输电线路耐候钢角钢塔结构设计

罗义华， 罗正帮， 黄 耀, 杨 进， 杨雪锋

(1.国网安徽省电力有限公司，安徽 合肥 230061；

2.安徽华电工程咨询设计有限公司，安徽 合肥 230022；3.中国电力科学研究院有限公司，北京 100092)

近年来,一种“具有改善的耐大气腐蚀性的结构钢(耐候钢)”被国内外输电线路设计人员所关注。通过在钢材中加入少量合金元素(如Cu、P、Cr、Ni等),使其在金属基体表面形成保护层,减缓腐蚀向材料纵深发展,从而提高钢材的耐腐蚀性能[1]。耐候钢主要暴露的腐蚀性环境一般包括农村大气环境,城市大气环境,工业大气环境以及海洋大气环境等几种典型大气类型[2],不同腐蚀大气各自的特点导致了耐候钢不同的腐蚀行为。温度、湿度及空气中SO2浓度均对钢材的腐蚀有重要影响[3]。因此在设计输电铁塔时要特别关注其所处大气环境条件。

目前,美国、日本、德国等已建并成功投运数条免涂装耐候角钢塔输电线路工程,这些线路安全运行已超过50年,且运行状况良好[4，5]。对于免涂装耐候角钢塔的设计,国外发达国家已有较成熟的经验和设计指南。与国外相比,国内在此方面的研究较少,仅有中国电力科学院于2009年在厦门220kV梧侣-内官线路中完成2基冷弯耐候角钢塔试点应用,但实际应用时均采用喷锌工艺进行防腐,并未直接裸露使用[6]。为探索耐候钢在输电角钢塔中免涂装使用的技术难点,本文从耐候角钢塔设计方面阐述了关键技术要点。

1 冷弯耐候角钢规格库

1.1 耐候钢预留腐蚀层厚度

耐候钢用于输电铁塔其优势在于免涂装、不镀锌,可直接暴露大气环境下使用,其耐腐蚀性能是通过其表面形成天然保护层而实现的,对于耐候角钢塔的设计,考虑耐候钢的预留腐蚀层厚度是必要的。《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》(GB 50545-2010)规定110 kV～330 kV输电线路及其大跨越基本风速、设计冰厚重现期应取30年,750 kV、500 kV输电线路重现期应取50年[7]。《输电线路资产全寿命周期设计建设技术导则》中明确规定铁塔设计年限为40年[8]。

确定输电杆塔设计使用年限内角钢预留腐蚀层厚度是杆塔设计关键参数之一。根据中国电力科学研究院相关调研成果,日本运行50年耐候杆塔锈层腐蚀厚度仅为0.14 mm,平均年腐蚀速率约0.002 8 mm;美国运行50年耐候杆塔锈层腐蚀厚度仅为0.167 mm,平均年腐蚀速率为0.003 34 mm。受实际生产规格尺寸限制,工程应用预留锈蚀层厚度至少为0.5 mm/面,设计平均年腐蚀速率为0.013 mm(设计使用年限取40年计算),可满足常规大气环境对耐候钢锈蚀要求[4]。

1.2 冷弯耐候角钢截面特性计算

现阶段,耐候钢轧制截面形式比普通结构钢难以即时获得,对于目前用量相对较少的输电线路尤其如此,本文所阐述的耐候角钢塔采用的是冷弯耐候型钢,其是以热轧或冷轧带钢为坯料,在常温状态下,经过拉拔、冲压、折弯或辊式弯曲成型机组加工,弯曲成等肢角钢的型材[9]。运用材料力学基本理论知识,可推导等肢冷弯角钢截面几何特性。根据截面特点,将整个截面分为3个区域,如图1所示。

图1 冷弯角钢截面特性

(1)截面面积：

(1)

(2)截面形心：

(2)

(3)平行轴惯性矩最小轴惯性矩：

(3)

+A2·(a2·b2-a02·b02)-a3·b3·A3

(4)

Iu=Ix+Ixy

(5)

(4)平行轴回转半径最小轴回转半径

(6)

(7)

式中:b=b0-2h;t=t0-2h;r=r0-2h;b0为角钢原肢宽;t0为角钢原厚度;r0为角钢原内圆弧半径;h为预留腐蚀层厚度;a01为区域1对坐标轴Y0形心距;a02为区域2对坐标轴Y0形心距;a03为区域3对坐标轴Y0形心距;a1为区域1对坐标轴Y形心距;a2为区域2对坐标轴Y形心距;a3为区域3对坐标轴Y形心距;b01为区域1对坐标轴X0形心距;b02为区域2对坐标轴X0形心距;b03为区域3对坐标轴X0形心距;b1为区域1对坐标轴X形心距;b2为区域2对坐标轴X形心距;b3为区域3对坐标轴X形心距;A1为区域1面积;A2为区域2面积;A3为区域3面积。

根据角钢塔设计使用年限,确定耐候钢角钢预留腐蚀层厚度,从而计算冷弯耐候角钢截面几何特性,建立输电铁塔常用角钢规格库,见表1。

表1 冷弯耐候角钢规格库(预留腐蚀层厚度0.5mm/面)

表1(续)

2 耐候钢角钢塔设计关键要点

2.1 耐候钢材料的选择

选择耐候钢材料应当考虑以下原则:

(1)与工程建设所在地大气环境相匹配,即满足杆塔设计使用年限内角钢腐蚀层厚度设计限值要求;

(2)材料强度满足国家标准及行业规范等;

