输电杆塔结构用材料最新进展

第４４卷增刊２０１１年１０月武汉大学学报（工学版）Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ．４４Ｓｕｐ．Ｏｃｔ．２０１１作者简介：李茂华，女，工程师，主要从事线路结构研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｍａｏｈｕａ＠ｅｐｒｉ．ｓｇｃｃ．ｃｏｍ．ｃｎ．文章编号：１６７１－８８４４（２０１１）Ｓ１－０１９１－０５输电杆塔结构用材料最新进展李茂华，杨靖波，刘思远（中国电力科学研究院，北京　１００１９２）摘要：从输电杆塔结构用材料方面论述了当前我国输电杆塔用材的现状和发展趋势，指出随着电网建设的不断发展，输电杆塔对钢材的品种和规格将提出更多的要求，塔材材质方面将向环保型、高强、节约型方向发展，未来输电杆塔对Ｑ４２０、Ｑ４６０高强度钢材、大规格角钢的需求量巨大，新型材料如冷弯耐候钢、复合材料将逐步得到应用．关键词：输电杆塔；高强钢；大角钢；冷弯耐候钢；复合材料中图分类号：ＴＵ　５１１．３；ＴＭ　７５ 文献标志码：ＡＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｅｅｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｆｏｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒｓＬＩ　Ｍａｏｈｕａ，ＹＡＮＧ　Ｊｉｎｇｂｏ，ＬＩＵ　Ｓｉｙｕａｎ（Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｕｓ　ｑｕｏ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖａｒｉｅｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｌｏｎｇｓｉｄｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄｓ．Ｔｏｗｅｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｉｌｌ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｉｎ　ｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ－ｆｒｉｅｎｄｌｙ，ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｔｒｅｎｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ，ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄ　ｆｏｒＱ４２０，Ｑ４６０ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ－ｗｉｄｔｈ　ａｎｇｌｅ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｌｌ　ｇｒｏｗ　ｅｎｏｒｍｏｕｓｌｙ；ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｕｌａｒ　ｔｏｗｅｒｗｉｌｌ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅｓ　ｍｏｒｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ；ｎｅｗ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｌｉｋｅｗｅａｔｈｅｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｃｏｌｄ－ｆｏｒｍｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗ－ｅｒｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒ；ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｓｔｅｅｌ；ｌａｒｇｅ－ｗｉｄｔｈ　ａｎｇｌｅ　ｓｔｅｅｌ；ｗｅａｔｈｅｒ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｃｏｌｄ－ｆｏｒｍｅｄ　ｓｔｅｅｌ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ 随着我国特高压电网的建设以及同塔多回线路、紧凑型线路、多分裂大截面导线等输电新技术的应用，使得杆塔荷载越来越大，杆塔也越来越高，塔重从单基重量１－２ｔ，发展到现在最大单基塔重５　０００多ｔ；塔高从几米发展到我国２００４年１１月建成投产的江阴长江大跨越塔，塔高达到３４６．５ｍ，单基塔重约４　０００ｔ（见图１）．２０１０年６月新建成的国内最高输电塔是浙江舟山与内陆联网跨海工程跨越塔，塔高约３７０ｍ，单基塔重５　０００多ｔ（见图２）．２００９年１月６日投入运行的１　０００ｋＶ交流输变电工程———晋东南－南阳－荆门特高压交流试验示范工程输电铁塔塔重是５００ｋＶ铁塔的４－５倍，单回路单基塔重将达到５０－１００ｔ（见图３），双回路单基塔重将达到１００－２５０ｔ．２０１０年７月８日投入运行的向家坝－上海±８００ｋＶ特高压直流输电示范工程输电铁塔塔重是±５００ｋＶ直流输电塔的２－２．５倍，单基重约３０－９０ｔ（见图４）．我国输电线路铁塔构件长期以来以热轧角钢型材为主，辅以少量钢管，钢材的品种以Ｑ２３５和Ｑ３４５两种为主，铁塔采用热镀锌防腐．随着经济社会和电网的发展以及环保节约型社会的建设，现有的输电铁塔在钢材强度等级、截面型式、防腐等方武汉大学学报（工学版）第４４卷图１　５００ｋＶ江阴大跨越塔图２　２２０ｋＶ舟山大跨越塔　图３　１　０００ｋＶ交流特高压塔　图４　±８００ｋＶ直流特高压塔面都无法适应，到了２１世纪，这方面的问题表现越来越突出，电力行业从２００２年开始尝试高强钢的应用，近两年来在国家电网公司的大力推动下，高强钢、钢管塔的应用已开始普及，并开始探索大角钢、高强螺栓、冷弯钢、耐候钢以及复合材料在输电线路杆塔中的应用．本文就作者了解的输电杆塔用材料最新趋势做一个系统的介绍，供同行参考．１　高强度角钢在输电线路铁塔中的应用 我国输电铁塔的构件截面型式以角钢为主，材质主要是Ｑ２３５、Ｑ３４５Ｂ级钢，与美国、日本、欧盟等国家相比，我国输电铁塔结构所用钢材的材质单一、强度值偏低、材质的可选择余地小，难以满足铁塔大型化的需要．我国ＧＢ　５００１７－２００３《钢结构设计规范》［１］已将Ｑ３９０、Ｑ４２０列入可选材料范围，ＧＢ／Ｔ　１５９１－２００８《低合金高强度结构钢》［２］列入了Ｑ４６０、Ｑ５００、Ｑ５５０、Ｑ６２０、Ｑ６９０强度级别的钢材，为更高强度等级钢材的应用提供了可能．２００２年５００ｋＶ黄浦江吴淞口大跨越工程跨越钢管塔首次采用了Ｑ３９０钢材；２００４年在７５０ｋＶ官厅－兰州东段输电线路中，又首次成功地采用了Ｑ４２０高强度角钢．此后，通过广泛调研国内主要钢厂的轧制水平，并经过经济性比较，考虑到与Ｑ３４５相比，Ｑ３９０高强钢的强度等级提高幅度不够大，而Ｑ４６０的轧制还存在一定困难，Ｑ４２０钢与国际先进水平较接近，因此决定大面积推广Ｑ４２０角钢．