輸電線路鐵塔用鋼的發展趨勢

何長華

（中國電力科學研究院，北京市，100192）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，各地經濟對電力的需求不斷增加，使得我國電網建設有了前所未有的發展。隨著長距離大容量電力傳輸的需要，電壓等級不斷升級，以1000 kV交流、±800 kV直流和±1000 kV直流的特高壓線路為骨干網架的線路正在建設中，輸電塔也從早期的木桿、混凝土桿發展到現在普遍采用的鋼結構塔，單基塔質量從1～2 t發展到上千噸。目前正在建設的江舟山與內陸聯網跨海工程跨越塔，塔高約370 m，單基塔質量達到5999 t。

隨著電網的不斷發展升級，輸電塔也在向大型化、鋼結構化、規?；较虬l展，輸電塔的用鋼量不斷增大，需要的單根構件承載力越來越高，對型材的需求越來越廣。這些對輸電塔的結構設計、鋼材使用提出了更高的要求。

1 我國輸電線路發展現狀

新中國成立后，我國的電力事業得到了快速的發展，輸電線路的建設也獲得了巨大的進展。20世紀50年代我國建設了一大批35 kV和110 kV線路。20世紀60年代開始建設220 kV線路，并逐步形成地區220 kV電網。隨著電力負荷的增長和大型水、火電源的開發，1972年我國建成第1條330 kV劉家峽—關中超高壓線路，隨后此超高壓線路逐步延伸，并形成西北跨省聯合電網。1981年我國第1條500 kV平頂山—武漢線路投入運行，接著其他地區也相繼開展了500 kV線路的建設，形成了目前的東北、華北、華東、華中、西北、南方、川渝共7個跨省電網和山東、福建、新疆、海南、西藏共5個獨立?。▍^）電網[1]。隨著我國電力負荷的迅速增長和大型能源基地的開發，電力的跨區聯網和長距離輸送已經成為電力輸送發展的必然趨勢，更高電壓等級被引入輸電線路，2008年我國第1條1000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓線路建成投運，隨后淮南—上海、錫盟—上海、陜北—長沙等1000 kV特高壓交流輸變電工程以及金沙江、溪洛渡、向家壩等水電站外送的±800 kV直流特高壓送出工程都已進入建設規劃中。到2015年前后，我國將在南北方向構建多回1000 kV級特高壓輸電線路大通道，輸電線路總長約為4200 km，此外，還建成±800 kV級特高壓直流輸電線路工程7200 km。

從220 kV、330 kV、500 kV輸電線路工程建設開始，就將鋼材作為輸電塔的主要材料。在20世紀80—90年代，隨著經濟發展，鋼材貨源充足，輸電塔上鋼材的使用量不斷增大。據電力部門測算，“十一五”期間國家電網公司每年投產220 kV及以上的輸電線路約2.8×104km，輸電鐵塔年均需求鋼材40萬t左右[2]。隨著電壓等級的不斷升高，輸電塔所用的鋼材重量不斷增加，目前建設的1000 kV輸電塔相比現在500 kV鐵塔，其外型規模、塔材重量上都有了較大變化，塔重增加4～5倍，單回路單基塔質量將達到100 t，雙回路單基塔質量將達到250 t。預計今后5年特高壓輸電線路上的投資約達6千多億元，鐵塔鋼材需求量達600多萬t。

2 輸電塔鋼材使用特點和現狀

由于輸電線路多是跨區域、長距離建設，因此，輸電鐵塔必須要滿足以下特殊使用條件。

（1）運行環境惡劣：長期露天運行，面臨各類氣象條件、大氣腐蝕。

（2）現場施工困難：地點分散，長距離綿延，沒有大型機械設備使用的條件。

（3）運輸條件復雜：翻山越嶺，跨河穿林，道路不通。

（4）使用條件變化多樣：線路轉角變化，氣象條件差異，鐵塔間距和高度的變化。

這些特定條件決定了輸電塔要具備運輸安裝方便、日后運行維護簡便、可應對各類氣象條件等特點，因此，輸電鐵塔通常采用專業化設計、格構式組合結構、螺栓裝配連接，且需具備良好的防腐性能。

