耐候结构用钢在电力铁塔钢结构上应用的可行性分析

王新志　韦　弦　孙玉强

(安阳钢铁股份有限公司)



耐候结构用钢在电力铁塔钢结构上应用的可行性分析

王新志韦弦孙玉强

(安阳钢铁股份有限公司)

结合电力铁塔用钢结构应用现状，分析了耐候结构用钢在电力铁塔钢结构上应用的可行性，分析认为耐候结构用钢耐大气腐蚀性能和工艺力学性能均要优于同级别的碳素结构或低合金结构用钢板，同时从综合成本、环境保护、全服役期内的安全性、生产制作、后期维护等方面比较，耐候结构用钢均比当前电力铁塔用热镀锌型钢有较大优势，完全具备应用和推广的可行性。

耐侯结构用钢电力铁塔应用分析

0　引言

当前国家电网输变电铁塔用型钢主要还是以热浸镀锌材料为主，热浸镀锌是当前钢铁材料常见的一种材料防腐技术[1]，它可以在钢材表面形成一层稳定的锌层以防止或减缓大气对钢铁材料的腐蚀，从而保证钢铁材料在铁塔服役的全寿命周期内的使用安全性。但是热浸镀锌工艺在生产过程中会产生大量废酸以及一些含有重金属的废水，难于处理，严重污染环境。这与国家当前推行的节能环保政策和理念不符，当前新材料、新能源、节能环保已成了时代发展的符号，今后国家将会逐步推行更为严格的环保政策，钢铁材料的热浸镀锌工艺将会逐步受到限制和禁止。因此需要寻求一种新型钢铁材料来替代热浸镀锌型钢材料，该材料应是一种具备耐腐蚀、环境友好、工艺力学性能优良、综合性价比好的钢铁材料。综观国内各类钢铁材料，耐候结构用钢具备替代热浸镀锌型钢材料的可行性。因此，笔者结合当前电力铁塔用钢结构现状和耐候结构用钢的研发及应用，对耐候结构用钢替代热浸镀锌材料的优势和不足进行了系统分析和讨论。

1　电力铁塔用钢结构现状分析

1.1主要应用现状调查

随着国家电网对国内电网全覆盖的要求，当前国内电力铁塔用钢结构[2]年使用量预计在300万t～350万t。主要材料使用的是普碳或低合金热酸洗镀锌型钢，使用形式为热轧角钢经酸洗、镀锌、表面钝化后制作成钢结构，进行现场组装；使用的强度级别主要为Q235～Q345系列，部分材质使用了Q420～Q460系列；常见材料使用规格厚度为6 mm～14 mm；铁塔服役的全寿命周期一般设计为40年，通常每8～10年对铁塔进行系统维护一次，主要维护目的：涂层防护、结构连接件安全检测、部分结构件损蚀替换，确保全寿命周期内的使用安全；全寿命周期内的维护费用一般为镀锌型钢材料费用2～3倍。对材料的耐腐蚀性适用环境要求，一般需要满足四种环境条件，即内陆干旱性气候条件、寒冷高山性气候条件、沿海潮湿性气候条件、一般工业性气候条件，为满足以上四种环境下的大气腐蚀，主要采用在基材外镀锌层保护。

1.2存在的问题

热浸镀锌型钢在电力铁塔制造行业虽得到广泛应用和推广，但是热镀锌型钢由于存在对周围环境的污染，与国家节能环保的发展政策不符，同时铁塔制造和服役期间也遇到诸多问题，主要体现在以下几个方面：

(1) 在铁塔制造和服役期间，由于锌层损坏或脱落造成钢铁材料直接和大气接触，形成点蚀性损坏，尤其是在高温潮湿环境下，普通钢铁材料极易产生腐蚀，再次进行防腐和二次修复[3-4]，难度较大。钢结构表面一旦产生不均匀锈蚀，不仅影响外观形貌，而且局部的锈蚀还会引起应力集中，加速钢结构的破坏，尤其对承受反复冲击载荷的钢结构，更容易降低其疲劳强度，引起突发断裂，直接影响铁塔的使用安全，故防腐是铁塔服役期间的维护重点，维护费用较大。

(2) 尤其是潮湿的环境下腐蚀因此钢结构的腐蚀不仅造成巨大的资源浪费，还会危害钢结构的安全。

(3) 电力铁塔维护属于高空作业，施工作业环境、可维护性以及维护安全性较差，对施工以及维护人员的安全保障、身体素质要求较高，故铁塔维护的人员成本较高。

(4) 镀锌型钢的酸洗、热浸镀锌费用较高，同时镀锌型钢在制造过程中产生的大量废酸以及一些含有重金属的废水，污染环境，与国家当前的环保政策矛盾。

2　耐候结构用钢的应用与分析

耐候结构用钢具备优良的耐大气腐蚀性能，同时由于采用低C+Mn成分设计，成型性能、焊接性能均表现优良，由于普通碳素结构钢和低合金钢板，故在代替热镀锌型钢材料较大的可能性。

