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浙江省輸電鐵塔塔腳腐蝕情況調研：塔腳腐蝕對輸電鐵塔安全性能的影響

2021-04-09 10:42:17 作者：單曠怡來源：腐蝕與防護分享至：

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輸電鐵塔作為高壓輸電線路的承重結構，是輸電線路最重要的基礎設施之一，其可靠運行對電力系統的安全至關重要。

近年來，塔腳腐蝕是輸電線路鐵塔腐蝕問題中的重點和難點，其腐蝕有如下特殊性：

（1）腐蝕環境復雜惡劣。

塔腳部位易發生氧濃差腐蝕、縫隙腐蝕，混凝土保護帽的滲水性及表面積水會加劇塔腳鋼材的腐蝕。

（2）腐蝕具有隱蔽性。

塔腳包裹于保護帽中，其內部腐蝕形態及腐蝕程度無法被直觀觀察，易被忽略并導致隱蔽腐蝕發展惡化。

（3）腐蝕危害性巨大。

塔腳作為鐵塔塔架的承力部件，一旦發生嚴重腐蝕，鋼材截面面積減小，從而引起鐵塔受力分布的改變及承載能力的下降，在強風、覆冰等工況下極易發生倒塌事故，造成輸電線路全線故障。

目前，輸電線路鐵塔塔腳腐蝕及因腐蝕引起的鐵塔安全性問題逐漸引起重視。由于輸電線路鐵塔塔腳腐蝕機理復雜，塔腳腐蝕會影響結構的正常服役，現有研究已對塔腳腐蝕原因和后果進行了定性討論，然而如何量化塔腳腐蝕程度對輸電線路鐵塔的安全性能的影響規律有待進一步研究。

浙江大學、國網浙江省電力有限公司電力科學研究院、國網浙江省電力有限公司寧波供電公司的技術人員通過對浙江省內輸電線路鐵塔的運行情況及腐蝕情況進行了調研，明確了鐵塔塔腳鍍鋅鋼材的腐蝕程度分布及腐蝕機理，通過有限元方法，量化分析了不同腐蝕工況下輸電線路鐵塔整體安全性的變化及特定構件的安全性能演變規律，并對塔腳腐蝕后輸電線路鐵塔構件的安全性進行了評級。

塔腳鋼材腐蝕調查

對浙江省內162條輸電線路進行了調研，并根據塔腳腐蝕程度評為四個等級：良好、輕度、明顯和嚴重，如下圖所示。

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圖1 浙江省輸電鐵塔塔腳腐蝕程度分布

鐵塔塔腳存在明顯腐蝕的線路有32條，占比20%；鐵塔塔腳存在嚴重腐蝕亟待整改的線路有17條，占比10%。主要表現為塔腳處的主材和斜材腐蝕，實例如圖2所示，主材腐蝕率約為30%，而斜材腐蝕率約為80%，腐蝕較為嚴重，甚至出現腐蝕穿孔現象。

