耐候钢在输电铁塔中应用的全寿命分析

耐候钢在输电铁塔中应用的全寿命分析

作者：王向红张楷吴晓锋赵贞欣

来源：《山东工业技术》2013年第13期

【摘要】耐候钢是一种大气防腐蚀合金钢，具有自防腐蚀性能，现已广泛应用于铁路、车厢、桥梁、集装箱、建筑等方面。耐候钢的力学性能和加工、连接性能均能满足输电铁塔设计要求，在国外已有耐候钢使用于输电铁塔，但在国内尚未使用。本文从主要从全寿命周期的角度分析耐候钢在输电铁塔中的应用所产生的经济效益，并具体论述使用耐候钢的环境效益等。

【关键词】耐候钢；输电铁塔；全寿命

0 引言

目前输电铁塔钢材的防腐措施一般为热镀锌防腐，这种防腐措施可以使铁塔构件得到长期的室外暴露使用寿命，但在经过一段时间（一般为10～20年）后，需要根据铁塔构件镀锌层破损情况对铁塔构件进行一系列的防腐蚀措施，运检维修费用较高。

耐候钢是一种大气防腐蚀合金钢，通过在钢材中添加少量合金元素，使钢材在大气中具有良好的耐腐蚀性能，现已广泛应用于铁路、车厢、桥梁、集装箱、建筑等方面。

国内外的学者对耐候钢进行了大量的实践研究，美国在1961年将耐候钢材用于马萨诸塞州Pittsfield近郊的输电塔上，1962年在宾夕法尼亚的Brookville建成两座输电塔，其后佛尼吉亚电力公司建成的563km输电铁塔全部使用耐候钢。在我国，耐候钢在输电铁塔中尚未应用。

1 耐候钢在输电铁塔中应用的可行性

1.1 耐候钢材质

目前最常用的铁塔材质为Q235、Q345和Q420，均属于普通热镀锌角钢，其力学性能的研究较为成熟，耐候钢属于新型的钢材种类，依据《耐候结构钢》（GB/T 4171-2008）[1]中关于耐候钢牌号的规定，得知耐候钢的牌号及其生产方式和主要用途，如表1所示。

耐候钢的牌号规定同普通钢材牌号表示方式相同，由上表1可以看出耐候钢的最下屈服强度下限值为235N/mm2～550 N/mm2，涵盖了现今输电铁塔常规使用的钢材，只是与普通钢材牌号没有一一对应，因此在使用耐候钢时需对钢材的强度值进行调整，以满足铁塔设计要求。

1.2 耐候钢和热镀锌角钢耐腐蚀性能比较

热镀锌构件根据铁塔所在大气环境，耐腐蚀年限存在不同。根据运行经验，一般在运行10～20年间就需要进行防腐处理，处理方式为涂覆防腐材料，之后的防腐处理周期为5～8年。图1为塔材锈蚀情况。

耐候钢对工业大气环境的耐腐蚀性较强，其通过添加少量合金元素Cu、P、Cr、Ni等，使其在金属基体表面上形成保护层，以提高抗大气腐蚀性能。依据对耐候钢的调研结果，耐候钢在工业废气污染环境等恶劣大气环境中耐腐蚀性能突出，在铁塔设计年限（40年）期间均无需对其进行防腐处理，进而减少运维费用，降低工程成本。

1.3 耐候钢产能

全国大型钢铁厂家均具有耐候钢生产资质，其中马钢、唐钢、首钢、莱钢、宝钢、武钢等钢铁厂家均进行耐候钢的生产，依据调查结果，马钢的耐候钢产能为30万吨/年，唐钢的耐候钢产能为25万吨/年，其他钢厂也均有20万吨/年左右的产能，能够保证耐候钢在输电铁塔中的供应需求。

1.4 耐候钢的加工性能

耐候钢与普通钢材的加工性能相同，在角钢的切割、钻孔作业中与普通钢材工艺相同，螺栓连接性能及焊接性能均需要与耐候钢相配套的螺栓和焊条，连接成品可以满足现行铁塔设计要求。

