“十二五”期间电网工程大规格角钢推广应用数量及其经济性预测分析

陈大斌，齐立忠，李晋，赵庆斌

(国网北京经济技术研究院，北京市，100052)

0 引言

当前我国经济持续稳健发展，能源和电力需求持续增长。但是，由于我国能源分布与经济发展地域不均衡，煤电开发主要集中在晋陕蒙宁新这5个省区，风电主要分布在甘肃、新疆、内蒙等地区，水电开发主要集中在四川、云南及西藏地区。负荷中心主要集中在中东部地区，能源基地到负荷中心的送电距离在800～3 000 km之间［1］。为满足国民经济发展对能源的需求，“十二五”期间电网建设的任务仍然繁重。

为了适应“资源节约型、环境友好型”电网建设方针，电网建设逐步向多回路、特高压［2］方向发展，输电线路的结构荷载越来越大，对于杆塔用角钢构件，我国目前常规角钢库的单角钢承载力已无法满足结构选材的需要，采用组合截面构件或钢管构件成为必然选择。组合角钢节点及填板构造复杂，加工组装难度大，发展更大规格的角钢，减少组合角钢的使用，能简化铁塔构造、方便加工、降低塔重。

2009年4月1日新颁布的GB/T 706—2008《热轧角钢》增加了220×220和250×250这2种规格角钢［3］，由于国内外无稳定市场，市场供货量极少。国家电网公司在锦屏—苏南±800 kV特高压直流输电线路工程［4］中首次成功试用了这2种大规格的角钢，代替普通双拼和四拼组合角钢，简化了铁塔构造，降低了铁塔耗钢指标，为后续工程推广应用大规格角钢积累了宝贵的实践经验。由于大规格角钢目前处于应用推广期，生产厂商生产设备不配套、工艺不成熟、质量不稳定、残次品率高、成本高、供货能力不足。同时，由于市场需求发展空间预期不明确，影响了供货厂商改造设备、提升加工能力的积极性。本文将依据国家“十二五”电网规划，提出全面应用大规格角钢的需求量及其经济性分析，明确市场预期。

1 大规格角钢在电网工程中应用可行性及范围分析

1.1 大规格角钢替代组合角钢技术可行性分析

1.1.1 大规格角钢与组合角钢的承载能力

普通规格［5］双组合十字角钢2L160×10～2L200×24截面面积范围为63～181 cm2，最小轴回转半径的范围为6.27～7.64 cm;大规格单角钢L220×16～L250×35的截面面积范围为69～163 cm2，最小轴回转半径的范围为4.37～4.86 cm。

普通规格四组合十字角钢4L160×14～4L200×24的截面面积的范围为173～362 cm2，最小轴回转半径的范围为6.62～8.41 cm;大规格双组合角钢2L220×16～2L250×35的截面面积范围为137～327 cm2，最小轴回转半径的范围为8.59～9.46 cm。

以上截面数据表明:

(1)从构件强度承载力［6］考虑，大规格单角钢能够替代绝大多数普通规格双组合十字角钢;大规格双组合角钢能够替代绝大多数四组合角钢。

(2)从构件受压稳定性能［6-7］考虑，由于大规格单角钢回转半径较双组合普通角钢小，其临界计算长度较双组合普通角钢小，大规格单角钢替代双组合普通十字角钢时，需要减少节间长度来发挥大规格单角钢承载能力;由于大规格双组合角钢比普通规格四组合角钢的回转半径大，其临界计算长度较四组合普通角钢小，大规格双组合角钢替代四组合普通角钢时，可以增大节间长度、减少辅助材。

常用Q420强度等级的普通规格双组合角钢与大规格单角钢以及普通规格四组合角钢与大规格双组合角钢的承载力值［7-8］见表1～2。由表1～2可见，大规格单角钢可替代绝大部分普通规格双组合角钢，大规格双组合角钢可替代绝大部分普通规格四组合角钢。

1.1.2 大规格角钢替代组合角钢对塔重的影响

以大规格单角钢替代普通规格双组合角钢，能够降低塔身风载断面形状系数K值［8］，从而有效减少塔身风荷载，降低铁塔主材内力;同时采用单角钢后取消组合填板，简化节点构造。实例分析计算表明，大规格单角钢与普通规格双角钢相比，能够节约塔材2% ～5%。

以大规格双组合角钢替代普通规格四组合角钢，能够增加主材节间尺寸，减少辅助材数量;同时采用双组合角钢后，能够较大幅度减少填板厚度及数量，简化接头构造，降低板的焊接量及加工损耗，降低铁塔的加工及安装难度。实例分析计算表明，大规格双组合角钢与普通规格四组合角钢相比，能够降低塔的质量3%～6%。

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1.2 大规格角钢应用范围

铁塔主材用到双拼或四拼角钢时，可以用大规格角钢来替代。不同电压等级、架设方式、气象条件的线路铁塔荷载等级相差较大，应用大规格角钢的范围有较大不同。

根据已有工程设计经验，各种电压等级线路可能出现双拼或四拼角钢的塔型见表3，大规格角钢主要应用在500、750 kV双回交流线路工程、特高压直流和交流线路工程。

表3 大规格角钢应用塔型范围Tab.3 Application of large-size angle steel in different tower types

