“十二五”期間電網工程大規格角鋼推廣應用數量及其經濟性預測分析

陳大斌，齊立忠，李晉，趙慶斌

(國網北京經濟技術研究院，北京市，100052)

0 引言

當前我國經濟持續穩健發展，能源和電力需求持續增長。但是，由于我國能源分布與經濟發展地域不均衡，煤電開發主要集中在晉陜蒙寧新這5個省區，風電主要分布在甘肅、新疆、內蒙等地區，水電開發主要集中在四川、云南及西藏地區。負荷中心主要集中在中東部地區，能源基地到負荷中心的送電距離在800～3 000 km之間［1］。為滿足國民經濟發展對能源的需求，“十二五”期間電網建設的任務仍然繁重。

為了適應“資源節約型、環境友好型”電網建設方針，電網建設逐步向多回路、特高壓［2］方向發展，輸電線路的結構荷載越來越大，對于桿塔用角鋼構件，我國目前常規角鋼庫的單角鋼承載力已無法滿足結構選材的需要，采用組合截面構件或鋼管構件成為必然選擇。組合角鋼節點及填板構造復雜，加工組裝難度大，發展更大規格的角鋼，減少組合角鋼的使用，能簡化鐵塔構造、方便加工、降低塔重。

2009年4月1日新頒布的GB/T 706—2008《熱軋角鋼》增加了220×220和250×250這2種規格角鋼［3］，由于國內外無穩定市場，市場供貨量極少。國家電網公司在錦屏—蘇南±800 kV特高壓直流輸電線路工程［4］中首次成功試用了這2種大規格的角鋼，代替普通雙拼和四拼組合角鋼，簡化了鐵塔構造，降低了鐵塔耗鋼指標，為后續工程推廣應用大規格角鋼積累了寶貴的實踐經驗。由于大規格角鋼目前處于應用推廣期，生產廠商生產設備不配套、工藝不成熟、質量不穩定、殘次品率高、成本高、供貨能力不足。同時，由于市場需求發展空間預期不明確，影響了供貨廠商改造設備、提升加工能力的積極性。本文將依據國家“十二五”電網規劃，提出全面應用大規格角鋼的需求量及其經濟性分析，明確市場預期。

1 大規格角鋼在電網工程中應用可行性及范圍分析

1.1 大規格角鋼替代組合角鋼技術可行性分析

1.1.1 大規格角鋼與組合角鋼的承載能力

普通規格［5］雙組合十字角鋼2L160×10～2L200×24截面面積范圍為63～181 cm2，最小軸回轉半徑的范圍為6.27～7.64 cm;大規格單角鋼L220×16～L250×35的截面面積范圍為69～163 cm2，最小軸回轉半徑的范圍為4.37～4.86 cm。

普通規格四組合十字角鋼4L160×14～4L200×24的截面面積的范圍為173～362 cm2，最小軸回轉半徑的范圍為6.62～8.41 cm;大規格雙組合角鋼2L220×16～2L250×35的截面面積范圍為137～327 cm2，最小軸回轉半徑的范圍為8.59～9.46 cm。

以上截面數據表明:

(1)從構件強度承載力［6］考慮，大規格單角鋼能夠替代絕大多數普通規格雙組合十字角鋼;大規格雙組合角鋼能夠替代絕大多數四組合角鋼。

(2)從構件受壓穩定性能［6-7］考慮，由于大規格單角鋼回轉半徑較雙組合普通角鋼小，其臨界計算長度較雙組合普通角鋼小，大規格單角鋼替代雙組合普通十字角鋼時，需要減少節間長度來發揮大規格單角鋼承載能力;由于大規格雙組合角鋼比普通規格四組合角鋼的回轉半徑大，其臨界計算長度較四組合普通角鋼小，大規格雙組合角鋼替代四組合普通角鋼時，可以增大節間長度、減少輔助材。

常用Q420強度等級的普通規格雙組合角鋼與大規格單角鋼以及普通規格四組合角鋼與大規格雙組合角鋼的承載力值［7-8］見表1～2。由表1～2可見，大規格單角鋼可替代絕大部分普通規格雙組合角鋼，大規格雙組合角鋼可替代絕大部分普通規格四組合角鋼。

