输电线路铁塔用钢的发展趋势

何长华

（中国电力科学研究院，北京市，100192）

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展，各地经济对电力的需求不断增加，使得我国电网建设有了前所未有的发展。随着长距离大容量电力传输的需要，电压等级不断升级，以1000 kV交流、±800 kV直流和±1000 kV直流的特高压线路为骨干网架的线路正在建设中，输电塔也从早期的木杆、混凝土杆发展到现在普遍采用的钢结构塔，单基塔质量从1～2 t发展到上千吨。目前正在建设的江舟山与内陆联网跨海工程跨越塔，塔高约370 m，单基塔质量达到5999 t。

随着电网的不断发展升级，输电塔也在向大型化、钢结构化、规模化方向发展，输电塔的用钢量不断增大，需要的单根构件承载力越来越高，对型材的需求越来越广。这些对输电塔的结构设计、钢材使用提出了更高的要求。

1 我国输电线路发展现状

新中国成立后，我国的电力事业得到了快速的发展，输电线路的建设也获得了巨大的进展。20世纪50年代我国建设了一大批35 kV和110 kV线路。20世纪60年代开始建设220 kV线路，并逐步形成地区220 kV电网。随着电力负荷的增长和大型水、火电源的开发，1972年我国建成第1条330 kV刘家峡—关中超高压线路，随后此超高压线路逐步延伸，并形成西北跨省联合电网。1981年我国第1条500 kV平顶山—武汉线路投入运行，接着其他地区也相继开展了500 kV线路的建设，形成了目前的东北、华北、华东、华中、西北、南方、川渝共7个跨省电网和山东、福建、新疆、海南、西藏共5个独立省（区）电网[1]。随着我国电力负荷的迅速增长和大型能源基地的开发，电力的跨区联网和长距离输送已经成为电力输送发展的必然趋势，更高电压等级被引入输电线路，2008年我国第1条1000 kV晋东南—南阳—荆门特高压线路建成投运，随后淮南—上海、锡盟—上海、陕北—长沙等1000 kV特高压交流输变电工程以及金沙江、溪洛渡、向家坝等水电站外送的±800 kV直流特高压送出工程都已进入建设规划中。到2015年前后，我国将在南北方向构建多回1000 kV级特高压输电线路大通道，输电线路总长约为4200 km，此外，还建成±800 kV级特高压直流输电线路工程7200 km。

从220 kV、330 kV、500 kV输电线路工程建设开始，就将钢材作为输电塔的主要材料。在20世纪80—90年代，随着经济发展，钢材货源充足，输电塔上钢材的使用量不断增大。据电力部门测算，“十一五”期间国家电网公司每年投产220 kV及以上的输电线路约2.8×104km，输电铁塔年均需求钢材40万t左右[2]。随着电压等级的不断升高，输电塔所用的钢材重量不断增加，目前建设的1000 kV输电塔相比现在500 kV铁塔，其外型规模、塔材重量上都有了较大变化，塔重增加4～5倍，单回路单基塔质量将达到100 t，双回路单基塔质量将达到250 t。预计今后5年特高压输电线路上的投资约达6千多亿元，铁塔钢材需求量达600多万t。

2 输电塔钢材使用特点和现状

由于输电线路多是跨区域、长距离建设，因此，输电铁塔必须要满足以下特殊使用条件。

（1）运行环境恶劣：长期露天运行，面临各类气象条件、大气腐蚀。

（2）现场施工困难：地点分散，长距离绵延，没有大型机械设备使用的条件。

（3）运输条件复杂：翻山越岭，跨河穿林，道路不通。

（4）使用条件变化多样：线路转角变化，气象条件差异，铁塔间距和高度的变化。

这些特定条件决定了输电塔要具备运输安装方便、日后运行维护简便、可应对各类气象条件等特点，因此，输电铁塔通常采用专业化设计、格构式组合结构、螺栓装配连接，且需具备良好的防腐性能。

输电铁塔一般多采用单柱钢管杆（见图1）或由四柱式组合结构的铁塔（见图2），采用热镀锌防腐工艺。钢管杆多采用钢板制成不等径钢管；铁塔采用型材构件拼装的格构式结构，通常1基铁塔中要用到上千种构件，40～60种规格的型材。这样具有配套规格的热轧角钢、钢管（无缝或直缝焊接）型材和板材就成了输电塔的首选型材。

