

鐵塔全壽命周期成本主要涉及塔材、運輸、組立、防腐及報廢拆除等費用，綜合材料市場詢價、運行維護經驗等情況，以及輸電線路技術特點、建設環(huán)境等諸多因素，暫列各費用取值如下。

(1) 塔材費用：熱軋普通鋼材(含角鋼、鋼板和螺栓等)單價為4 800元/t，熱軋耐候鋼材單價5 800元/t，鍍鋅工藝費用1 400元/t，加工綜合費用2 800元/t。綜上，熱軋普通角鋼塔塔材費用約9 000元/t，熱軋耐候角鋼塔塔材費用8 600元/t。

(2) 安裝費用：綜合考慮塔型、全高、塔重、交通、塔位地形等因素，桿塔運輸費用160元/噸，桿塔組立費用750元/噸。

(3) 防腐費用：因鍍鋅層腐蝕嚴重而首次涂刷防腐材料年以20年計，涂刷防腐材料周期為10年，按鐵塔設計年限40年計算，熱軋普通角鋼塔服役周期內需要涂刷2次防腐材料，單次涂刷防腐材料費用約1 600元/t；熱軋耐候角鋼塔服役周期內不需要進行防腐維護，防腐費用為0元。

(4) 拆除費用：桿塔拆除費用為520元/t。

2.2.2 桿塔成本計算及分析

按上述費用取值原則，計算熱軋普通角鋼塔和熱軋耐候角鋼塔的全壽命周期成本及對比情況見表5。

表5 桿塔全壽命周期總成本對比表

從表5中的數(shù)據(jù)對比分析可知：

(1) 與熱軋普通角鋼塔相比，輸電線路采用熱軋耐候角鋼塔產生的全壽命周期成本更低，熱軋耐候角鋼在輸電線路中的應用具有一定的經濟效益。

(2) 相同電壓等級，輸電線路耐張塔采用熱軋耐候角鋼對全壽命周期成本的降低更為顯著。

(3) 相同桿塔型式，220 kV輸電線路采用熱軋耐候角鋼塔對全壽命周期成本的降低更為顯著。

3 結論與展望

本文運用幾何力學基本原理推導出熱軋耐候角鋼截面特性的計算公式，并得出基于銹層厚度為0.25 mm/面情況下輸電線路桿塔熱軋耐候角鋼規(guī)格庫；以110 kV和220 kV雙回路直線塔和耐張塔作為典型桿塔，開展熱軋耐候角鋼塔結構設計，并對其與熱軋普通角鋼塔的重量及全壽命周期成本進行對比分析，結論如下：

(1) 與熱軋普通角鋼相比，熱軋耐候角鋼的截面特性參數(shù)有所折減，其中截面面積折減幅度最大。當角鋼規(guī)格較小時，各參數(shù)折減幅度較大，隨角鋼規(guī)格的增大，折減幅度逐漸減小。因此熱軋耐候角鋼的應用，其表面產生的銹層，對小規(guī)格桿件的承載能力影響更大。

(2) 相同設計條件下，與熱軋普通角鋼相比，輸電線路桿塔采用熱軋耐候角鋼，110 kV直線塔重量增加8.00%，110 kV耐張塔重量增加4.84%，220 kV直線塔重量增加7.29%，220 kV耐張塔重量增加3.92%。

(3) 相同電壓等級情況下，熱軋耐候角鋼的應用對直線塔重量影響更為顯著；相同桿塔型式情況下，熱軋耐候角鋼的應用對110 kV桿塔重量影響更為顯著。

(4) 與熱軋普通角鋼塔相比，輸電線路采用熱軋耐候角鋼塔產生的全壽命周期成本更低，熱軋耐候角鋼在輸電線路中的應用具有一定的經濟效益；

(5) 相同電壓等級，輸電線路耐張塔采用熱軋耐候角鋼對全壽命周期成本的降低更為顯著；相同桿塔型式，220 kV輸電線路采用熱軋耐候角鋼塔對全壽命周期成本的降低更為顯著。

從上述分析可知，熱軋耐候角鋼應用到輸電線路鐵塔中是可行的，從全壽命周期來看，顯著減低運行維護難度和綜合成本，而且對電壓等級越高的輸電線路，其經濟效益和社會效益越顯著。目前國內熱軋耐候角鋼還沒有廣泛應用于電網建設中，在未來還需要對熱軋耐候角鋼塔進行更深入的仿真分析和試驗驗證，以進一步促進其推廣應用。