热轧耐候角钢塔结构设计研究及全寿命周期成本分析

2022-12-11程智余罗义华尹雪超

工程与建设 2022年5期

程智余，罗义华，尹雪超，杨进

(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)

0 引言

耐候钢作为一种耐大气腐蚀结构钢，经过一段时间锈蚀后，其表面Cr、Cu等合金元素富集形成一层致密的非晶态锈层组织，并与基体牢固地结合，在一定程度上抵御大气中水汽及有害离子的入侵，能防止或极大地延缓基体金属进一步锈蚀[1]。耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳钢的2～8倍[2]，可避免传统酸洗、热浸镀锌制作等工艺，减少对大气、土壤环境的污染；也无须热浸镀锌加工成本和后期防腐维护成本，有助于降低工程造价。

随着电力工业和钢铁工业的不断发展、环保意识的加强，杆塔结构使用耐候钢已成为一种趋势。在国外，输电杆塔使用耐候钢已有50年的历史[3-5]。我国耐候钢在输电铁塔上的应用较少，2002年在山东潍坊的农网改造中试用了济钢研制的JT系列耐候钢[6]，2009年中国电科院开展冷弯耐候角钢塔的真型试验，并在厦门220 kV梧侣-内官架空输电线路中进行试点应用[7]，但是耐候角钢采用喷锌工艺进行防腐，导致耐候钢表面稳定锈层形成时间延缓。安徽省电力公司于2017年联合中国电科院、安徽华电设计院等企业研究免涂装冷弯耐候钢在110 kV输电线路中的应用，依托安徽亳州夏湖—高堂(孙庙)110 kV输电线路工程，设计使用了62基冷弯耐候角钢塔，是国内首条全裸露、免涂装使用的冷弯耐候角钢塔输电线路工程，已于2018年12月正式投入运营。其后，安徽阜阳地区6条输电线路工程共应用了6000多吨冷弯耐候角钢塔，这是国内首次大规模应用耐候钢输电铁塔，截至2019年12月，6条输电线路工程均已成功投入运营。

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。为进一步提高电网建设的经济性和环保性，高效推广耐候钢在输电线路工程中的应用，本文将开展热轧耐候角钢的截面几何特性计算、规格选择原则等设计要点研究，以及热轧耐候角钢塔全寿命周期成本分析，为热轧耐候角钢塔的设计提供参考。

1 热轧耐候角钢规格

1.1 锈层厚度

耐候钢在长期自然环境腐蚀作用下，其表面层会逐渐演变为疏松的外锈层和致密的内锈层，为了满足输电杆塔荷载要求，设计耐候钢铁塔时，角钢截面参数计算需要去除锈层厚度。

《输电线路资产全寿命周期设计建设技术导则》中明确规定，一般环境下常用输电线路杆塔的使用寿命为40年[8]。耐候钢在40年及以上的腐蚀作用下，其锈层厚度是热轧耐候角钢塔设计的关键参数。经查阅耐候结构钢在不同国家地区长时间服役的锈层厚度数据(表1)可知，日本50年后耐候钢锈层厚度为0.14 mm，平均腐蚀速率为0.002 8 mm/年；美国50年后的耐候钢锈层厚度为0.167 mm，平均腐蚀速率为0.003 34 mm/年。因此热轧耐候角钢塔设计时，可设定角钢锈层厚度为0.25 mm/面，平均腐蚀速率为0.006 25 mm/年(设计使用年限按40年考虑)，满足常规大气环境对耐候钢锈蚀的要求。

表1 耐候结构钢在不同国家地区长时间服役锈层厚度一览表

1.2 截面特性计算方法

角钢的截面特性参数是铁塔设计的必需参数，因此，结合耐候钢的腐蚀特性，提出适用于热轧耐候角钢的截面特性参数，是热轧耐候角钢塔设计的前提。

结合调整后的截面尺寸，运用几何力学基本知识，可推导出热轧耐候角钢截面特性的计算公式(假定等边角钢的各肢为矩形截面)，包括截面面积、重心距、平行轴惯性矩、对称轴惯性矩、最小轴惯性矩、回转半径等。

图1 热轧耐候角钢截面

(1)截面面积：

A=(d-2δ)(2b-d-2δ)+0.215×[(r+δ)2-2×(r1-δ)2]

(1)

(2)重心距：

(2)

(3)平行轴惯性矩：

(3)

(4)惯性积：

(4)

(5)对称轴惯性矩：

IX0=IX+IXY

(5)

(6)最小轴惯性矩：

IY0=IX-IXY

(6)

(7)回转半径：

(7)

(8)

(9)

1.3 热轧耐候角钢规格

根据耐候钢的耐腐蚀特性、杆塔设计使用年限，设定角钢锈层厚度取值为0.25 mm/面，结合推导的计算公式(1)～(9)，明确输电线路杆塔常用角钢规格一览表，见表2。

表2 热轧耐候角钢规格一览表(δ=0.25 mm)

与热轧普通角钢相比，热轧耐候角钢的截面特性参数有所折减，如图2所示，其中截面面积折减幅度最大。当角钢规格较小时，各参数折减幅度较大，随角钢规格的增大，折减幅度逐渐减小。因此热轧耐候角钢的应用，其表面产生的锈层，对小规格杆件的承载能力影响更大。

图2 热轧耐候角钢截面特性参数折减趋势图

2 全寿命周期成本分析

《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使用年限为40年。铁塔全寿命周期成本主要包括建设成本、巡检维护成本、失效成本和残值四个方面。分析热轧耐候角钢的经济性，其中铁塔的增重比例是比较重要的成本控制参数。

2.1 增重成本分析

基于锈层厚度0.25 mm/面建立热轧耐候角钢的规格及截面特性参数表(表2)，选取常用设计条件进行110 kV和220 kV典型杆塔设计，对比分析相同设计条件下热轧耐候角钢塔与热轧普通角钢塔的重量。

以110 kV和220 kV双回路直线塔和耐张塔作为典型杆塔，其设计条件见表3，单线图如图3所示。

表3 杆塔设计条件一览表

图3 典型杆塔单线图

杆塔计算采用道亨软件，通过设定DATA.INI文件中构件规格截面特性参数，并控制主材满应力度98%、斜材及辅助材满应力度95%的情况下，对热轧普通角钢塔和热轧耐候角钢塔进行计算，杆塔构件应力分布如图4、图5所示，各塔型计算塔重对比见表4。

图4 热轧普通角钢塔应力分布图

图5 热轧耐候角钢塔应力分布图

表4 杆塔重量对比表

从表4的数据对比分析可知：

(1) 相同设计条件下，与热轧普通角钢相比，输电线路杆塔采用热轧耐候角钢，由于构件截面面积和回转半径的变化，110 kV直线塔重量增加8.00%，110 kV耐张塔重量增加4.84%，220 kV直线塔重量增加7.29%，220 kV耐张塔重量增加3.92%。

(2) 由于考虑锈层厚度，在计算过程中，原小规格杆件需要增加一个规格才能满足要求，大规格杆件面积和回转半径折减值较小，可保持原规格不变，相同电压等级情况下直线塔比耐张塔的小规格杆件多，热轧耐候角钢的应用对直线塔重量影响更为显著，相同杆塔型式情况下110 kV杆塔比220 kV杆塔的小规格杆件多，热轧耐候角钢的应用对110 kV杆塔重量影响更为显著。