實例1：海鹽某輸電線路鐵塔

主材：腐蝕深度1.9mm，腐蝕率33.3%

斜材：邊緣完全腐蝕

實例2：嘉興某輸電線路鐵塔

主材：腐蝕深度2.80mm，腐蝕率29.9%

斜材：腐蝕穿孔

實例3：寧波某輸電線路鐵塔

斜材：腐蝕深度1.7mm，腐蝕率85.4%

實例4：寧波某輸電線路鐵塔

主材：嚴重腐蝕，腐蝕穿孔

（a）主材（b）斜材

圖2 輸電鐵塔塔腳腐蝕部位

輸電線路鐵塔塔腳腐蝕主要發生在大氣/混凝土界面處，其原因可以歸結為兩類：

（1）外界環境作用，調研中塔腳腐蝕較嚴重的輸電線路鐵塔大多位于水田菜地中，塔腳易受潮或淤泥堆積，影響較大；

（2）混凝土保護帽性能不足，隨著保護帽的風化破壞，在保護帽表面形成凹坑，雨水難以及時排走，加劇了界面處角鋼的腐蝕。

可見，輸電線路鐵塔塔腳腐蝕可歸納為大氣/混凝土界面發生的氧濃差腐蝕：一方面，混凝土保護帽內氧氣隨著氧還原反應的發生被消耗，另一方面，大氣中氧氣含量充足，導致大氣/混凝土界面內外的氧氣含量不均衡而形成“氧濃差電池”并加速腐蝕?；炷帘Ｗo帽內部氧氣含量較低，該構件部位為陽極，同時鍍鋅鋼表面的氧化膜難以形成，兩者耦合作用下大氣/混凝土界面處鍍鋅鋼腐蝕較為嚴重。因而，對塔腳大氣/混凝土界面處進行密封處理或施加防腐蝕涂層，在一定程度上能延緩因“氧濃差電池”引起的塔腳腐蝕。

塔腳腐蝕后的安全性

技術人員以60kV輸電線路鐵塔為例，根據GB 50017-2017《鋼結構設計標準》對輸電線路鐵塔塔架進行設計，分析塔腳主材和斜材的腐蝕程度以及腐蝕塔腳數量對結構整體安全性的影響。

腐蝕率即截面面積損失率（η），是表征鋼材腐蝕程度的重要指標。計算公式如下：

η=（A0－A）/A0

式中：A0為鋼材原始截面面積；A為鋼材腐蝕后截面面積。

基于上述調研獲得塔腳鋼材腐蝕程度分布，針對塔腳主材腐蝕率取0% ~70%；塔腳斜材腐蝕率取0%~90%；比較1~4個塔腳腐蝕數量的影響，并參考GB 50144-2019《工業建筑可靠度鑒定標準》對構件的安全性等級進行評定。

1.模型構建

采用3D3S軟件對結構進行有限元計算分析，通過改變塔腳處主材和斜材的有效截面厚度，模擬鋼材因腐蝕引起的截面面積損失。

鐵塔全高16.9m，基底寬度1.68m，自上到下可分為三部分：塔頭、塔身、塔腿，結構整體采用Q235B型等邊角鋼。如圖3所示，四個塔腳分別用數值1~4表示，各塔腳主材分別記為1-A?2-A?3-A和4-A，斜材記為1-B?2-B?3-B和4-B。

圖３　輸電鐵塔示意圖

塔架結構選用空間桁架模型，結構重要性系數（γ0）取1。為簡化計算，設計中進行如下假定：（1）將空間桁架簡化為靜定平面桁架；（2）構件節點為理想鉸，即構件僅承受軸力；（3）柱腳連接假定為鉸接。

荷載類型包括恒荷載、活荷載、風荷載，并考慮運行工況荷載及斷線工況荷載：

運行工況I：最大風，無冰，未斷線；

斷線工況I：無冰、無風、斷下導線一項，地線未斷；

斷線工況II：無冰、無風、斷一根地線、導線未斷。

塔架角鋼有多種設計尺寸，其中截面尺寸（mm×mm）為L40×3的有104根，L45×3的211根，L56×8的100根，L63×8的17根，L75×8的20根，L63×10的58根，L80×10的38根，L100×14的12根，L100×16的12根。其中塔腳處主材設計截面均為L100mm×16mm，斜材設計截面均為L63mm×8mm。

應力/設計強度（γ0S/R）是描述結構安全性的主要指標，即考慮結構重要性系數（γ0）后，荷載在結構桿件上的效應（S）與構件自身的抗力（R）的比值。應力/設計強度比小于1時，結構安全可靠，且數值越小表示結構安全裕度越高；當應力/設計強度比大于1時，結構存在失效風險。