2.1耐候结构用钢的耐蚀机理及研发现状

耐候钢即耐大气腐蚀用钢[5]，主要通过在钢中加入了Cu、P、Cr、Ni等元素，在钢材表面形成一种附着力很强的致密的保护膜，阻止空气中的H2O、CO2、O2等腐蚀介质的浸入和扩散，从而保护或减缓钢铁材料腐蚀的纵深发展，大大提高钢铁材料耐大气腐蚀的能力；其耐大气腐蚀性能取决于基板的自保护氧化层的形成过程中干湿交替的气候条件，保护程度与最敏感气候条件和结构件在腐蚀过程中的有效期有关[6]，一般耐候结构钢是普通钢材耐大气腐蚀性能的2～8倍。近年来耐候钢的开发主要向着低成本、高耐蚀、高强韧、专业化应用方向发展。

国外在20世纪初期便开始使用耐候结构钢，目前早已被广泛推广和应用。国内耐候钢[7]的研发相对国外起步较晚，始于20世纪60年代，目前我国耐候钢主要有三大系列Cu-P系、Cu-P-Ni-Cr系、Cu-Cr-Ni系的耐候钢。研发初期主要以铁路车辆和集装箱用钢为主，在耐候结构用钢方面国内市场需求低迷，但是近年来耐候结构钢在建筑结构[8]、桥梁结构[9]、塔架结构上逐步开始大量使用，应用前景广阔。

2.2代替热镀锌型钢应具备的条件

根据电力铁塔的应用环境和对材质的要求，若采用新型钢铁材料代替目前的热镀锌型钢，对比热镀锌型钢，期望新型材料应具备的优势分析，见表1。

表1　期望新型钢铁材料对比热镀锌型钢应具备的优势分析

2.3安钢耐候结构用钢的开发

安阳钢铁集团公司(简称：安钢)近年来一直致力于耐候结构用钢的开发与研究，并取得了较好的研发效果，先后应用于日照钢铁公司转炉除尘项目、南京青奥会小汤山风景园区建设项目、太原古交电厂项目、西安丈八四城市立交桥等工程项目。以Q355NH和Q355GNH耐候结构钢为例介绍安钢耐候结构用钢的产品实物质量及性能保证。

2.3.1产品成分、性能及组织

成分设计与性能要求分别见表2和表3 。

表2　化学成分设计特点

表3　产品对应的工艺力学性能要求

结合表2、表3成分及力学性能要求分析安钢目前实际的产品质量保证能力，目前安钢可保证到E级钢的性能要求，V型缺口纵向-40 ℃低温冲击功Q355NH系列平均可达到120 J以上，Q355GNH系列平均可达到70 J以上；A值平均可达到25%以上，Rel和Rm平均性能富裕量在30 Mpa～50 Mpa，180 °弯曲试验达标率100%，组织为典型的铁素体+珠光体组织，晶粒度8级以上。从综合工艺力学性能评价，耐候结构用钢综合力学性能要优于国内同级别的低合金结构钢Q345系列。

2.3.2耐蚀指数及加速腐蚀试验结果

国外Legault和Leckie公布了暴露于不同大气环境下15.5年后的低合金钢的腐蚀情况公式，修订后业内公认的耐大气腐蚀指数公式如下：

I=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)2

根据公式计算，安钢开发的Q355NH和Q355GNH耐蚀指数实际控制在6.10～7.05，具备良好的耐大气腐蚀性能。

采用腐蚀介质为浓度为0.01 mol/L的NaHSO3溶液，腐蚀温度为35 ℃，湿度为65%，转速为1转/h，进行酸性环境的干湿交替的加速腐蚀试验，加速腐蚀144 h后的电镜分析形貌和金相组织形貌，如图1、图2所示。

从图1可以看出，加速腐蚀144 h后，Q355NHB表面比Q235B光滑、平整，未发生大面积的均匀腐蚀，只是表现出一定的点状腐蚀。从图2可以看出，Q355NHB腐蚀界面依然可以相对比较平滑的界面，Q235B则表现出较大腐蚀坑，且不规则；同时从内部组织看，Q355NHB采用了低碳成分设计，珠光体均匀的弥散在铁素体组织中，多变现为均匀的平衡态组织，良好的组织形态同样也是保证材料耐腐蚀的基础，而Q235B则相对较差。