随后中国电力科学研究院（简称“电科院”）开展了大量的试验研究工作，取得了相关的设计技术参数，并编制了多项加工、制造、监造相关的技术导则用以指导Ｑ４２０高强度角钢的设计和加工，还相继举办多次Ｑ４２０高强度角钢的加工人员及管理人员培训班，保障高强钢的应用．２００６年国家电网公司基建部组织了全国性的Ｑ４２０高强钢推广应用试点工作，选取了９个高强钢试点工程，分别由江西、西北、湖北、江苏、河北和东北六个网省公司负责，试点工程采用高强钢的铁塔共计４．６３万ｔ，用Ｑ４２０高强钢角钢９　８００ｔ，Ｑ４２０钢板９３８ｔ，电科院总结了试点工程的应用经验．２００７年国家电网公司在“两型三新”输电线路建设中将推广应用Ｑ４２０高强角钢列为新技术、新材料的重点内容．同时，我国第一条１　０００ｋＶ晋东南－南阳特高压试验示范工程、±８００ｋＶ向家坝－上海特高压直流输电示范工程中均全面使用了Ｑ４２０高强度角钢，起到了很好的示范作用． 从已有的工程设计经验来看，采用Ｑ４２０高强度角钢对于转角塔可以节省４％－７％，直线塔可节省４％－６％，经济效益明显．通过大面积推广应用，积累了Ｑ４２０高强钢在设计、轧制、加工等各方面的经验，目前Ｑ４２０高强钢在输电线路铁塔中的应用已十分普遍，并已纳入国家电网公司典型设计的范畴，钢材的生产质量也在不断提高，采购环节已不存在什么问题．２　大规格角钢在输电线路铁塔中的应用 目前，我国铁塔用角钢的最大规格为∠２００×２４，国际上如欧美生产的最大角钢规格为∠２５０×３５，其高强度单角钢最大承载力可达到５　０００ｋＮ以上，采用单角钢就可以满足５００ｋＶ同塔双回路铁塔主材的要求．而我国对一些受力较大的输电２９１　增刊李茂华，等：输电杆塔结构用材料最新进展塔，只能采用组合角钢，这不仅使受力复杂，且增加了辅助材料，导致塔重增加．以往的铁塔真型试验结果表明，双拼和多拼角钢间受力分配不均匀，易造成铁塔结构提前破坏，不利于线路安全．与传统角钢塔相比，大规格高强度角钢可以减少双拼和多拼铁塔的加工量，可避免组合截面中填板焊接质量得不到保证的问题，同时使铁塔组合的施工量和施工难度大大减轻，并可减低铁塔钢耗指标．输电铁塔对肢宽在２００ｍｍ以上的大规格角钢需求急切，尤其是Ｑ４２０、Ｑ４６０高强度大规格的角钢，电科院在２００６年曾提出了输电线路用Ｑ４２０、Ｑ４６０高强度等边角钢标准化规格，增列了肢宽为２２０ｍｍ及２５０ｍｍ的大规格等边角钢．２００７年，电科院会同中国钢铁协会及国内钢厂、借鉴日本相关标准，针对输电线路铁塔用角钢编制了ＹＢ／Ｔ　４１６３《铁塔用热轧角钢》［３］，将∠２２０、∠２５０规格引入标准，为大规格角钢在输电线路铁塔上的应用奠定了基础．２００８年，国家发布了ＧＢ／Ｔ　７０６－２００８《热轧型钢》［４］，增加了∠２２０、∠２５０规格角钢，最大厚度为３５ｍｍ．２００９年在国家电网公司特高压建设部组织下，开展了大规格角钢的试点应用工作，对大角钢的应用在钢材的轧制、加工、设计等方面开展了系统的研究［５］．分别与钢厂和铁塔厂合作，研制了大规格角钢的轧制和加工工艺；开展了Ｑ４２０大角钢的承载力性能试验、接头试验、节点试验、模型架试验等，并选取±８００ｋＶ特高压直流锦屏—苏南输电线路工程中应用频率较高的ＪＣ１转角塔及ＪＣ５Ｄ转角型开展了真型试验，取得了大量的试验数据，解决了大规格角钢应用的关键技术问题．在此基础上，编制了《输电铁塔用热轧大规格等边角钢采购技术条件》，为今后推广应用大规格Ｑ４２０角钢作准备．３　钢管塔的推广应用目前，我国钢管铁塔只在大跨越工程和少量５００ｋＶ双回（四回）线路中有所应用，２０世纪７０年代初首次应用于２２０ｋＶ南京燕子矶长江大跨越．