随着电压等级的不同，型材材料的使用也在发生变化，输电塔杆件断面形式由简单到复杂进行变化。对于500kV及以下的输电塔，荷载相对较小，一般主柱使用单角钢就可以满足承力要求；当单角钢不能满足承载要求时，则用单角钢进行截面组合，如双拼角钢、四拼角钢、格构式[3]。对于特高压线路、同塔多回线路、大截面导线线路、大跨越工程的铁塔，其荷载明显增大[4]，仅用角钢已不能满足需求，这时就需要选用具有更高承载能力的钢管构件。对于更大的铁塔，有时还要在钢管构件的基础上增加补强手段，如钢管中加灌混凝土等。图3是输电塔中常用的一些主柱截面形式。

江阴长江大跨越塔主材每个分支用板厚65 mm、宽500 mm焊成十字型断面，然后由4个十字型断面组成格构式柱（见图4）。舟山大跨越塔主柱采用钢管与内置钢构架的组合结构（见图5）。

在输电塔钢材材质方面，主要以国家标准GB/T 700《碳素结构纲》中规定的Q235和GB/T 1591《低合金高强度结构钢》中规定的Q345等级钢材为主，近期开始在铁塔成批使用Q420等级钢材[5-7]。在一些个别的220 kV线路钢管杆和500 kV变电构架中，也使用过上海宝钢按ASTM A572GR65配方生产的钢材屈服强度为450 N/mm2的钢板。对于更高强度级别钢材，只是对Q460等级钢材进行了少量试用。

为了不断推动输电铁塔的技术进步，近几年，在电力行业内有目的地开展了一些新材料在铁塔应用的研究工作，并取得较好的效果。一是冷弯型钢的使用[8]：首次把冷弯角钢应用于输电铁塔[9]，充分借鉴了冷弯型钢定尺任意、钢材型号多样、钢材利用率高等特点。二是复合材料的使用：把玻璃纤维或碳纤维复合材料用于输电杆和铁塔横担上，有效降低了塔重，改善输电塔防腐性能。虽然这些新材料在输电塔中大范围推广还存在有一些经济性等方面问题，但新型材料在输电塔上使用已经成为一种时代发展的潮流。

3 输电塔使用钢材存在的问题

随着我国钢铁产业的快速发展，可选用钢材的品种也越来越多。由于用钢总量在钢铁行业占很小的比例，因此，铁塔所用的型钢材料的生产没有得到钢铁企业的强力关注。现有的型材产品规格和品质延续了几十年，缺乏必要的技术升级和换代，致使存在于铁塔型材供货中的2个主要问题一直没得到彻底解决。

3.1 钢材规格不足

在角钢规格方面，GB 9787《热轧等边角钢外型、尺寸、重量及允许偏差》中给出的从40 mm×3 mm到200 mm×24 mm的角钢规格达70多种，但在市场上能采购到的角钢产品只有40多种规格，致使铁塔加工时经常发生以大规格代替小规格的情况，造成不必要的浪费。我国角钢最大规格为200mm×24mm，远远不能满足输电塔使用需求，而国际上角钢最大规格可达250mm×35mm。在建造一些受力大的输电塔过程中，单角钢200mm×24mm常常不能满足受力要求，只能采用组合角钢，致使输电塔构造复杂化，另外还要增加许多辅助材料，导致塔重增加。在220 kV汕头港湾大跨越塔中采用的250 mm×25 mm、250 mm×35 mm大规格角钢，只能依靠进口钢材解决。在特高压杆塔试验基地建设中，加荷塔中使用的300 mm×30 mm角钢只能用钢板焊接成型，增加了大量工作量。

在钢管规格方面，在铁塔中涉及到的钢管规格要达近百种，管径为89～1000 mm，壁厚为4～25 mm，但目前市场上能够有效供应的钢管规格仅40多种，且最大规格管径一般为600 mm左右。对于更大规格的钢管，目前多是由铁塔生产厂使用板材卷制生产。如淮南—上海1000 kV特高压同塔双回铁塔用到的

900 mm×22 mm以及工程试用的Q460等级 360 mm×10 mm钢管，都是由铁塔厂用钢板自行生产的。

3.2 型材钢的强度级别偏低

目前我国在输电塔使用的角钢型钢，仍主要以Q235、Q345低强度钢材为主，Q420等级高强角钢只是刚刚形成了工业化生产能力；Q460高强角钢生产仍在摸索中，其成熟度、技术水平、质量稳定性等还不够理想。对于钢管产品，其强度等级也只到Q345强度等级，虽然目前也有了一些更高强度等级的钢管产品，但其规格系列化程度不够，因此尚不能满足铁塔使用需求。

目前，电力部门已着手开展了Q460等级钢管在铁塔中的应用工作，但Q460钢管供货渠道还没有得到完全解决。而日本早在20世纪90年代就在特高压线路铁塔主材采用了钢材屈服强度为392 N/mm2的钢管。我国及其他国家用于输电塔钢材屈服强度的对比[10-12]如表1所示，可以看出，我国型钢材料的强度等级与国际上其他国家还存在一定的差距。

