聚氨酯復(fù)合材料低撓度桿塔的研制及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

張明龍，張延輝，鄭凌娟，王 健，劉 偉，李衍川，錢 健，陳輝龍

(1 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院,福建福州 350007；2 博羅元鵬新材料有限公司,廣東惠州 516100)

1 背景

近年來(lái),由于沿海地區(qū)環(huán)境腐蝕嚴(yán)重、臺(tái)風(fēng)和雷暴頻發(fā),而在這些地區(qū)多數(shù)桿塔的使用年份較為久遠(yuǎn),這就使得傳統(tǒng)的塔桿在惡劣的天氣下易發(fā)生倒桿甚至斷桿的現(xiàn)象,同時(shí)這種惡劣的環(huán)境也會(huì)對(duì)輸電線路造成嚴(yán)重的影響[1]。而復(fù)合材料具有很好的耐腐蝕和高強(qiáng)度的特性,自2013 年國(guó)內(nèi)第一條全復(fù)合材料電桿供電線路建成以來(lái),復(fù)合材料電桿已經(jīng)在全國(guó)多省份得到了大量的應(yīng)用[2-3]。

雖然經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,但是復(fù)合材料電桿在使用時(shí)還存在一些問(wèn)題,這些問(wèn)題也限制了復(fù)合材料電桿應(yīng)用。盡管復(fù)合材料電桿斷裂彎矩足夠大、絕緣防雷和耐酸堿鹽腐蝕性能優(yōu)良,能很好地保障供電安全,但是在載荷下的撓度值卻比水泥電桿大很多,大約是水泥電桿的4倍。這樣的特性使得傳統(tǒng)復(fù)合電桿不便用在線路的轉(zhuǎn)角和終端位置,用在這些位置時(shí),電桿會(huì)出現(xiàn)明顯的彎曲現(xiàn)象,對(duì)緊線操作也會(huì)造成一定的影響[4],如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)復(fù)合電桿的應(yīng)用狀況Fig.1 Application of traditional composite poles

鑒于復(fù)合材料電桿具備的這些優(yōu)點(diǎn),使得復(fù)合材料電桿已經(jīng)在供電線路中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。但是它撓度大的缺點(diǎn)也比較明顯,低撓度的復(fù)合材料電桿的研制具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2 設(shè)計(jì)方案

基于以上問(wèn)題,本論文提出了一種材料成本相當(dāng)、具有更高強(qiáng)度、更低撓度的復(fù)合材料電桿設(shè)計(jì),使其具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

常規(guī)的復(fù)合材料電桿參照水泥電桿的標(biāo)準(zhǔn)尺寸,以Q 級(jí)15m 復(fù)合電桿為例,傳統(tǒng)復(fù)合電桿是梢徑190mm、根徑350mm的錐形結(jié)構(gòu),此復(fù)合電桿在標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)彎矩載荷下頂部撓度達(dá)到2m 左右。

我們?cè)龃髲?fù)合電桿的設(shè)計(jì)直徑后,做成梢徑310mm、根徑510mm的復(fù)合電桿,其撓度值從2m 降低到0.9m,彎矩強(qiáng)度值增加了50%,而材料成本僅增加了5%。

3 設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料

本復(fù)合材料電桿為樹(shù)脂基復(fù)合材料,其基體材料為聚氨酯樹(shù)脂,增強(qiáng)材料為玻璃纖維纏繞紗。在基體材料的選用上,本論文是使用脂肪族聚氨酯樹(shù)脂作為該電桿的表面樹(shù)脂,其拉伸強(qiáng)度為61MPa、彈性模量2.5GPa、斷裂伸長(zhǎng)率為6%,再選取芳香族聚氨酯樹(shù)脂作為結(jié)構(gòu)樹(shù)脂,其拉伸強(qiáng)度為65MPa、彈性模量2.6GPa、斷裂伸長(zhǎng)率為4%,基體材料性能見(jiàn)表1。此外,復(fù)合材料電桿整體分為內(nèi)結(jié)構(gòu)層和外表層,表面層考慮了抗老化和防滑的功能,其基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