輸電鐵塔一般多采用單柱鋼管桿（見圖1）或由四柱式組合結構的鐵塔（見圖2），采用熱鍍鋅防腐工藝。鋼管桿多采用鋼板制成不等徑鋼管；鐵塔采用型材構件拼裝的格構式結構，通常1基鐵塔中要用到上千種構件，40～60種規格的型材。這樣具有配套規格的熱軋角鋼、鋼管（無縫或直縫焊接）型材和板材就成了輸電塔的首選型材。

隨著電壓等級的不同，型材材料的使用也在發生變化，輸電塔桿件斷面形式由簡單到復雜進行變化。對于500kV及以下的輸電塔，荷載相對較小，一般主柱使用單角鋼就可以滿足承力要求；當單角鋼不能滿足承載要求時，則用單角鋼進行截面組合，如雙拼角鋼、四拼角鋼、格構式[3]。對于特高壓線路、同塔多回線路、大截面導線線路、大跨越工程的鐵塔，其荷載明顯增大[4]，僅用角鋼已不能滿足需求，這時就需要選用具有更高承載能力的鋼管構件。對于更大的鐵塔，有時還要在鋼管構件的基礎上增加補強手段，如鋼管中加灌混凝土等。圖3是輸電塔中常用的一些主柱截面形式。

江陰長江大跨越塔主材每個分支用板厚65 mm、寬500 mm焊成十字型斷面，然后由4個十字型斷面組成格構式柱（見圖4）。舟山大跨越塔主柱采用鋼管與內置鋼構架的組合結構（見圖5）。

在輸電塔鋼材材質方面，主要以國家標準GB/T 700《碳素結構綱》中規定的Q235和GB/T 1591《低合金高強度結構鋼》中規定的Q345等級鋼材為主，近期開始在鐵塔成批使用Q420等級鋼材[5-7]。在一些個別的220 kV線路鋼管桿和500 kV變電構架中，也使用過上海寶鋼按ASTM A572GR65配方生產的鋼材屈服強度為450 N/mm2的鋼板。對于更高強度級別鋼材，只是對Q460等級鋼材進行了少量試用。

為了不斷推動輸電鐵塔的技術進步，近幾年，在電力行業內有目的地開展了一些新材料在鐵塔應用的研究工作，并取得較好的效果。一是冷彎型鋼的使用[8]：首次把冷彎角鋼應用于輸電鐵塔[9]，充分借鑒了冷彎型鋼定尺任意、鋼材型號多樣、鋼材利用率高等特點。二是復合材料的使用：把玻璃纖維或碳纖維復合材料用于輸電桿和鐵塔橫擔上，有效降低了塔重，改善輸電塔防腐性能。雖然這些新材料在輸電塔中大范圍推廣還存在有一些經濟性等方面問題，但新型材料在輸電塔上使用已經成為一種時代發展的潮流。

3 輸電塔使用鋼材存在的問題

隨著我國鋼鐵產業的快速發展，可選用鋼材的品種也越來越多。由于用鋼總量在鋼鐵行業占很小的比例，因此，鐵塔所用的型鋼材料的生產沒有得到鋼鐵企業的強力關注。現有的型材產品規格和品質延續了幾十年，缺乏必要的技術升級和換代，致使存在于鐵塔型材供貨中的2個主要問題一直沒得到徹底解決。

3.1 鋼材規格不足

在角鋼規格方面，GB 9787《熱軋等邊角鋼外型、尺寸、重量及允許偏差》中給出的從40 mm×3 mm到200 mm×24 mm的角鋼規格達70多種，但在市場上能采購到的角鋼產品只有40多種規格，致使鐵塔加工時經常發生以大規格代替小規格的情況，造成不必要的浪費。我國角鋼最大規格為200mm×24mm，遠遠不能滿足輸電塔使用需求，而國際上角鋼最大規格可達250mm×35mm。在建造一些受力大的輸電塔過程中，單角鋼200mm×24mm常常不能滿足受力要求，只能采用組合角鋼，致使輸電塔構造復雜化，另外還要增加許多輔助材料，導致塔重增加。在220 kV汕頭港灣大跨越塔中采用的250 mm×25 mm、250 mm×35 mm大規格角鋼，只能依靠進口鋼材解決。在特高壓桿塔試驗基地建設中，加荷塔中使用的300 mm×30 mm角鋼只能用鋼板焊接成型，增加了大量工作量。