1.1.2 大規格角鋼替代組合角鋼對塔重的影響

以大規格單角鋼替代普通規格雙組合角鋼，能夠降低塔身風載斷面形狀系數K值［8］，從而有效減少塔身風荷載，降低鐵塔主材內力;同時采用單角鋼后取消組合填板，簡化節點構造。實例分析計算表明，大規格單角鋼與普通規格雙角鋼相比，能夠節約塔材2% ～5%。

以大規格雙組合角鋼替代普通規格四組合角鋼，能夠增加主材節間尺寸，減少輔助材數量;同時采用雙組合角鋼后，能夠較大幅度減少填板厚度及數量，簡化接頭構造，降低板的焊接量及加工損耗，降低鐵塔的加工及安裝難度。實例分析計算表明，大規格雙組合角鋼與普通規格四組合角鋼相比，能夠降低塔的質量3%～6%。

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1.2 大規格角鋼應用范圍

鐵塔主材用到雙拼或四拼角鋼時，可以用大規格角鋼來替代。不同電壓等級、架設方式、氣象條件的線路鐵塔荷載等級相差較大，應用大規格角鋼的范圍有較大不同。

根據已有工程設計經驗，各種電壓等級線路可能出現雙拼或四拼角鋼的塔型見表3，大規格角鋼主要應用在500、750 kV雙回交流線路工程、特高壓直流和交流線路工程。

表3 大規格角鋼應用塔型范圍Tab.3 Application of large-size angle steel in different tower types

2 電網工程應用大規格角鋼數量預測

2.1 影響因素

從近年來電網建設過程中新技術、新材料推廣應用的經驗來看，未來應用大規格角鋼數量多少的主要因素是鋼材加工質量、供貨價格以及供需雙方對市場的培育投入。

(1)鋼材加工質量。鋼材加工質量能否滿足設計對鋼材性能要求是未來大規格角鋼推廣應用的決定性因素。大規格角鋼在鐵塔中全部使用在主材［4］，其質量是否合格直接影響電網安全，投入工程應用的大規格角鋼必須100%滿足設計對鋼材質量要求。鋼材加工質量穩步提高，一方面有利于降低工程項目業主的建設管理成本，減小工程安全風險，增加業主選用大規格角鋼的積極性;另一方面有利于生產商減少殘次品率、降低生產成本、增加擴大產能的積極性。

因此，生產商在初期加大設備和技術投入、盡快穩定加工質量，是未來大規格角鋼大規模推廣應用的前提條件。

(2)供貨價格。經濟性是新材料是否具有市場生命力重要因素。使用者通過選用新材料提升建設項目科技含量、降低項目投資;生產商通過開發新材料提高市場競爭力，增加企業盈利。

在大規格角鋼應用初期，由于需求規模小，生產成本高，供貨價格相對較高，供需雙方均需弱化經濟效益追求，重點關注產品質量。但隨著推廣范圍擴大，供貨商應努力降低生產環節成本、合理定價，為產品大規模應用奠定經濟基礎。

(3)市場培育。新材料的大規模應用一般要經歷培育期、成長期和成熟期。一般在培育期生產企業設備不配套、生產工藝不成熟、質量不穩定、生產成本壓力大、市場風險較高、產品定價較高;材料需求方則承受較大工程安全風險、技術風險和成本壓力。從國民經濟角度，為提升加工制造水平和工程建設項目技術先進性、培育新材料，供需雙方應主動承擔技術風險、安全風險和成本壓力;材料使用方應加強針對新材料的科研投入，解決技術環節應用新材料的障礙，材料供方應積極改造生產設備、改進工藝、提高質量，使材料應用盡快進入成長期。進入成長期，成品質量趨于穩定，設計技術理論基本成熟，供需雙方安全風險和成本壓力減輕;供方應進一步優化生產流程、減小質量偏差、降低生產成本，材料使用方應加強采購控制，加強設計質量控制，以共同培育供需市場環境。新材料使用進入成熟期，成品質量穩定，設備和研發費用降低，供需雙方均有合理的利潤空間。