日本是钢管塔使用最多的国家，无论在大跨越工程还是１　０００ｋＶ、５００ｋＶ和２２０ｋＶ等电压等级的输电线路中都有广泛使用，在１　０００ｋＶ同塔双回输电线路中还应用了高强度钢材．韩国也正在大力开发各种类型的输电钢管塔，并应用在风力发电单管上，在７６５ｋＶ输电线路中也应用了钢管塔．在欧美，广播通信用的拉线桅杆广泛采用钢管结构．与角钢塔相比，钢管塔的风压体型系数仅为角钢的１／２左右，采用钢管塔可显著减小塔身风荷载作用，由此可降低铁塔重量，减小基础作用力，且钢管构件截面抗弯刚度大、结构简洁、传力清晰，有利于增强抵抗自然灾害的能力．国家电网公司党组２００８年第３３次会议提出了“加快推广应用钢管塔”的要求，基建部将推广应用钢管塔确定为重大工作项目和重要工作任务，拉开了钢管塔推广应用工作的序幕．通过调研统计发现，由于以往钢管塔的应用还不是十分普遍，并且钢管塔焊接工作量很大，而很多焊缝只能靠人工进行焊接，加工的效率低，目前，国内具备万吨以上大型钢管塔生产能力的厂家只有１０家左右，年产能总和不超过２０万ｔ．制约钢管塔推广应用的最大问题是加工厂的批量生产能力，为解决这一问题，需从设计、加工等环节进行改善和控制．为此，电科院开展了大量的理论及试验研究工作，包括高强度钢管的轴压稳定曲线、交叉斜材长细比修正系数、径厚比限值、超过６０ｍ高塔风压调整系数、微风振动及抑制、真型试验等［６］，在此基础上开展了大量的标准化工作，包括钢管规格系列化、带颈法兰标准化、插板连接标准化等（其中，带颈法兰和插板连接节点连接方式是一大突破，与传统的相贯焊连接相比，可降低焊接难度，大大提高加工效率），最后形成了设计、加工各环节的规程规范：《架空输电线路钢管塔设计技术规定》、《输电线路钢管塔构造设计规定》、《架空输电线路钢管塔运输工艺导则》和《架空输电线路钢管塔组立施工工艺导则》等，以上研究成果已直接应用于公司基建部指定的试点线路工程中，包括：７５０ｋＶ兰州东－天水、５００ｋＶ、２２０ｋＶ福建泉州大园－晋江同塔四回路、５００ｋＶ华东练塘－漕泾同塔四回、５００ｋＶ江苏梅里－无锡南同塔四回路等．目前，《国家电网公司输变电工程通用设计———输电线路钢管塔分册》也已正式出版，将在公司系统加快推广应用．另外，在钢管塔新材料新技术方面也在不断地寻求突破，２００２年５００ｋＶ吴淞口大跨越钢管塔首次在塔身下部主材采用了Ｑ３９０高强钢管；２０１０年６月新建成的２２０ｋＶ舟山－大陆联网工程大跨越３９１武汉大学学报（工学版）第４４卷塔首次在输电钢管塔应用了钢管混凝土技术；２０１０年７月２２日，５００ｋＶ练塘－泗泾线路工程的ＳＺＴ６２型直线塔首次采用Ｑ４６０的高强度钢管塔通过了真型试验的考验．４　冷弯型钢及耐候钢在输电线路铁塔中的应用 我国输电线路长期以来以热轧角钢为主，采用热镀锌工艺进行防腐．由于热轧角钢可以采购到的规格较少，在输电铁塔结构设计和制造过程中经常出现因材料采购困难导致的以大代小的问题，造成了一定程度的浪费；而采用热镀锌发防腐，环境污染严重，危害人体健康．采用冷弯钢形状尺寸可根据顾客的需求来定，可减少代料问题造成的浪费；采用耐候钢可彻底摒弃热镀锌防腐，有利于环境保护［７］． ２００７年１月，电科院承担的国家电网公司科技项目《耐候钢及冷弯型钢在输电铁塔中的应用研究》顺利完成了验收，该项目首先通过构件承载力试验、数值计算和理论分析，提出了冷弯型钢构件承载力计算方法；通过冷弯型钢模型塔和真型塔试验和数值分析，进一步验证了由构件试验研究成果的正确性和适用性．对较大厚度冷弯型钢进行了材性试验和构件承载力试验，提出了较大厚度冷弯型钢的设计强度修正公式，研究了其加工工艺对构件承载力的影响．对输电铁塔用ＪＴ系列耐候钢进行了不同腐蚀环境下节点、单片腐蚀试验和焊接性能试验，提出了输电铁塔用耐候钢的耐腐蚀性能指标要求．最后结合以上研究成果，形成了耐候型冷弯型钢输电铁塔构件设计技术规定．