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杆塔材质耐久性研究

由钢材组成的输电杆塔在服役多年之后,材质的性能可能会发生一些变化进而影响构件的强度及杆塔的承载能力。针对服役时间较长的杆塔进行现场检测、实验室材质试验、实验室屈服试验、现场原位试验,并结合国外经典钢结构维护案例,对输电杆塔钢材耐久性做全方位的探讨及研究。

1、杆塔材质研究背景及意义

近些年国民经济得到了巨大的发展,社会生产、生活对电力的需求日益增大,电力项目的投资及建设规模增长很快。根据国家有关部门的统计,到2009年底我国220kv及以上输电线路回路长度已经达到39.94万km,并且建成了640km的1000kv交流特高压示范线路和5500km的+800kv直流线路,线路总长为世界第一。

高压输电线路承载着居民及企事业单位安全、可靠用电的责任,是实现国民经济发展及人民群众生活幸福的重要载体。现在运行的输电线路很多是几十年前投产的,钢材经过长时间风吹日晒、雪打冰凿,其强度以及承载能力可能会发生变化。为论证这些长时间服役的输电杆塔钢材的性能,本文根据现场检测、实验室材质试验、角钢屈服试验、现场原位试验进行分析,并结合国外钢结构维护的实例,探讨输电杆塔材质耐久性相关问题。

2、材质试验的研究

材质试验主要是对多年服役的输电杆塔进行现场检测及材质试验室试验。现场检测主要检查紧固件、锈蚀、涂层等状况,对杆件做一个初步判断。实验室试验,分为杆件的试验及材料力学性能的试验,判定输电杆塔杆件的受压承载能力及杆件材质的变化状况。

2.1现场检测

现场对输电塔检测的内容包括:普通紧固件连接检查、钢结构涂层检测的检查。本次试验采用广州两基1989年投产的两基杆塔。

2.1.1普通紧固件连接检查普通螺栓作为永久性连接螺栓时,对其进行螺栓实物最小拉力载荷复验。永久性普通螺栓紧固应牢固、可靠,外露丝扣不应少于2扣,检测方法是肉眼观察和用小锤敲击。必要时,可采用扭矩扳手对螺栓的最大扭松力矩数值进行测试。

2.1.2钢结构涂层检测钢结构的涂层检测主要是防腐涂层厚度检测、涂层附着力的检测。由于钢结构的涂层直接保护着钢结构材质,因此对投运多年钢材进行涂层检测,判断其涂层厚度的变化(图1)。采用QNLX8500涂层测厚仪,依据CECS80:96《塔桅钢结构施工及验收规程》及GB/T4956-2003《磁性基体上非磁性覆盖层覆盖层厚度测量磁性法》,对瑞花甲线08号塔杆件进行镀锌层检查,检测结果见表1。

2.1.3钢结构构件锈蚀情况检查

采用观察法对构件表面锈蚀情况进行普查。构件表面不应误涂、漏涂,涂层不应脱皮和返锈等,且涂层应均匀,无明显皱皮、流坠、针眼和气泡等。当钢结构处于腐蚀介质或外露且设计有要求时,应进行涂层附着力测试,在检测处范围内涂层完整度应达到70%以上。

根据现场检测的内容,投产运行23年的杆塔,在正常运行维护下,钢构架的外观尺寸未发生明显的变化。螺栓的扭矩未发生损失,镀锌及油漆层(杆塔投产运行后每隔几年就需涂抹保护油漆)的厚度也能达到要求。

2.2实验室试验

现场检测的内容主要侧重外观检查,考察钢材的锈蚀、螺栓扭矩、焊缝损伤及涂层厚度状况。实验室试验主要通过对实验室材质及钢构件的受压屈服

荷载进行试验,直接验证钢材各项指标。试验选取了投运23-28年的杆塔,制作成适宜的长度及标准构件,并定制了加载支座(图2)。

构件的失稳可以引起工程构件的屈曲破坏。虽然可以通过欧拉理论计算确定细长杆件的临界承载力,但实际杆件由于边界约束、杆件截面、杆件长度系数、材质的不同使得计算结果与实际情况相差很大。考虑到旧杆塔在较长的运行周期中,其材质老化、震动、连接磨损等损害都可能影响其受压稳定的模态及其承载能力,所以对于旧杆塔,需要进行此项评估以确定其杆件的承载能力是否满足设计要求。表2记录了9根试件的极限屈服荷载。