目前，大規格角鋼的使用處于市場培育期。國家電網公司在錦蘇±800 kV直流線路工程［3］投入較大科研資源，解決了大規格角鋼工程應用關鍵技術難題，實現新材料的首次成功應用，為市場培育做出巨大努力;供貨廠家粵豐鋼鐵公司承受了較大成本壓力和供貨壓力，實現了首批產品順利供貨。

為順利推廣應用新材料，國家電網公司將繼續加大科研投入，增加推廣應用范圍，供貨廠商也應積極改造設備、改進工藝、控制質量、增加產能，通過供需雙方的共同努力，培育市場，縮短培育期和成長期，盡早進入產品成熟期，實現“十二五”期間電網工程大規模應用大規格角鋼的目的。

2.2 數量預測

基于以上影響因素分析，未來5年內大規格應用數量取決于產品質量提升情況、供貨定價以及市場參與者對新產品的培育情況。為客觀預計應用數量，通過調研分析未來市場情況，擬定3種預測條件。

(1)保守預測條件:生產供應商逐步改造生產設備、改進工藝，在2013年上半年產品質量基本穩定，2013年底前生產工藝成熟、質量穩定，初期定價較高，后期定價趨于合理;國家電網公司加大科研投入，在大部分特高壓交直流線路工程推廣應用大規格角鋼;設計人員采用新材料積極性一般。

(2)期望預測條件:生產供應商改造生產設備、改進工藝，在2012年上半年產品質量基本穩定，2012年底生產工藝成熟、質量穩定，定價基本合理;國家電網公司加大科研投入，在750 kV及以上線路工程推廣應用大規格角鋼;設計人員采用新材料積極性較高。

(3)樂觀預測條件:生產供應商積極改造生產設備、改進工藝，在2011年底前產品質量基本穩定，2012年上半年生產工藝成熟、質量穩定，定價合理;國家電網公司加大科研投入，在各級電壓等級大范圍推廣應用大規格角鋼;設計人員采用新材料積極性很高。

依據“十二五”電網規劃總體建設規模，結合預測前提條件，估算未來5年規模推廣應用大規格角鋼數量，保守預計數量為90萬 t左右，期望數量為110萬t左右，樂觀預計數量為130萬t左右。

3 電網工程應用大規格角鋼經濟性和社會效益

3.1 大規格角鋼鐵塔經濟性分析

3.1.1 大規格角鋼供貨價格對鐵塔經濟性的敏感性分析

由于鐵塔設計時構件計算長度一般接近臨界長度，主材接近強度控制，不論單根大規格角鋼代替雙組合角鋼還是雙組合大規格角鋼代替四組合普通角鋼，主材截面積均較為接近，因此替代后主材質量變化幅度較小，塔重的減小主要體現在螺栓、接頭、連接板及墊板材料量的變化。下面據此推導角鋼供貨價格對鐵塔經濟性的敏感點。

設普通角鋼鐵塔質量為

式中:G1為主材無雙或四組合部分塔段質量;G2為主材雙或四組合部分塔段質量中主材質量;G3為主材雙或四組合部分塔段質量中除主材之外構件質量。

則大規格角鋼替代后鐵塔質量為

式中:γg為替代部分塔段質量減輕比例。

大規格角鋼供貨價格對鐵塔經濟性的敏感點設置為替代前后鐵塔造價相同。

此時大規格角鋼供貨價格較普通角鋼價格增加的比例為

按照錦蘇±800 kV直流線路工程ZC27105B塔、JC1塔、JC5塔的施工圖設計情況以及溪洛渡—浙西工程初步設計計算統計情況，使用大規格角鋼后，整塔塔重降低比例一般為2% ～5%，替代部分塔段的質量減輕比例γg一般為3.5% ～7%。令

