热轧耐候角钢塔结构设计研究及全寿命周期成本分析

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)

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。

1.1 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

《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。

2.2 全寿命周期总成本分析

2.2.1 全寿命周期成本取值原则

铁塔全寿命周期成本主要涉及塔材、运输、组立、防腐及报废拆除等费用，综合材料市场询价、运行维护经验等情况，以及输电线路技术特点、建设环境等诸多因素，暂列各费用取值如下。

(1) 塔材费用：热轧普通钢材(含角钢、钢板和螺栓等)单价为4 800元/t，热轧耐候钢材单价5 800元/t，镀锌工艺费用1 400元/t，加工综合费用2 800元/t。综上，热轧普通角钢塔塔材费用约9 000元/t，热轧耐候角钢塔塔材费用8 600元/t。

(2) 安装费用：综合考虑塔型、全高、塔重、交通、塔位地形等因素，杆塔运输费用160元/吨，杆塔组立费用750元/吨。

(3) 防腐费用：因镀锌层腐蚀严重而首次涂刷防腐材料年以20年计，涂刷防腐材料周期为10年，按铁塔设计年限40年计算，热轧普通角钢塔服役周期内需要涂刷2次防腐材料，单次涂刷防腐材料费用约1 600元/t；
热轧耐候角钢塔服役周期内不需要进行防腐维护，防腐费用为0元。

(4) 拆除费用：杆塔拆除费用为520元/t。

2.2.2 杆塔成本计算及分析

按上述费用取值原则，计算热轧普通角钢塔和热轧耐候角钢塔的全寿命周期成本及对比情况见表5。

表5 杆塔全寿命周期总成本对比表

从表5中的数据对比分析可知：

(1) 与热轧普通角钢塔相比，输电线路采用热轧耐候角钢塔产生的全寿命周期成本更低，热轧耐候角钢在输电线路中的应用具有一定的经济效益。

(2) 相同电压等级，输电线路耐张塔采用热轧耐候角钢对全寿命周期成本的降低更为显著。

(3) 相同杆塔型式，220 kV输电线路采用热轧耐候角钢塔对全寿命周期成本的降低更为显著。

本文运用几何力学基本原理推导出热轧耐候角钢截面特性的计算公式，并得出基于锈层厚度为0.25 mm/面情况下输电线路杆塔热轧耐候角钢规格库；
以110 kV和220 kV双回路直线塔和耐张塔作为典型杆塔，开展热轧耐候角钢塔结构设计，并对其与热轧普通角钢塔的重量及全寿命周期成本进行对比分析，结论如下：

(1) 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，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。

(2) 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，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%。

(3) 相同电压等级情况下，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，热轧耐候角钢的应用对110 kV杆塔重量影响更为显著。

(4) 与热轧普通角钢塔相比，输电线路采用热轧耐候角钢塔产生的全寿命周期成本更低，热轧耐候角钢在输电线路中的应用具有一定的经济效益；

(5) 相同电压等级，输电线路耐张塔采用热轧耐候角钢对全寿命周期成本的降低更为显著；
相同杆塔型式，220 kV输电线路采用热轧耐候角钢塔对全寿命周期成本的降低更为显著。

从上述分析可知，热轧耐候角钢应用到输电线路铁塔中是可行的，从全寿命周期来看，显著减低运行维护难度和综合成本，而且对电压等级越高的输电线路，其经济效益和社会效益越显著。目前国内热轧耐候角钢还没有广泛应用于电网建设中，在未来还需要对热轧耐候角钢塔进行更深入的仿真分析和试验验证，以进一步促进其推广应用。

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