材质力学性能试验过程中,随着对标准试件施加张力,镀锌涂层开始剥落,裸露出光亮如新的钢试件,这也充分论证了镀锌层对钢结构的保护。实验室对服役20多年的钢结构试件试验表明,无论钢材服役多久,只要有必要的涂层保护、钢材未锈蚀,钢结构材质的性能及钢试件的性能就不会变化。

2.3真型老塔试验

原位真型老塔试验,就是利用退役的杆塔,在现场对其进行承载能力试验。真型老塔实验室试验,就是将退役真型杆塔运输到杆塔试验基地,通过基地的专业加载装置进行加载试验。通过真型老塔试验可直接测量老旧杆塔的承载能力。

本试验选用1989年投产、2009年退役的500KV的杆塔。原位试验选用2基杆塔进行双倍起吊试验,实验室试验则进行了大风工况、断线工况及双倍起吊的试验。

真型老塔原位试验:对于运行多年并退运的输电线路杆塔,在原来的基础位置上,利用重块、传感器、滑轮等工具对其施加荷载,检验双倍起吊等工况的承载能力。真型老塔实验室试验:对于运行多年并退运的输电线路杆塔,拆除整体部件(如横担)搬运至试验场地进行加载试验,检验该部件的双倍起吊工况、大风工况、断线工况的承载能力。两种试验工况及状况如下。

真型老塔原位试验:1)原位塔1,双倍起吊工况,加载至104KN时,杆塔横担破坏(垂直荷载设计值88.31KN);2)原位塔2,双倍起吊工况,加载至109KN时,杆塔横担破坏(垂直荷载设计值88.31KN)。

真型老塔实验室试验:1)大风工况,超载120%,横担未破坏,退荷(垂直荷载设计值46.3KN,横向荷载设计值82.6KN);2)断线工况,超载150%,横担未破坏,退荷(纵向荷载设计值16.2KN,横向荷载设计值15.9KN);3)双倍起吊工况,超载119%,105.1KN,横担破坏(垂直荷载设计值88.3KN)。

由试验状况可知:1)两种试验模式下的结果表明,老旧杆塔仍能满足当初设计承载能力;2)两种模式中,双倍起吊的破坏荷载差异在5%以内,说明钢材材质非常稳定。

3、杆塔结构破坏实例

2007年12月广州某500KV线路发生了横担自然折段而跳闸的事故(图3),该线路投产运行18年。事故原因分析主要是:原有的设计标准较低,杆件经济螺栓较少。杆塔在日积月累的运行振动过程中,横担主材连接螺栓孔由于长期受振动荷载,发生疲劳破坏所致。因此,对受力振动强烈部位,应采取相关措施以防止节点疲劳破坏。

4、国外经典案例

经典钢结构工程“埃菲尔铁塔”及“金门大桥”,是人类历史上里程碑式的工程,它们历经百年,仍然发挥着它的承载能力。之所以如此,是因为他们日常维护中会不定期地涂层油漆,以防止钢材腐蚀。从这两个案例中可知:只要控制好钢构件的腐蚀,由于钢材本身具有的致密结构层的保护,其力学性能不会随着时间的变化而改变。

5、结语

本文通过对大量老旧杆塔进行试验得出如下结论:1)输电杆塔在未发生腐蚀时,运行荷载未超过设计荷载,材质力学性能基本稳定,杆塔的承载能力变化不大。2)杆塔结构的振动引起的疲劳损伤也会使杆件失效,在受力振动强烈部位,需设计一定技术措施防止节点的疲劳破坏。
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