根據已有鐵塔設計圖紙統計數據可知γF=1.5～2.1，則γP=9% ～22%。

按照平均值作為敏感點期望值，大規格角鋼供貨價格對鐵塔經濟性的敏感點為16%。也就是說，大規格角鋼供貨價格較普通角鋼價格增幅在16%以內，大規格角鋼鐵塔經濟性優于普通組合角鋼塔;大規格角鋼供貨價格較普通角鋼價格增幅大于16%，大規格角鋼鐵塔造價高于普通組合角鋼塔。

3.1.2 推廣應用大規格角鋼經濟性分析

正常大批量生產時，大規格角鋼成本較普通角鋼增加8% ～10%。因此，在市場供應正常的條件下，采用大規格角鋼鐵塔具有一定節省投資空間，具有明顯經濟優勢。

(1)溪洛渡—浙西工程經濟性預測。預計大規格角鋼使用量約3萬t，鋼材材料費用按照每t增加800元計，總計增加 0.24億元;預計節約鋼材0.6萬 t，按照綜合造價11 000元［9］測算，減少投資約0.66億元;二者綜合，預計節約工程投資約0.42億元。

(2)“十二五”期間經濟性預測。按照2.2節的預測數量，假定2012年底之前鋼材材料費用依據每t增加800元計，2012年底之后鋼材材料費用按照每t增加500元計，預計節約工程投資為10億 ～15億元。

3.2 電網工程應用大規格角鋼社會效益分析

推廣應用大規格角鋼有利于全社會節能減排。按照近期中鋼協統計數據，依據2009年鋼鐵制造業平均水平［10］，生產每t鋼材消耗標準煤約620 kg，消耗用水約4.5 t，按此計算，“十二五”期間電網工程應用大規格角鋼可節約標準煤15萬～22萬t，節約用水110萬～160萬t，減少碳排放40萬～60萬t。

推廣應用大規格角鋼有利于提升國內加工制造業技術水平和競爭能力。目前國內具備大規格角鋼生產和供貨能力的廠家很少，國家電網公司依托電網工程項目，研發、試點、推廣應用大規格角鋼并制定相關標準，通過市場需求，引導國內鋼鐵制造業增加研發投入、更新設備、改進工藝、提升制造水平和競爭能力。

大規格Q420角鋼可以鐵塔優化構造，大量減少連接螺栓和填板，減輕鐵塔組立的施工量和施工難度，減輕工人勞動強度。

4 結論

(1)從技術角度分析，大規格角鋼具有較好的結構性能和經濟性，在輸電線路工程中具有推廣應用價值。

(2)從桿塔荷載等級分析，大規格角鋼主要應用于500、750 kV交流雙回線路工程、特高壓直流和交流線路工程。

(3)未來影響大規格角鋼應用數量的主要影響因素是鋼材加工質量、供貨價格以及供需雙方對新材料應用市場的培育投入。

(4)按照“十二五”國家電網公司規劃建設規模，大規格角鋼的需求量為90萬～130萬t，期望供應量110萬t左右。在電網工程中采用后，可節約鋼材量為24萬 ～36萬 t。

(5)大規格角鋼采購價格與常規角鋼價差在16%以內時，大規格角鋼塔的經濟性優于常規角鋼塔。

(6)從社會經濟角度分析，“十二五”期間全面推廣應用大規格角鋼可節約標準煤15萬～22萬t，節約用水110萬～160萬t，減少碳排放40萬～60萬t，具有良好的社會效益。

［1］劉開俊.關于電網科學發展的思考［N］.中國電力報，2010-07-15.

［2］劉振亞.特高壓電網［M］.北京:中國經濟出版社，2005.

［3］GB/T 706—2008 熱軋型鋼［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［4］黃璜，李清華，孟憲喬，等.Q420大規格角鋼在±800 kV特高壓桿塔中的應用［J］.電力建設，2010，31(6):65-69.

［5］張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［6］沈祖炎.鋼結構學［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［7］陳紹蕃.鋼結構［M］.北京:中國建筑工業出版社，1990.

［8］DL/T5154—2002 架空送電線路桿塔結構設計技術規定［S］.北京:中國電力出版社，2002.

［9］國家電網公司.《1 000 kV特高壓交流工程預算定額》第三冊送電線路工程［M］.北京:中國電力出版社，2008.

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