表1 国内外输电塔钢材屈服强度对比Tab.1 Steel yield strength comparison of domestic and foreign transmission towers

铁塔中采用高强钢具有很明显的经济效益。例如，晋东南—南阳—荆门特高压线路中，铁塔采用了Q420高强度角钢3.3万t左右，占全部用钢量的33%左右，由此使整个工程节约钢材约2500 t，节省投资1亿元左右。如果采用Q460高强钢，节材量会更大。500 kV练塘—泗泾线路工程中，在双回路钢管塔上试点采用高强钢，直线塔主材采用Q460钢管代替目前常用的Q345钢管，塔身主材节省钢材12%～18%，整塔减轻5%～6%；转角塔主材采用Q460钢管代替Q345钢管，塔身主材节省钢材15%～20%，整塔减轻6%～9%。与Q345钢管相比，采用Q460高强钢管后工程全线钢材节约1145 t。因此，输电塔中采用高强度钢具有良好的经济效益和社会效益，要提高我国输电塔的技术水平，就需要有更多高强度级别的型钢材料给予支撑。

4 输电塔用钢发展趋势

随着我国电网建设的加强，长距离大容量输电的特高压输电线路将成为电网联络的骨干网架，同时，随着土地资源的紧缺和环境保护的要求，同塔多回路输电线路越来广泛使用。不论是特高压还是同塔多回路线路，其输电塔的外荷载明显增大，铁塔的规模和单根构件的规格也显著增加。因此，传统的型钢材料的品种和规格已远不能满足现代输电铁塔发展的需求，急须探求新的材料和结构形式在铁塔中使用。

根据输电线路发展的需求，输电塔对钢材需求的趋势主要表现在以下4个方面：

（1）更高强度等级的型钢。为了进一步提高构件承载力，减轻单根构件的重量，铁塔使用的钢材正向高强度级别发展。目前，Q420、Q460高强度角钢和钢管型钢已开始在铁塔中使用，急需钢铁企业能提供成熟的产品。随着时间推移，更高强度级别的型材也将会被采用，如西气东送管线已大量使用X70和X80高强度钢管，屈服强度达550 MPa以上，管径规格为1200 mm，厚度为22 mm，这可为铁塔中采用高强度钢材提供很好的借鉴。

（2）更为有效的新结构形式型材。为了满足铁塔大负荷需要，铁塔构件需要具有更高承载能力，目前，仅仅依靠加大角钢和钢管的截面规格已不能完全满足工程实际需要。出于运输和现场安装方便的考虑，铁塔的构件需要采用更为有效的新结构形式型材，如十字型钢、组合钢管以及便于现场组合拼接成主柱的其他型材等。

（3）更节能环保的材料。随着国家对环境保护要求的日趋严格，铁塔热镀锌防腐所带来的环境问题越来越突出，因此需要采用高效环保的手段来处理铁塔防腐问题。采用复合材料、耐候钢替代当前普通钢材是解决铁塔防腐问题的一条有效途径，具有较好的社会效益和环保效益[13]。目前，电力行业已在着手开展复合材料和耐候钢在输电铁塔中的应用研究工作，同时希望一些型钢生产企业予以更多关注。

（4）更标准专业化的构件。目前，电网建设速度明显加快，特别在大型输电铁塔生产制造上，现有铁塔生产厂的产能严重不足，为此，电力部门已经开始了把更多市场上已成熟的、专业化生产的构件（如球型节点、带颈锻造法兰等，其实物分别如图6、图7）引入铁塔结构中，以扩大成品材外购力度，简化铁塔生产厂的工作强度，提高铁塔生产效率，加强铁塔产品质量保证。同时，电力部门也对输电塔中一些构件开展了标准定型化工作，以吸引更多其他专业化钢铁企业参与这些标准构件生产，这就给一些钢铁企业提供依托已有产品扩大服务领域的空间，通过与电力客户的沟通，发展出与输电铁塔相配套标准、专业的型材或构件，为输电铁塔提供更为专业化的技术支撑和产品服务。

5 结论

输电铁塔对钢材用量需求将不断加大，铁塔的发展对钢材的品种和规格也将提出更广、更高的要求。输电铁塔使用的钢材具有明显的行业特点，铁塔用钢品种相对固定、需求集中稳定，具有较好的潜在市场和可持续发展性。可以预见输电铁塔对优质高强的钢材需求量将是巨大的，未来在铁塔用钢方面将是向高强度、新形式型材、节能环保以及标准专业化方向发展。

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