輸電鐵塔均勻銹蝕角鋼構(gòu)件蝕余承載力評(píng)估

摘 要：角鋼是輸電鐵塔的重要受力構(gòu)件，受環(huán)境因素影響，角鋼可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的銹蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)。為了建立均勻銹蝕角鋼構(gòu)件的蝕余承載力評(píng)估方法，本文通過中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)，確定了勻銹蝕角鋼構(gòu)件的量化特征，分別為銹蝕率和最大殘余率。并以量化特征為基礎(chǔ)，利用有限元分析法模擬不同銹蝕程度角鋼的最大承載力，再計(jì)算出承載力折減率。最后擬合出銹蝕率、最大殘余率和承載力折減率間的數(shù)學(xué)關(guān)系。研究結(jié)果顯示，此次建立的擬合函數(shù)精度較高，可用于預(yù)測(cè)均勻銹蝕角鋼的蝕余承載力，從而指導(dǎo)工程活動(dòng)。

關(guān)鍵詞：輸電鐵塔；均勻銹蝕角鋼構(gòu)件；銹蝕率；最大殘余率；蝕余承載力評(píng)估

中圖分類號(hào)：TM 75" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

輸電鐵塔的角鋼銹蝕后會(huì)出現(xiàn)厚度減薄、承載力下降問題，在日常維修工作中需要建立明確的更換標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)消除安全隱患。本文主要針對(duì)均勻銹蝕的結(jié)構(gòu)件，設(shè)置2個(gè)可測(cè)量的量化指標(biāo)，將承載力折減率作為蝕余承載力的評(píng)價(jià)依據(jù)，采用數(shù)值模擬和數(shù)學(xué)擬合的方式建立了承載力折減率和可測(cè)量指標(biāo)的擬合函數(shù)。以該函數(shù)為依據(jù)，運(yùn)維人員可根據(jù)銹蝕率和最大殘余率的測(cè)量結(jié)果預(yù)測(cè)出角鋼的蝕余承載力，判斷是否需要更換銹蝕的角鋼構(gòu)件。該評(píng)估方法具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 輸電鐵塔角鋼銹蝕情況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

西藏地區(qū)某500kV高壓輸電線路，平均海拔超4000m。該輸電工程沿線地理環(huán)境較復(fù)雜，包括戈壁、沼澤和山脈等地質(zhì)條件，氣候特點(diǎn)為晝夜溫差大、風(fēng)力強(qiáng)，部分塔基處于高水位、強(qiáng)銹蝕區(qū)段。線路投運(yùn)時(shí)間超過8年。對(duì)其角鋼構(gòu)件的銹蝕情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)多種銹蝕類型，例如橫擔(dān)隔材銹蝕、塔腳銹蝕和塔身結(jié)構(gòu)件均勻銹蝕等。角鋼是輸電鐵塔的重要受力構(gòu)件，其主要材質(zhì)為Q235、Q345，以熱軋角鋼為主。當(dāng)角鋼出現(xiàn)均勻性銹蝕后，其抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度會(huì)有所下降，進(jìn)而影響承載力。為保障輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)安全，需要評(píng)估角鋼的蝕余承載力。

2 均勻銹蝕角鋼構(gòu)件蝕余承載力評(píng)估方法

2.1 角鋼均勻銹蝕特征構(gòu)建

輸電鐵塔角鋼銹蝕分為均勻銹蝕和非均勻銹蝕，進(jìn)行蝕余承載力評(píng)估前，需要明確均勻銹蝕的特征，從而建立準(zhǔn)確的有限元模型。

2.1.1 均勻銹蝕角鋼外觀特征

輸電鐵塔角鋼構(gòu)件均勻銹蝕是指其表面的銹蝕程度較一致，銹蝕層的厚度較均勻，均勻銹蝕角鋼和未銹蝕角鋼對(duì)比如圖1所示。進(jìn)一步分析均勻銹蝕角鋼的特點(diǎn)，可繪制如圖2所示的結(jié)構(gòu)示意圖。假設(shè)未銹蝕角鋼構(gòu)件的原始厚度為T0，受環(huán)境因素影響，其表面逐步銹蝕[1]。在實(shí)際情況下，角鋼表面各個(gè)部位的銹蝕程度存在一定差異，因此將其表面銹蝕部位分為均勻銹蝕區(qū)和非均勻銹蝕區(qū)。對(duì)于均勻銹蝕角鋼，其銹蝕厚度僅考慮均勻銹蝕區(qū)的影響，非均勻銹蝕區(qū)和未銹蝕部分的最大厚度之和稱為最大殘余厚度，記為T。