在鋼管規格方面，在鐵塔中涉及到的鋼管規格要達近百種，管徑為89～1000 mm，壁厚為4～25 mm，但目前市場上能夠有效供應的鋼管規格僅40多種，且最大規格管徑一般為600 mm左右。對于更大規格的鋼管，目前多是由鐵塔生產廠使用板材卷制生產。如淮南—上海1000 kV特高壓同塔雙回鐵塔用到的

900 mm×22 mm以及工程試用的Q460等級 360 mm×10 mm鋼管，都是由鐵塔廠用鋼板自行生產的。

3.2 型材鋼的強度級別偏低

目前我國在輸電塔使用的角鋼型鋼，仍主要以Q235、Q345低強度鋼材為主，Q420等級高強角鋼只是剛剛形成了工業化生產能力；Q460高強角鋼生產仍在摸索中，其成熟度、技術水平、質量穩定性等還不夠理想。對于鋼管產品，其強度等級也只到Q345強度等級，雖然目前也有了一些更高強度等級的鋼管產品，但其規格系列化程度不夠，因此尚不能滿足鐵塔使用需求。

目前，電力部門已著手開展了Q460等級鋼管在鐵塔中的應用工作，但Q460鋼管供貨渠道還沒有得到完全解決。而日本早在20世紀90年代就在特高壓線路鐵塔主材采用了鋼材屈服強度為392 N/mm2的鋼管。我國及其他國家用于輸電塔鋼材屈服強度的對比[10-12]如表1所示，可以看出，我國型鋼材料的強度等級與國際上其他國家還存在一定的差距。

表1 國內外輸電塔鋼材屈服強度對比Tab.1 Steel yield strength comparison of domestic and foreign transmission towers

鐵塔中采用高強鋼具有很明顯的經濟效益。例如，晉東南—南陽—荊門特高壓線路中，鐵塔采用了Q420高強度角鋼3.3萬t左右，占全部用鋼量的33%左右，由此使整個工程節約鋼材約2500 t，節省投資1億元左右。如果采用Q460高強鋼，節材量會更大。500 kV練塘—泗涇線路工程中，在雙回路鋼管塔上試點采用高強鋼，直線塔主材采用Q460鋼管代替目前常用的Q345鋼管，塔身主材節省鋼材12%～18%，整塔減輕5%～6%；轉角塔主材采用Q460鋼管代替Q345鋼管，塔身主材節省鋼材15%～20%，整塔減輕6%～9%。與Q345鋼管相比，采用Q460高強鋼管后工程全線鋼材節約1145 t。因此，輸電塔中采用高強度鋼具有良好的經濟效益和社會效益，要提高我國輸電塔的技術水平，就需要有更多高強度級別的型鋼材料給予支撐。

4 輸電塔用鋼發展趨勢

隨著我國電網建設的加強，長距離大容量輸電的特高壓輸電線路將成為電網聯絡的骨干網架，同時，隨著土地資源的緊缺和環境保護的要求，同塔多回路輸電線路越來廣泛使用。不論是特高壓還是同塔多回路線路，其輸電塔的外荷載明顯增大，鐵塔的規模和單根構件的規格也顯著增加。因此，傳統的型鋼材料的品種和規格已遠不能滿足現代輸電鐵塔發展的需求，急須探求新的材料和結構形式在鐵塔中使用。

根據輸電線路發展的需求，輸電塔對鋼材需求的趨勢主要表現在以下4個方面：

（1）更高強度等級的型鋼。為了進一步提高構件承載力，減輕單根構件的重量，鐵塔使用的鋼材正向高強度級別發展。目前，Q420、Q460高強度角鋼和鋼管型鋼已開始在鐵塔中使用，急需鋼鐵企業能提供成熟的產品。隨著時間推移，更高強度級別的型材也將會被采用，如西氣東送管線已大量使用X70和X80高強度鋼管，屈服強度達550 MPa以上，管徑規格為1200 mm，厚度為22 mm，這可為鐵塔中采用高強度鋼材提供很好的借鑒。