表1 基體材料的性能Table 1 Properties of matrix materials

圖2 復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of composite pole

3.2 結(jié)構(gòu)的物理性能

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)該復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拉伸、壓縮和彎曲測(cè)試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖3 所示,試驗(yàn)后觀察其變化狀況,得出了該結(jié)構(gòu)的性能參數(shù):該結(jié)構(gòu)在軸向拉伸強(qiáng)度為400MPa 時(shí),拉伸處變形較均勻；軸向壓縮強(qiáng)度在320MPa 時(shí),無(wú)壓壞跡象；軸向彎曲強(qiáng)度在500MPa 時(shí),彎曲程度不明顯,滿足預(yù)期的性能要求。

圖3 復(fù)合材料電桿的力學(xué)性能測(cè)試Fig.3 Test of mechanical properties of composite poles

3.3 結(jié)構(gòu)的老化性能

按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了紫外光照老化測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件:燈管類型UVA-340；光照8h,(60±3)℃ BPT,0.89W/(m2?nm)@340nm；冷 凝4h,(50±3)℃ BPT；暴露時(shí)間1000h。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖4所示,試驗(yàn)后觀察表觀和物理性能的變化狀況,得出了該結(jié)構(gòu)紫外光老化性能指標(biāo):材料表面有黃變,沒(méi)有出現(xiàn)表面材料粉化的現(xiàn)象；軸向彎曲強(qiáng)度在520MPa 時(shí),彎曲程度不明顯,滿足預(yù)期的性能要求。

圖4 復(fù)合材料電桿的老化性能測(cè)試Fig.4 Aging test of composite poles

3.4 電桿真型測(cè)試

為使設(shè)計(jì)能達(dá)到預(yù)期的效果,對(duì)復(fù)合電桿進(jìn)行了真型測(cè)試和極限破壞測(cè)試,如圖5 所示。

圖5 復(fù)合材料電桿真型測(cè)試Fig.5 Test of true shape of composite poles

實(shí)驗(yàn)前,先對(duì)該電桿的物理性能進(jìn)行了測(cè)試:電桿的梢徑為351mm、根徑552mm、長(zhǎng)度15.01m、平均厚度10.2mm、重量372kg。在實(shí)驗(yàn)中,在塔桿頂端施加一個(gè)橫向載荷,測(cè)得該塔桿在標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)彎矩下的撓度值為0.7m,并在極限破壞實(shí)驗(yàn)中得出塔桿的斷裂彎矩值為483kN?m,性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 復(fù)合電桿性能數(shù)據(jù)Table 2 Properties of composite pole

4 對(duì)比分析

新設(shè)計(jì)制作的復(fù)合電桿與傳統(tǒng)復(fù)合電桿、傳統(tǒng)水泥電桿的對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表3,可以看出:

表3 不同材質(zhì)電桿的性能對(duì)比Table 3 Property comparison of poles made of different materials

(1)傳統(tǒng)復(fù)合材料電桿與同等強(qiáng)度等級(jí)的水泥電桿相比,其重量是水泥電桿的1/5,斷裂彎矩值是水泥電桿的1.5 倍,但是撓度值是水泥電桿的4 倍。

(2)大直徑復(fù)合電桿1 與傳統(tǒng)復(fù)合電桿相比,重量?jī)H增加了5%,但是撓度值卻降低了50%。斷裂彎矩值是水泥電桿的2 倍,具有更強(qiáng)的抵御臺(tái)風(fēng)的能力。

(3)大直徑復(fù)合電桿2 與傳統(tǒng)復(fù)合電桿相比,重量?jī)H增加了10%,但是撓度值是傳統(tǒng)復(fù)合電桿的1/3,基本與傳統(tǒng)水泥電桿的撓度值接近了。斷裂彎矩值是水泥電桿的2 倍,具有更強(qiáng)的抵御臺(tái)風(fēng)的能力。

5 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)復(fù)合電桿的撓度過(guò)大,在架空線路中很多地段不適用,不利于復(fù)合電桿在電力行業(yè)的推廣應(yīng)用。

(2)大口徑的復(fù)合電桿,重量和材料成本僅僅提高5%,但是撓度大幅度降低,接近傳統(tǒng)水泥電桿的撓度值。強(qiáng)度富余很大,更適合于臺(tái)風(fēng)和大覆冰的極限工況。

(3)選擇復(fù)合電桿直徑尺寸時(shí),選擇比傳統(tǒng)水泥電桿的直徑大一個(gè)規(guī)格的尺寸比較合適。此時(shí)經(jīng)濟(jì)性和適用性更好。