2.1.2 均勻銹蝕角鋼的量化特征

2.1.2.1 銹蝕率及其測(cè)定方法

銹蝕率用于表征角鋼的銹蝕程度，其計(jì)算方法為角鋼銹蝕前、后的質(zhì)量損失比。將角鋼銹蝕前的初始質(zhì)量記為m0。銹蝕之后，采用酸洗方式去除銹蝕的金屬材料，稱取剩余部分的質(zhì)量，記為m。則銹蝕率的η的計(jì)算方法為η=（m0-m）/m0×100%。

本文制作了相同規(guī)格的鋼材試件，其材質(zhì)均為Q235，與輸電鐵塔角鋼材質(zhì)保持一致。對(duì)試件進(jìn)行打磨，去除表面的銹蝕，稱取每個(gè)試件的初始質(zhì)量。進(jìn)而對(duì)試件進(jìn)行中性鹽溶液（由NaCl配置而成）腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境保持一致。在具體實(shí)施過程中，每隔6h向所有試件均勻噴灑中性鹽溶液，形成干濕交替的腐蝕環(huán)境[2]。試驗(yàn)過程持續(xù)90d，分別在第30d、50d、70d和90d對(duì)試件進(jìn)行酸洗，酸洗溶液為10%濃度的HCl。待試件表面完全露出金屬光澤后，將其擦拭干凈，干燥后稱取剩余未銹蝕部分的質(zhì)量。試件銹蝕率檢測(cè)結(jié)果見表1。由表1數(shù)據(jù)可知，隨著銹蝕時(shí)間延長(zhǎng)，銹蝕率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)數(shù)據(jù)量足夠多時(shí)，可利用軟件工具擬合出均勻銹蝕時(shí)長(zhǎng)與銹蝕率的數(shù)學(xué)關(guān)系。

表1 Q235鋼片銹蝕率測(cè)定結(jié)果

試件編號(hào) 初始質(zhì)量m0/g 銹蝕時(shí)長(zhǎng)/d 殘余質(zhì)量m/g 銹蝕率η/%

A 178.02 30 170.58 4.18

50 164.03 7.86

70 161.30 9.39

90 158.32 11.07

B 177.07 30 167.99 5.13

50 164.96 6.84

70 162.25 8.37

90 157.79 10.89

2.1.2.2 最大殘余率及其測(cè)定方法

將均勻腐蝕構(gòu)件的最大殘余率記為ζ，則計(jì)算方法為ζ=T/T0×100%。顯然，測(cè)定最大殘余率的關(guān)鍵是準(zhǔn)確檢測(cè)出原始厚度T0和最大殘余厚度T。以圖1中的試件為例。當(dāng)檢測(cè)T和T0時(shí)，在試件表面等距離地設(shè)置5條測(cè)線。銹蝕試驗(yàn)開始前，利用游標(biāo)卡尺檢測(cè)5條測(cè)線處的厚度值，將平均值作為T0。銹蝕試驗(yàn)結(jié)束后，利用稀鹽酸溶液去除銹蝕的金屬材料，使非均勻銹蝕層徹底暴露出來。同樣在其表面設(shè)置5條測(cè)線，并選取非均勻腐蝕層中的高峰，利用游標(biāo)卡尺測(cè)量厚度值，再求平均值，作為T[3]。Q235鋼片最大殘余率測(cè)定結(jié)果見表2。由表2數(shù)據(jù)可知，隨著銹蝕時(shí)間延長(zhǎng)，最大殘余率ζ呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，與銹蝕率的檢測(cè)結(jié)果具有一致性。