2 电网工程应用大规格角钢数量预测

2.1 影响因素

从近年来电网建设过程中新技术、新材料推广应用的经验来看，未来应用大规格角钢数量多少的主要因素是钢材加工质量、供货价格以及供需双方对市场的培育投入。

(1)钢材加工质量。钢材加工质量能否满足设计对钢材性能要求是未来大规格角钢推广应用的决定性因素。大规格角钢在铁塔中全部使用在主材［4］，其质量是否合格直接影响电网安全，投入工程应用的大规格角钢必须100%满足设计对钢材质量要求。钢材加工质量稳步提高，一方面有利于降低工程项目业主的建设管理成本，减小工程安全风险，增加业主选用大规格角钢的积极性;另一方面有利于生产商减少残次品率、降低生产成本、增加扩大产能的积极性。

因此，生产商在初期加大设备和技术投入、尽快稳定加工质量，是未来大规格角钢大规模推广应用的前提条件。

(2)供货价格。经济性是新材料是否具有市场生命力重要因素。使用者通过选用新材料提升建设项目科技含量、降低项目投资;生产商通过开发新材料提高市场竞争力，增加企业盈利。

在大规格角钢应用初期，由于需求规模小，生产成本高，供货价格相对较高，供需双方均需弱化经济效益追求，重点关注产品质量。但随着推广范围扩大，供货商应努力降低生产环节成本、合理定价，为产品大规模应用奠定经济基础。

(3)市场培育。新材料的大规模应用一般要经历培育期、成长期和成熟期。一般在培育期生产企业设备不配套、生产工艺不成熟、质量不稳定、生产成本压力大、市场风险较高、产品定价较高;材料需求方则承受较大工程安全风险、技术风险和成本压力。从国民经济角度，为提升加工制造水平和工程建设项目技术先进性、培育新材料，供需双方应主动承担技术风险、安全风险和成本压力;材料使用方应加强针对新材料的科研投入，解决技术环节应用新材料的障碍，材料供方应积极改造生产设备、改进工艺、提高质量，使材料应用尽快进入成长期。进入成长期，成品质量趋于稳定，设计技术理论基本成熟，供需双方安全风险和成本压力减轻;供方应进一步优化生产流程、减小质量偏差、降低生产成本，材料使用方应加强采购控制，加强设计质量控制，以共同培育供需市场环境。新材料使用进入成熟期，成品质量稳定，设备和研发费用降低，供需双方均有合理的利润空间。

目前，大规格角钢的使用处于市场培育期。国家电网公司在锦苏±800 kV直流线路工程［3］投入较大科研资源，解决了大规格角钢工程应用关键技术难题，实现新材料的首次成功应用，为市场培育做出巨大努力;供货厂家粤丰钢铁公司承受了较大成本压力和供货压力，实现了首批产品顺利供货。

为顺利推广应用新材料，国家电网公司将继续加大科研投入，增加推广应用范围，供货厂商也应积极改造设备、改进工艺、控制质量、增加产能，通过供需双方的共同努力，培育市场，缩短培育期和成长期，尽早进入产品成熟期，实现“十二五”期间电网工程大规模应用大规格角钢的目的。

2.2 数量预测

基于以上影响因素分析，未来5年内大规格应用数量取决于产品质量提升情况、供货定价以及市场参与者对新产品的培育情况。为客观预计应用数量，通过调研分析未来市场情况，拟定3种预测条件。

(1)保守预测条件:生产供应商逐步改造生产设备、改进工艺，在2013年上半年产品质量基本稳定，2013年底前生产工艺成熟、质量稳定，初期定价较高，后期定价趋于合理;国家电网公司加大科研投入，在大部分特高压交直流线路工程推广应用大规格角钢;设计人员采用新材料积极性一般。

(2)期望预测条件:生产供应商改造生产设备、改进工艺，在2012年上半年产品质量基本稳定，2012年底生产工艺成熟、质量稳定，定价基本合理;国家电网公司加大科研投入，在750 kV及以上线路工程推广应用大规格角钢;设计人员采用新材料积极性较高。

(3)乐观预测条件:生产供应商积极改造生产设备、改进工艺，在2011年底前产品质量基本稳定，2012年上半年生产工艺成熟、质量稳定，定价合理;国家电网公司加大科研投入，在各级电压等级大范围推广应用大规格角钢;设计人员采用新材料积极性很高。

依据“十二五”电网规划总体建设规模，结合预测前提条件，估算未来5年规模推广应用大规格角钢数量，保守预计数量为90万 t左右，期望数量为110万t左右，乐观预计数量为130万t左右。

3 电网工程应用大规格角钢经济性和社会效益

3.1 大规格角钢铁塔经济性分析

3.1.1 大规格角钢供货价格对铁塔经济性的敏感性分析

由于铁塔设计时构件计算长度一般接近临界长度，主材接近强度控制，不论单根大规格角钢代替双组合角钢还是双组合大规格角钢代替四组合普通角钢，主材截面积均较为接近，因此替代后主材质量变化幅度较小，塔重的减小主要体现在螺栓、接头、连接板及垫板材料量的变化。下面据此推导角钢供货价格对铁塔经济性的敏感点。