2.4具备的优势和不足

综合分析，采用耐候结构用钢代替热镀锌型钢可具备以下几点优势：

(1)综合成本优势。当前酸洗+热镀锌工艺的成本约在2000元/t，而耐候结构用钢生产成本对比普通碳素和低合金钢的成本增加约800元/t-1000元/t，故相对成本优势约在1000元/t左右。电力铁塔的全寿命周期在40年左右，后续的维护费用较高，而耐候结构钢材料的自保护特性则在材料服役的全寿命周期内有效，耐腐蚀性能表现优良，即使在使用过程中出现材料的外力破损，耐候结构用钢依然可以自愈。

(a) Q355NHB

(b) Q235B

图1干湿交替酸性环境下144 h的加速腐蚀EMS形貌分析

(a) Q355NHB

(b) Q235B

(2)环境友好性。耐候结构用钢代替热镀锌型钢可以避免使用酸洗、热镀锌工艺，可以大大降低环境污染，符合今后国家的环保发展政策。

(3)工艺力学性能。耐候结构用钢材料的工艺力学性能整体优于同级别的碳素结构钢和低合金结构钢板，完全可以保证全寿命周期内的工艺力学性能要求。

(4)减少后期维护费用和人工成本，降低高空人工维护安全风险。

(5)工艺相对简单，加工制作周期短，可提高生产效率，减少资金占用。

结合电力铁塔行业应用环境及对材料要求的特殊性，也存在一些问题尚待解决，主要包括：(1)耐候结构用钢使用初期存在流锈现象，对电网绝缘性能有影响；(2)面临使用环境较为复杂，不同地区大气腐蚀程度不同，材料选型复杂；(3)没有配套的耐腐蚀的连接件(螺栓、螺母等标准件)。

3　解决方案及发展前景展望

针对耐候结构用钢在使用过程中存在的初期锈层脱落及稳定性问题，目前这方面的研究较多[10-11]，如锈层的快速稳定化技术、节点涂层及防腐技术，均取得了较好的研究效果，预计不久便可转化为工业应用，并得到快速推广。

近年来耐候结构用钢的研发逐步向着系列化、专业化的方向进行。对于电力铁塔应用的典型环境条件，如海洋性气候条件、内陆干旱性气候条件、一般工业性气候条件、高山严寒性气候条件，耐候结构用钢的研发和分类会逐步细化，以满足各类气候条件下的应用。至于标准件的问题，目前从冶炼生产工艺上基本上不存在问题，只是当前市场需求量较小，没有形成批量化，该问题的解决将随着国家相应用钢规范的建立迎刃而解。

近年来耐候结构钢在建筑结构、桥梁结构、塔架结构上逐步开始大量使用，如北京国家大剧院、上海世博会卢森堡馆、澳大利亚馆、南京青奥会场馆等，尤其在2015年国家桥梁结构钢标准修订又正式推出了耐候桥梁结构用钢规范，都为耐候结构用钢的全面推广创造了有利条件。据不完全统计，美国当前应用于塔架结构的钢铁材料，耐候结构钢份额占比在30%～40%，而国内应用几乎为零。这说明耐候结构用钢在国内有着广阔的应用前景，同时也表明国内对耐候结构钢的认识亟待提高，应用规范亟待解决。

4　结语

耐候结构用钢具有优良的工艺力学性能，优于等级别的碳素结构钢或低合金结构钢，尤其耐腐蚀性能和材料表面保护的自愈性是普通钢材所无法比拟的，代替热镀锌型钢用于电力铁塔结构是完全可行的。无论是从综合成本、环境保护、全服役期内的安全性，还是生产制作、后期维护等方面，耐候结构均有较大优势。随着国家用钢规范的逐步完善，耐候结构用钢目前虽还存在一些技术问题，但在未来电力铁塔行业的应用和推广将是必然的。

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FEASIBILITY ANALYSIS ON THE APPLICATION OF WEATHERING STEELS FOR STRUCTURAL USE IN THE STEEL STRUCTRE OF ELECTRIC POWER IRON TOWER

Wang XinzhiWei XianSun Yuqiang

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

Combined with the application status on steel structre of electric power iron tower, it is analyzed that application of weathering steels for structural use is feasibility. Analysis shows that atmospheric corrosion resistance and the mechanical properties of weathering steels for structural use were superior to the same level of carbon structural and low alloy structure with steel, also from comprehensive cost, environmental protection, full service period, safety, production, maintenance and compared, weathering steels for structural use has great advantages than the current power tower with hot dip galvanized steel, and weathering steels for structural use has fully equipped with the feasibility of the application and promotion.

weathering steels for structural useelectric power iron towerapplicationanalysis

志，高级工程师，河南.安阳(455004)，安阳钢铁股份有限公司技术中心；

2016—5—22