表2 Q235鋼片最大殘余率測(cè)定結(jié)果

試件編號(hào) 初始厚度T0/mm 銹蝕時(shí)長(zhǎng)/d 最大殘余厚度T/mm 最大殘余率ζ/%

A 5.442 30 5.432 99.82

50 5.366 98.60

70 5.311 97.59

90 5.251 96.49

B 5.438 30 5.422 99.71

50 5.354 98.46

70 5.326 97.94

90 5.229 96.16

2.2 基于均勻銹蝕角鋼量化特征的蝕余承載力有限元分析

2.2.1 基于均勻銹蝕角鋼量化特征的有限元建模

確定均勻銹蝕角鋼的量化特征后，根據(jù)相關(guān)特征，建立均勻銹蝕角鋼的有限元模型，并利用有限元模擬確定不同量化特征對(duì)應(yīng)的角鋼構(gòu)件的最大受壓承載力。本文應(yīng)用ABAQUS軟件建立相關(guān)模型，建模過程如下所示。1） 選擇構(gòu)件單元。輸電鐵塔的角鋼為實(shí)心金屬構(gòu)件，在建立網(wǎng)格模型過程中，將網(wǎng)格單元設(shè)置為ABAQUS軟件中的C3D8R三維實(shí)體單元。2） 設(shè)置材料屬性。該高壓輸電線路的鐵塔采用Q235材質(zhì)的角鋼，有限元軟件中對(duì)應(yīng)的模型為彈性強(qiáng)化二折線材料模型。將材料的彈性模量設(shè)置為206GPa，其泊松比按照0.3進(jìn)行取值。Q235鋼材的屈服強(qiáng)度為235MPa。設(shè)置角鋼構(gòu)件參數(shù)。當(dāng)角鋼構(gòu)件發(fā)生均勻銹蝕后，其鋼肢的有效厚度為最大殘余厚度，并且該參數(shù)小于角鋼鋼肢的初始厚度，導(dǎo)致其承載力下降[4]。因此，在建模過程中應(yīng)區(qū)分不同銹蝕率和最大殘余厚度，設(shè)置相應(yīng)條件下的彈性模量和屈服模量。角鋼構(gòu)件模型參數(shù)見表3。隨著銹蝕率增加和鋼肢最大殘余厚度降低，角鋼構(gòu)件的彈性模型和屈服強(qiáng)度不斷下降。

表3 角鋼構(gòu)件模型參數(shù)取值

銹蝕率η/% 鋼肢最大殘余厚度/mm 彈性模量/GPa 屈服強(qiáng)度/MPa

0 10.00 206.00 235.00

2 9.99 207.84 225.08

4 9.98 209.68 217.21

6 9.94 211.52 210.97

8 9.84 213.36 210.97

10 9.57 215.20 202.09

12 8.84 217.05 198.98

2.2.2 基于屈曲分析的均勻銹蝕角鋼最大承受力有限元模擬

2.2.2.1 模擬結(jié)果

屈曲分析是指構(gòu)件受到特定載荷作用后，其結(jié)構(gòu)逐漸失穩(wěn)，可利用有限元軟件生成構(gòu)件的載荷-位移曲線，再根據(jù)該曲線確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷。顯然，該臨界載荷反映了均勻銹蝕角鋼能夠承受的最大載荷，即構(gòu)件的最大承受力。當(dāng)銹蝕率分別為0%、2%、4%、6%、8%、10%和12%時(shí)，載荷-位移曲線模擬結(jié)果如圖3所示。

2.2.2.2 數(shù)據(jù)分析

在圖3中，各條模擬曲線基本可分為直線段和弧線段，前者屬于線性特征屈曲，后者屬于非線性屈曲，直線段和弧線段交匯點(diǎn)對(duì)應(yīng)的載荷即為均勻銹蝕角鋼構(gòu)件的最大承受力。從模擬數(shù)據(jù)可知，按照銹蝕率由高到低，構(gòu)件能夠承受的最大承受力分別為328.6kN、325.5kN、322.2kN、321.1kN、320.2kN、315.3kN和296.1kN。

2.2.3 蝕余承載力評(píng)估成果

2.2.3.1 計(jì)算承載力折減率

在第2.3.2小節(jié)中，本文利用有限元軟件模擬出不同銹蝕率和最大殘余厚度對(duì)應(yīng)的均勻銹蝕角鋼最大承受力。當(dāng)銹蝕率為0%時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大殘余厚度即為角鋼鋼肢的初始厚度T0，此時(shí)角鋼的承受力最大，為328.6kN。將該數(shù)值作為基準(zhǔn)值，求出其他銹蝕率對(duì)應(yīng)的承載力折減率，計(jì)算結(jié)果見表4。由表4數(shù)據(jù)可知，隨著銹蝕增加和最大殘余率下降，承載力折減系數(shù)呈上升趨勢(shì)，符合理論預(yù)期。

表4 不同條件下均勻銹蝕角鋼的承載力折減率計(jì)算結(jié)果

銹蝕率η/% 最大殘余率ζ/% 最大承載力P/kN 承載力折減率σ/%

0 100 328.6 0

2 99.9 325.5 0.94

4 99.8 322.2 1.92

6 99.4 321.1 2.29

8 98.4 320.2 2.55

10 95.7 315.3 4.05

12 88.4 296.1 9.90

2.2.3.2 基于銹蝕率和最大殘余率擬合承載力折減率變化函數(shù)

在工程應(yīng)用中，需要根據(jù)角鋼銹蝕率和最大殘余率判斷承載力的折減情況。當(dāng)折減率達(dá)到一定閾值時(shí)，可認(rèn)為角鋼構(gòu)件的承載力不滿足安全要求，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)或者更換[5]。因此，根據(jù)表4數(shù)據(jù)擬合出銹蝕率、最大殘余率和承載力折減率間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