（2）更為有效的新結構形式型材。為了滿足鐵塔大負荷需要，鐵塔構件需要具有更高承載能力，目前，僅僅依靠加大角鋼和鋼管的截面規格已不能完全滿足工程實際需要。出于運輸和現場安裝方便的考慮，鐵塔的構件需要采用更為有效的新結構形式型材，如十字型鋼、組合鋼管以及便于現場組合拼接成主柱的其他型材等。

（3）更節能環保的材料。隨著國家對環境保護要求的日趨嚴格，鐵塔熱鍍鋅防腐所帶來的環境問題越來越突出，因此需要采用高效環保的手段來處理鐵塔防腐問題。采用復合材料、耐候鋼替代當前普通鋼材是解決鐵塔防腐問題的一條有效途徑，具有較好的社會效益和環保效益[13]。目前，電力行業已在著手開展復合材料和耐候鋼在輸電鐵塔中的應用研究工作，同時希望一些型鋼生產企業予以更多關注。

（4）更標準專業化的構件。目前，電網建設速度明顯加快，特別在大型輸電鐵塔生產制造上，現有鐵塔生產廠的產能嚴重不足，為此，電力部門已經開始了把更多市場上已成熟的、專業化生產的構件（如球型節點、帶頸鍛造法蘭等，其實物分別如圖6、圖7）引入鐵塔結構中，以擴大成品材外購力度，簡化鐵塔生產廠的工作強度，提高鐵塔生產效率，加強鐵塔產品質量保證。同時，電力部門也對輸電塔中一些構件開展了標準定型化工作，以吸引更多其他專業化鋼鐵企業參與這些標準構件生產，這就給一些鋼鐵企業提供依托已有產品擴大服務領域的空間，通過與電力客戶的溝通，發展出與輸電鐵塔相配套標準、專業的型材或構件，為輸電鐵塔提供更為專業化的技術支撐和產品服務。

5 結論

輸電鐵塔對鋼材用量需求將不斷加大，鐵塔的發展對鋼材的品種和規格也將提出更廣、更高的要求。輸電鐵塔使用的鋼材具有明顯的行業特點，鐵塔用鋼品種相對固定、需求集中穩定，具有較好的潛在市場和可持續發展性?？梢灶A見輸電鐵塔對優質高強的鋼材需求量將是巨大的，未來在鐵塔用鋼方面將是向高強度、新形式型材、節能環保以及標準專業化方向發展。

[1]黃志明.21世紀中國輸電線路發展前景展望[J].國際電力,2000,4(3)∶29-33.

[2]國家電網公司.2007年全國電力市場分析預測報告[R].2007.

[3]傅春蘅.我國500 kV輸電線路塔型設計的回顧與展望[J].電力建設,1997(4)∶22-25.

[4]國網北京電力建設研究院.1000 kV級交流輸電系統大跨越工程技術的研究[R].2006.

[5]國電電力建設研究所,西北電力設計院.西北電網750 kV輸變電工程關鍵技術研究：桿塔方案及荷載研究[R].2002.

[6]國網北京電力建設研究院.Q420和Q460高強鋼在輸電線路鐵塔應用的研究[R].2006.

[7]郭日彩,何長華,李喜來,等.輸電線路鐵塔采用高強鋼的應用研究[J].電網技術,2006,30(23)∶21-25.

[8]何長華.高強冷彎型鋼在輸電鐵塔上應用可行性的探討[J].鋼結構,2004,19(5)∶35-37.

[9]韓軍科,李正,楊風利,等.冷彎型鋼輸電鐵塔真型試驗研究[J].電力建設,2008,29(8)：58-60.

[10]Design of Latticed Steel Transmission Structures[S].American Society of Civil Engineers,1997.

[11]全國鋼結構標準技術委員會,鋼結構設計規范國家標準管理組.蘇聯鋼結構設計規范[S].1993.

[12]GB50017—2003鋼結構設計規范[S].北京∶中國計劃出版社,2003.

[13]楊風利,韓軍科,楊靖波,等.輸電鐵塔用耐候鋼節點耐腐蝕性能試驗研究[J].電力建設,2008,29(9)：23-28.