1.5 耐候钢的环境效益

热镀锌的主要污染物为工业废水、工业废气和工业废渣，“三废”所含有毒物质大致为：锌经加热产生的氧化锌蒸气、钝化液中的铬化物、废水生产的固体沉淀物均为有毒物质等。

酸雾吸入人体会引起呼吸道炎症、对眼粘膜、皮肤有强烈的刺激作用，对机械设备的表面也有一定程度的腐蚀作用；锌锅中加热后挥发出的锌气对人体有一定的毒害作用；废酸不经处理排放会对土质、水源、水生物等有着强烈的污染。

耐候钢在加工期间无需进行热镀锌处理，而目前输电铁塔所使用的塔材均需要进行热镀锌处理，因此使用耐候钢能够避免在塔材加工过程中的热镀锌工艺，从而间接起到环保作用。

1.6 耐候钢在输电线路中应用存在的问题

耐候钢在在国内外各行业中应用较为广泛，但在我国输电铁塔中一直未能使用，究其原因主要分为以下几点：

（1）耐候钢表面全部附着锈层，影响美观且直观安全性较低，需要进行耐久性试验后才能进行使用；

（2）目前耐候钢只有少数大型钢厂生产，成品大多为耐候钢板，型材较少，需要其他加工厂对原材料进行加工成角钢后才能进行使用，需对成品进行质量检测；

（3）耐候钢材料的角钢规格不全，同成熟的普通钢材角钢规格库相比差距较大；

（4）虽然耐候钢具有耐腐蚀性能，但也存在腐蚀量，在进行设计时需要对其增加腐蚀裕度使用，这就需要针对耐候钢进行研究推行一套新型的规格库以指导设计，这需要大量的时间、人力和物力。

现在国内许多钢厂能够生产热轧耐候角钢，并具有批量生产的能力，但尚未形成一套完整的考虑耐候钢腐蚀量的规格库指导设计，耐候钢在输电线路中应用仍需要进一步研究。

2 铁塔全寿命分析内容

根据《输电线路资产全寿命周期设计建设技术导则》[3]，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。

2.1 建设成本

铁塔建设成本是指铁塔在设计和施工阶段发生的材料、运输和安装的费用。建设成本是铁塔全寿命周期成本内容最重要的组成部分。

2.2 运检维护成本

铁塔投入运行一定年限后，有局部杆件或螺栓缺失，需对铁塔进行维修加固；镀锌层破坏造成部分杆件锈蚀，威胁铁塔的安全，需对其进行后期防腐处理。由此产生的费用为运检维护成本。

2.3 失效成本

由于铁塔设计均按照现行设计规范执行，失效概率极低，因此不考虑铁塔结构的失效成本。

2.4 残值

铁塔结构的拆除成本是指结构达到使用寿命极限进行拆除时产生的费用。

3 全寿命分析方法

全寿命周期分析采用净现值方法进行计算分析，即将各时期费用折合到建设初期的净现值进行分析。

依据《建设项目经济评价方法与参数》（第三版）[2]中的规定，经济净现值（ENPV）是指按社会折现率将项目计算期内各年的经济净现金流量折现到建设初期的现值之和。可按式3-1计算：

4 全寿命分析过程

4.1 输入条件

4.1.1 基本条件

1）新建线路；

2）沿线为工业污染大气环境；

3）参考日本热镀锌协会对热镀锌的耐用年限进行的试验研究数据（表3）确定首次涂覆防腐材料年以13年计。

4）涂覆防腐材料周期按5年计；

5）耐候钢无需进行防腐措施。

4.1.2 经济条件

1）依据《输电线路资产全寿命周期设计建设技术导则》[3]中规定，铁塔设计年限为40年，施工期按2年计，第一年投资为60%，第二年投资为40%；

2）依据《建设项目经济评价方法与参数》（第三版）[2]中规定，电网送电工程的税前基准收益率为7%；

3）单次涂覆防腐材料费用按1950元/t计；

4）依据调研结果，不同钢材材质单价如下表，其中耐候钢较普通角钢出厂价高约1000元/t，但其无需热镀锌工艺，热镀锌工艺费用按1500元/t计，折合后的材料单价表如表4所示：

5）施工费用以1900元/t计；