(3)原材料供应充足,且经济性较好。

夏湖-高堂110kV输电线路工程位于安徽省亳州市,亳州属于暖温带半湿润气候区,耐候钢可免涂装直接暴露大气环境下使用。本工程选用首钢京唐钢铁联合有限责任公司生产的SQ355NH,其部分化学成分见表2,满足耐候钢材料选用原则。

表2 SQ355NH部分化学成分表(wt%)

2.2 轴心受压构件承载力计算

轴心受压杆件稳定系数φ是受压构件承载力计算的关键参数,其受截面的不同形式和尺寸、不同的加工条件及相应的残余应力、杆件的初弯曲等影响,现行行业规范未对冷弯耐候角钢轴心受压构件稳定系数取值做出规定。中国电力科学研究院经过大量的轴心受压构件试验,得到了冷弯角钢轴心受压构件稳定系数φ计算公式[4]:

(8)

(9)

式中:λ为冷弯角钢弱轴长细比;fy为材料的屈服强度;E为弹性模量。

考虑不同约束条件对构件长细比λ影响,长细比需要进行修正,修正系数K见表3。

表3 受压构件长细比修正系数K

参考现行规范,冷弯耐候角钢构件承载力N按式(10)验算:

N≤φ·f·A

(10)

式中:φ为受压构件稳定系数;A为构件毛截面面积;f为冷弯型钢钢材强度设计值,材料抗力分项系数取1.165[10]。

2.3 连接节点耐腐蚀技术措施

免涂装耐候钢与普通镀锌螺栓接触存在电位差,两者之间容易形成电化学腐蚀,尽管这种腐蚀短期内不会造成角钢塔任何影响,但随着角钢塔运行时间的增加,普通镀锌螺栓腐蚀将不断积累,存在角钢塔节点丧失承载力的隐患。图2为北京环境气候暴晒3年后,与耐候钢接触位置(螺栓头部、垫片接触面)锌层腐蚀较为严重。因此,免涂装耐候角钢塔杆件连接节点必须采用同等耐候性能的紧固件(螺栓、螺母、垫片、金具以及地脚螺栓等)系列产品。

图2 6.8级镀锌螺栓大气暴晒3年后宏观形貌

2.4 防雷接地措施

对于传统线路杆塔,在避雷线或杆塔遭遇雷击后,雷电流可沿杆塔塔身引至接地体,由于镀锌钢杆塔塔身阻抗小,线路落雷后雷电流形成的塔顶电位主要受接地电阻影响。但耐候钢杆塔塔身阻抗显著高于镀锌钢杆塔,在避雷线或杆塔遭遇雷击且未形成有效雷电通道时,在相同接地电阻条件下,雷电流在耐候钢杆塔上形成的塔顶电位明显高于镀锌钢杆塔,使得耐候钢杆塔上绝缘子发生雷电反击闪络的概率明显增大,雷电故障风险较大,因此,针对耐候角钢塔开展了专项的防雷设计,如图3所示。

图3 防雷引流线设计

3 真型试验研究

为检验冷弯耐候角钢塔的整体承载能力情况,根据国网通用设计1D2模块,采用冷弯耐候角钢设计了SJ4型耐张塔,进行了杆塔真型试验。加载方案如图4所示。

图4 1D2-SJ4-21试验塔加载方案

依据输电线路杆塔设计规范[7],本次试验共进行了60°大风、90°大风等8个代表工况承载性能测试,如图5所示。试验塔通过了全部工况的验证性试验,并在超载工况达到116%时,受压侧塔腿主材最先发生弯曲失稳破坏,最终造成倒塔,如图6所示。

图5 冷弯耐候角钢塔真型试验

图6 铁塔破坏情况

4 试点工程应用

为进一步研究耐候钢在输电线路中免涂装应用的技术难点,国网安徽省电力公司作为建设单位,由安徽华电工程咨询设计有限公司设计的安徽亳州夏湖-高堂110 kV输电线路工程已于2018年11月成功投运,该线路全线共计62基冷弯耐候角钢塔,是我国首条全裸露、免涂装使用的耐候钢输电线路,为耐候钢杆塔在输电线路中的推广应用提供了宝贵的工程实践经验。

5 结论与展望

免涂装耐候角钢塔的应用,标志着耐候钢的抗大气腐蚀性能发挥用于输电杆塔,不仅解决了钢材易腐蚀问题,还解决了传统镀锌钢带来环境污染问题,同时节约角钢塔后期维护费用。本文针对免涂装冷弯耐候角钢塔开展设计研究工作,主要形成以下结论:

(1)冷弯耐候角钢预留锈蚀层厚度取0.5 mm/面,平均腐蚀速率为0.013 mm/a(设计使用年限取40年计算),可满足常规大气环境对耐候钢锈蚀要求。

(2)对常用冷弯耐候角钢截面特性参数进行计算,并形成截面规格库,以便工程实践使用。

(3)免涂装耐候角钢塔杆件连接节点应采用同等耐候性能的紧固件(螺栓、螺母、垫片、金具以及地脚螺栓等)系列产品。

(4)真型试验结果表明,采用冷弯耐候角钢设计输电杆塔可以满足承载力要求。

此外,由于冷弯角钢生产效率较低,且受厂家生产设备限制,不利于耐候钢在输电线路中的推广应用。热轧耐候角钢大规模生产,必将助推耐候钢输电角钢塔在实际工程应用。免涂装冷弯耐候角钢塔在国内初次使用,设计相关方面研究甚少,还需进一步对免涂装冷弯耐候角钢塔进行专项研究。