设普通角钢铁塔质量为

式中:G1为主材无双或四组合部分塔段质量;G2为主材双或四组合部分塔段质量中主材质量;G3为主材双或四组合部分塔段质量中除主材之外构件质量。

则大规格角钢替代后铁塔质量为

式中:γg为替代部分塔段质量减轻比例。

大规格角钢供货价格对铁塔经济性的敏感点设置为替代前后铁塔造价相同。

此时大规格角钢供货价格较普通角钢价格增加的比例为

按照锦苏±800 kV直流线路工程ZC27105B塔、JC1塔、JC5塔的施工图设计情况以及溪洛渡—浙西工程初步设计计算统计情况，使用大规格角钢后，整塔塔重降低比例一般为2% ～5%，替代部分塔段的质量减轻比例γg一般为3.5% ～7%。令

根据已有铁塔设计图纸统计数据可知γF=1.5～2.1，则γP=9% ～22%。

按照平均值作为敏感点期望值，大规格角钢供货价格对铁塔经济性的敏感点为16%。也就是说，大规格角钢供货价格较普通角钢价格增幅在16%以内，大规格角钢铁塔经济性优于普通组合角钢塔;大规格角钢供货价格较普通角钢价格增幅大于16%，大规格角钢铁塔造价高于普通组合角钢塔。

3.1.2 推广应用大规格角钢经济性分析

正常大批量生产时，大规格角钢成本较普通角钢增加8% ～10%。因此，在市场供应正常的条件下，采用大规格角钢铁塔具有一定节省投资空间，具有明显经济优势。

(1)溪洛渡—浙西工程经济性预测。预计大规格角钢使用量约3万t，钢材材料费用按照每t增加800元计，总计增加 0.24亿元;预计节约钢材0.6万 t，按照综合造价11 000元［9］测算，减少投资约0.66亿元;二者综合，预计节约工程投资约0.42亿元。

(2)“十二五”期间经济性预测。按照2.2节的预测数量，假定2012年底之前钢材材料费用依据每t增加800元计，2012年底之后钢材材料费用按照每t增加500元计，预计节约工程投资为10亿 ～15亿元。

3.2 电网工程应用大规格角钢社会效益分析

推广应用大规格角钢有利于全社会节能减排。按照近期中钢协统计数据，依据2009年钢铁制造业平均水平［10］，生产每t钢材消耗标准煤约620 kg，消耗用水约4.5 t，按此计算，“十二五”期间电网工程应用大规格角钢可节约标准煤15万～22万t，节约用水110万～160万t，减少碳排放40万～60万t。

推广应用大规格角钢有利于提升国内加工制造业技术水平和竞争能力。目前国内具备大规格角钢生产和供货能力的厂家很少，国家电网公司依托电网工程项目，研发、试点、推广应用大规格角钢并制定相关标准，通过市场需求，引导国内钢铁制造业增加研发投入、更新设备、改进工艺、提升制造水平和竞争能力。

大规格Q420角钢可以铁塔优化构造，大量减少连接螺栓和填板，减轻铁塔组立的施工量和施工难度，减轻工人劳动强度。

4 结论

(1)从技术角度分析，大规格角钢具有较好的结构性能和经济性，在输电线路工程中具有推广应用价值。

(2)从杆塔荷载等级分析，大规格角钢主要应用于500、750 kV交流双回线路工程、特高压直流和交流线路工程。

(3)未来影响大规格角钢应用数量的主要影响因素是钢材加工质量、供货价格以及供需双方对新材料应用市场的培育投入。

(4)按照“十二五”国家电网公司规划建设规模，大规格角钢的需求量为90万～130万t，期望供应量110万t左右。在电网工程中采用后，可节约钢材量为24万 ～36万 t。

(5)大规格角钢采购价格与常规角钢价差在16%以内时，大规格角钢塔的经济性优于常规角钢塔。

(6)从社会经济角度分析，“十二五”期间全面推广应用大规格角钢可节约标准煤15万～22万t，节约用水110万～160万t，减少碳排放40万～60万t，具有良好的社会效益。

［1］刘开俊.关于电网科学发展的思考［N］.中国电力报，2010-07-15.

［2］刘振亚.特高压电网［M］.北京:中国经济出版社，2005.

［3］GB/T 706—2008 热轧型钢［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［4］黄璜，李清华，孟宪乔，等.Q420大规格角钢在±800 kV特高压杆塔中的应用［J］.电力建设，2010，31(6):65-69.

［5］张殿生.电力工程高压送电线路设计手册［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［6］沈祖炎.钢结构学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［7］陈绍蕃.钢结构［M］.北京:中国建筑工业出版社，1990.

［8］DL/T5154—2002 架空送电线路杆塔结构设计技术规定［S］.北京:中国电力出版社，2002.

［9］国家电网公司.《1 000 kV特高压交流工程预算定额》第三册送电线路工程［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［10］齐晔.2010中国低碳发展报告［M］.北京:科学出版社，2011.