將均勻銹蝕角鋼的銹蝕率作為變量，承載力折減率作為因變量，根據(jù)有限元分析數(shù)據(jù)，利用指數(shù)衰減函數(shù)擬合二者間的數(shù)學(xué)關(guān)系，如公式（1）所示。

（1）

將均勻銹蝕角鋼的最大殘余率作為變量，承載力折減率作為因變量，根據(jù)有限元分析數(shù)據(jù)，利用冪函數(shù)擬合二者間的數(shù)學(xué)關(guān)系，如公式（2）所示。

（2）

式中：R2為擬合系數(shù)。

R2反映了數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)際情況的擬合程度，其計(jì)算結(jié)果總是在0～1，越接近1，表明擬合精度越高[6]。銹蝕率和承載力折減系數(shù)擬合函數(shù)的擬合系數(shù)為0.9632，效果略差。當(dāng)利用最大殘余率擬合承載力折減率時(shí)，擬合系數(shù)為0.9999，精度更高。因此，在工程實(shí)踐中，可根據(jù)輸電鐵塔均勻銹蝕角鋼的最大殘余率，擬合出承載力折減系數(shù)的數(shù)學(xué)計(jì)算公式，進(jìn)而判斷角鋼構(gòu)件的安全性（見表5）。

在表5中，根據(jù)承載力折減率，對(duì)角鋼構(gòu)件的實(shí)際工程影響進(jìn)行評(píng)估，按照從無明顯折減到極端折減的不同級(jí)別，使用冪函數(shù)來擬合最大殘余率與承載力折減率間的關(guān)系。根據(jù)擬合系數(shù)判斷冪函數(shù)模型對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的擬合程度，該系數(shù)接近1，表明模型與實(shí)際情況吻合度高。上述數(shù)據(jù)有助于工作人員在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)角鋼的最大殘余率來預(yù)測(cè)承載力的折減情況，并及時(shí)采取必要的維護(hù)和修復(fù)措施，保障輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)安全。

表5 輸電鐵塔均勻銹蝕角鋼的

最大殘余率擬合承載力折減系數(shù)示例

最大殘余率/% 承載力折減率/% 工程應(yīng)用評(píng)估 擬合公式 擬合系數(shù)R2

0 0 無明顯折減 冪函數(shù) 0.9999

5 1.2 微弱折減 冪函數(shù) 0.9999

10 2.5 輕度折減 冪函數(shù) 0.9999

15 4.1 中度折減 冪函數(shù) 0.9999

20 6.0 顯著折減 冪函數(shù) 0.9999

25 8.2 嚴(yán)重折減 冪函數(shù) 0.9999

30 10.7 極端折減 冪函數(shù) 0.9999

3 結(jié)語

本文針對(duì)輸電鐵塔角鋼構(gòu)件均勻腐蝕導(dǎo)致承載力下降的問題，提出了一套完整的蝕余承載力評(píng)估方法，可用于判斷角鋼的腐蝕程度，并決定是否需要更換。根據(jù)研究?jī)?nèi)容，可得出以下5個(gè)基本結(jié)論。1） 均勻銹蝕角鋼構(gòu)件可分為均勻銹蝕區(qū)、非均勻銹蝕區(qū)和未銹蝕區(qū)3個(gè)部分，其量化特征包括2個(gè)，即銹蝕率和最大殘余率。銹蝕率為損失的質(zhì)量與原構(gòu)件質(zhì)量之比，最大殘余率為最大殘余厚度和初始厚度的比值。2） 在確定均勻銹蝕角鋼的量化特征后，建立相應(yīng)的有限元模型，以不同銹蝕率和最大殘余率為條件，通過屈曲分析，模擬出不同條件下的構(gòu)件最大承載力。3） 在銹蝕情況下，將最大承載力和未銹蝕構(gòu)件最大承載力的比值稱為承載力折減率。承載力折減率越大，表示構(gòu)件的工程可靠性越低。4） 獲得銹蝕率、最大殘余率和對(duì)應(yīng)的承載力折減率后，采用數(shù)學(xué)方法擬合出銹蝕率、承載力折減率與最大殘余率、承載力折減率的數(shù)學(xué)關(guān)系。結(jié)果顯示，其擬合系數(shù)均較高，基于最大殘余率的擬合效果更優(yōu)。5） 擬合函數(shù)可作為經(jīng)驗(yàn)公式測(cè)定構(gòu)件的最大殘余率，可計(jì)算出銹蝕角鋼構(gòu)件的承載力折減情況。超過閾值，需要更換；未超過閾值，進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)即可。

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