研究结果表明，在输电线路铁塔中采用耐候型冷弯型钢可以节省钢材用量，减少环境污染，取得显著的经济效益和社会效益．目前，冶金行业标准《输电铁塔冷弯型钢》已经发布，电力行业标准《输电铁塔冷弯型钢结构》已通过审查．２００９年，国家电网公司已将耐候型冷弯型钢列为重点推荐推广项目，我国第一基耐候型冷弯输电铁塔已在２２０ｋＶ厦门梧侣－内官线路中得到应用．５　复合材料在输电线路杆塔中的应用 与传统杆塔相比，复合材料杆塔环境影响小，且外形颜色可与环境相协调；重量轻，安装与运输方便，安装后不需维护；耐化学腐蚀、耐磨、防水、阻燃耐火，能够防止昆虫、鸟类和其他小动物损坏；绝缘性能好，可以减少绝缘子用量，绝缘子串可以离结构更近，由此可以减少相线与相线的间距；在满足屏蔽相导线免于遭雷击的设计条件下，避雷线的高度可以降低，从而使杆塔结构设计更加紧凑，可以提高走廊利用率．近年来，复合材料杆塔已在国外逐步应用于输电工程中，我国也正在积极开展这方面的研究工作．２００９年６月国家电网公司启动了《复合材料杆塔应用研究》项目，项目开展了大量的关键技术和试验研究，确定了复合材料弹性模量取值、推荐了连接方式、确定了杆塔及绝缘横担杆塔计算挠曲度值、横担安全系数、绝缘横担弯曲弹性模量等重要的技术参数，最后通过真型试验验证了结论的可靠性．在此基础上，公司基建部根据复合材料特点，选取了９项复合材料杆塔试点工程，电压等级有１０ｋＶ、３５ｋＶ、１１０ｋＶ、２２０ｋＶ，遍布北京、天津、山东、上海、江苏、浙江、福建、湖南共８省市．目前浙江的舟山１１０ｋＶ兰秀输电线路工程、江苏的２２０ｋＶ茅蔷线路改造工程以及北京的青龙湖１１０ｋＶ变电站配套１０ｋＶ切改工程均已竣工投产，其他试点工程正在施工过程中．试点工作已进入最后的收尾阶段，项目组正在对整个试点应用工作进行总结，将为下一步更大范围的应用工作提供技术支持． ６　小结１）随着输电线路铁塔的大型化的发展和电网技术的不断进步，输电线路杆塔对Ｑ４２０、Ｑ４６０高强度角钢及肢宽在２００ｍｍ以上的大规格角钢的需求量将会越来越大．２）与角钢塔相比，钢管塔在大荷载杆塔中应用优势明显，随着杆塔荷载越来越大，杆塔也越来越高，钢管塔的应用将越来越广泛，高强度钢管在钢管塔中的应用是大的发展趋势．３）在输电铁塔结构中使用冷弯钢可以节省材料，使用耐候钢是解决常用铁塔防腐所带来的环境问题的有效途径，同时，采用耐候型冷弯型钢可缩短我国输电线路设计水平与国外的差距，提高我国输电铁塔领域的国际市场竞争力．４）复合材料电力杆塔经济环保，绝缘性能好，４９１　增刊李茂华，等：输电杆塔结构用材料最新进展可以提高走廊利用率，是建设环保电网、绿色电网的理想材料，具有巨大的推广应用前景．参考文献：［１］　ＧＢ　５００１７－２００３钢结构设计规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２００３．［２］　ＧＢ／Ｔ　１５９１－２００８低合金高强度结构钢［Ｓ］．北京：中国标准化出版社，２００８．［３］　ＹＢ／Ｔ　４１６３－２００７铁塔用热轧角钢［Ｓ］．北京：冶金工业出版社，２００７．［４］　ＧＢ／Ｔ　７０６－２００８热轧型钢［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２００９．［５］　黄璜，李清华，孟宪乔，等．Ｑ４２０大规格角钢在±８００ｋＶ特高压杆塔中的应用［Ｊ］．电力建设，２０１０，３１（６）：６５－６９．［６］　李茂华，董建尧，杨靖波，等．我国第一基特高压双回路钢管塔真型试验［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１０，２９（３４）：１０２－１０７．［７］　何长华．高强冷弯型钢在输电铁塔上应用可行性的探讨［Ｊ］．钢结构，　２００４，１９（７４）：３５－３７．５９１。