可拆分式抱杆的研制及其在青藏直流工程中的应用

2012-08-09朱艳君江明黄克信缪谦

电力建设 2012年1期

朱艳君，江明，黄克信，缪谦

(1.国家电网公司直流建设分公司，北京市，100052;2.中国电力科学研究院，北京市，100192)

0 引言

青藏直流输电线路工程，东起青海格尔木换流站，西至西藏拉萨换流站，线路全长1 038 km，平均海拔约4 650 m，最高海拔为5 300 m［1］。高原缺氧、地势复杂等恶劣的自然条件造成了广大工程建设者的劳动能力、负载能力等大幅下降［2］。因此，在工程建设中减轻施工设备及工器具自重，以降低施工人员的劳动强度是保障工程建设的关键之一。

输电线路施工抱杆为铁塔组立施工的主要起重设备，一般按照铁塔参数和施工要求进行设计，即满足抱杆强度、刚度、稳定性等要求的同时，兼顾施工及运输安装对尺寸及重量的要求。常规抱杆一般采用整体标准节，整体标准节易加工、造价低，但是其整体尺寸及单体重量仅能满足常规输电线路铁塔组立施工的劳动强度，且采用机械运输时占用空间大、运输效率低。常规抱杆标准节一般单节长度约3 m、单节质量约150 kg［3］，人力运输的劳动强度已经很大。由于青藏高原特殊的自然条件和青藏直流输电线路工程铁塔特点，抱杆仍为整个线路工程地形恶劣地区组塔的主要施工设备。在青藏线路工程建设中，施工人员作业能力大幅下降，只有大幅减少设备重量，才能保障工程建设的顺利进行。如果按照常规设计思路，在抱杆总长度不能更改的前提下，采用减少标准节长度的方法减轻抱杆标准节重量，则导致抱杆标准节数量增多，整体自重、组装难度增加，直线度很难满足设计要求，且连接螺栓较多、组装质量很难控制，不仅增加了成本和工作量，也对施工造成了一定的安全质量隐患，因此必须采用全新结构形式的抱杆。

1 抱杆设计

抱杆的重量主要集中在标准节，因此可以采用将标准节拆分为标准节片的方式来降低抱杆单件自重。根据青藏直流工程施工环境要求和铁塔的结构特点，可拆分式抱杆的参数确定如下:最大长度为26 m，抱杆最大截面为500 mm×500 mm，许用轴心压力为89 kN，最大起重量为21.5 kN，抱杆本体最大单重不超过25 kg。

为了减轻单件自重，抱杆上下节采用1 m楔形铝合金格构式端节［4］，其单件质量为24.7 kg。抱杆标准节长为3 m，截面为500 mm×500 mm，由4个完全相同的标准节片和3个稳定框通过螺栓连接组成，其单件最大质量为23.5 kg。抱杆可拆分式标准节如图1所示，采用了可拆分标准节和1 m端节后，抱杆本体的最大重量不超过25 kg，能够有效降低人力搬运的劳动强度，而且可拆分式标准节在运输时占用空间小，也方便机械运输。

图1 拆分式标准节Fig.1 Structure of modular mast section

2 材料选用

在青藏直流工程中，选用的机械设备材料应考虑其低温韧性。抱杆材料一般选用钢材和铝合金。铝合金在低温时强度增加、塑形提高，但刚度低，连接时需铆接在钢材上再通过螺栓连接，不适合制成可拆分式标准节，而格构式端节主材宜采用铝合金。因此，抱杆端节主材选用2A12铝合金，拆分式标准节采用钢材。常用结构钢一般选用Q235和Q345。Q235属于碳素结构钢，分为A、B、C、D共4个质量等级。Q345属于低合金结构钢，分为A、B、C、D、E共5个质量等级。从经济角度上，Q345性价比相对Q235较高，市场价格也略高些。Q345比Q235屈服强度提高约45%，理论上用Q345可节约用钢量15% ～25%。故抱杆标准节主材采用Q345，部分辅材可选用Q235。从材料的经济性能来考虑，型号高的钢材成本高，产量也较少，应用广泛的是B、C、D共3种型号。钢材的型号依次更适合用于低温状态，并能提供安全的力学性能和稳定的化学性能［5］。其化学成分仅在磷、硫指标上有微小差别，但是最重要的区别在于冲击韧性试验温度。一般0～-20℃时采用C级钢，当温度低于-20℃时采用D级钢。综合考虑青藏高原地区的气候条件和施工环境等因素，抱杆标准节主材选用Q345C，辅材选用Q235C。

3 抱杆检测

可拆分式抱杆的标准节由多个标准节片通过螺栓连接组成，抱杆强度与螺栓连接的可靠性是保障抱杆施工安全的关键。为了确保可拆分式抱杆的安全性，按照抱杆设备标准要求［6］，对抱杆进行了100%、125%、150%额定轴向压力应力测试。抱杆卧式加载方式，加载时采取拉力表与手扳葫芦串联，以记录拉力数值。测试应变片贴在抱杆端部和中间部分，抱杆测试方法如图2所示，结构应力测试布点如图3所示，测试结果如图4所示。载荷测试中最大应力均小于材料的许用应力(138 MPa)，强度和稳定性安全系数均大于2.5，且试验中螺栓连接可靠、无明显变形，抱杆测试合格。

图4 测点应力Fig.4 Stress of test points

4 工程应用

可拆分式抱杆于2011年4月运抵青藏直流工程第10标段453号铁塔进行工程应用。该铁塔塔型为ZV42-30，呼高 30 m、全高 35 m、根开 10.52m、横担宽度30 m、总质量14.7 t。铁塔基础海拔4 910 m，为第10标段中海拔最高的铁塔，塔位处空气含氧量不到平原地区的50%［7］。抱杆运抵塔料场后，需人工搬运至200 m外高约80 m的山顶塔位处。搬运时，2人抬1个标准节片，平均单人负重约12 kg，有效降低了工地运输的人力劳动强度。抱杆分片运抵塔位后在塔位处组装，组装完成后搬起并进行内悬浮外拉线抱杆铁塔组立施工。之后该抱杆完成了该标段施工难度较大的421号等铁塔组立施工。由于抱杆起重量大，其横担采用整体吊装，减少了高空作业量。

拆分式抱杆在机械运输时将标准节拆成片式包装，占用空间小。采用专用的木箱包装后，更加方便机械运输及机械装卸，且运输费用低。抱杆单件重量小，工地运输时能够有效减轻施工人员在人力搬运时的劳动强度。抱杆结构安全可靠、施工安全性高，有效减轻了施工人员劳动强度，受到现场施工人员的好评。同时在使用中发现抱杆连接螺栓的数量相对较多，需进一步优化连接设计，尽可能地降低劳动强度。工程应用表明可拆分式抱杆特别适用于高海拔等自然条件恶劣地区铁塔组立施工，能够有效减轻施工人员劳动强度，提高施工安全性。

5 性能比较

为了减轻高海拔地区施工劳动强度，施工单位选取抱杆时一般选用自重轻、起质量小的铝合金抱杆，导致组塔施工中吊装次数增多且高空对接塔片的工作量增加，劳动强度增加、施工效率降低。可拆分式抱杆与青藏直流工程十标段使用的铝合金抱杆的各项性能参数见表1。根据表1中各项参数分析得出，可拆分式抱杆相对铝合金抱杆具有以下优点:

(1)起质量大，减少了吊装次数和高空作业量，提高了安全性和施工效率。

(2)单件质量轻，能够有效降低工地运输人力搬运的劳动强度。

(3)机械运输时占用空间小，机械运输、装卸方便。