以強度、繞x軸穩定及繞y軸穩定的應力/設計強度（γ0S/R）為指標，對572根構件按應力/設計強度進行數量統計，所有構件的γ0S/R均小于1，參考GB 50144-2019《工業建筑可靠度鑒定標準》對構件安全性進行評級，所有構件安全等級為a級，結構是安全的；大部分構件的γ0S/R接近于0，表明構件的安全裕度較大。

2.主材腐蝕對輸電線路鐵塔安全性影響

（1）主材腐蝕對鐵塔整體安全性的影響

僅考慮塔腳1主材（1-A）發生腐蝕時，在主材腐蝕率不同的情況下，對輸電鐵塔所有構件的γ0S/R進行統計分析。當單根主材腐蝕率低于30%時，主材腐蝕程度對于構件的應力/設計強度比影響較?。划敻g率高于40%時，部分構件γ0S/R超過1.0，表明構件的安全性已不滿足原有設計要求，且其γ0S/R隨腐蝕率的增加呈快速增大的趨勢；同時，整體構件的γ0S/R分布向右側偏移，表明鐵塔的安全裕度隨主材腐蝕率的升高而降低。

（2）主材腐蝕對塔腳構件安全性的影響

圖4 單根主材腐蝕對塔腳構件安全性能的影響

由圖4可知，主材（1-A）的γ0S/R隨主材腐蝕率的增加而增加，且曲線斜率逐漸增長，表明腐蝕引起的主材截面損失，一方面會導致荷截作用下傳遞到該構件的應力效應增加，另一方面結構整體內力重分布后腐蝕主材的應力增大。未發生腐蝕的其他三個塔腳，其主材的γ0S/R變化較小。

根據GB 50144-2019《工業建筑可靠度鑒定標準》對主材（1-A）進行安全等級評定，當腐蝕率為42.3%?45.7%以及49.6%時，構件的安全等級分別為b級、c級和d級。因此，當腐蝕率達到某臨界腐蝕率時（主材1-A的臨界腐蝕率為42.3%），輸電線路鐵塔塔腳構件的安全等級會降低，且伴隨著較小幅度的腐蝕率增長（由42.3%增長至49.6%），構件安全等級將迅速下降。

3.斜材腐蝕對輸電線路鐵塔安全性影響

（1）斜材腐蝕對鐵塔整體安全性的影響

當僅考慮塔腳斜材（1-B）發生腐蝕時，在不同斜材腐蝕率下，對輸電鐵塔所有構件的γ0S/R進行統計分析。當單根斜材腐蝕率低于70%時，所有構件均滿足設計安全要求；隨著腐蝕率進一步增加，達到90%時，部分構件的γ0S/R達到1.2，表明構件的安全性能不滿足原有設計要求。

（2）斜材腐蝕對塔腳構件安全性的影響

圖5 單根斜材腐蝕對塔腳構件安全性能的影響

如圖5所示，斜材（1-B）腐蝕對未發生腐蝕的三個塔腳（2?3?4）的主材安全性能影響很小；而塔腳主材的γ0S/R略有減小，即其構件安全性略有提高，可能是由于斜材發生腐蝕引起的截面積減小，導致塔腳主材和斜材中的應力重分布。斜材（1-B）的γ0S/R隨斜材腐蝕率增加而增加，且曲線斜率逐漸增長，這表明腐蝕引起的斜材截面損失，一方面會導致荷截作用下傳遞到該構件的作用效應增加，另一方面結構整體應力重分布后腐蝕斜材應力增大。當腐蝕率達到84.4%時，斜材1-B安全等級由a級降到b級。

值得注意的是，塔腳構件安全等級一定程度上與構件設計時初始的安全裕度有關。本工作中，塔腳1主材的初始γ0S/R為0.64，當腐蝕率達到臨界值42.3%時，安全等級開始發生變化；而塔腳1斜材的初始γ0S/R為0.32，安全裕度較大，當腐蝕率達到臨界值（84.4%）時，其安全等級才發生改變。

4.塔腳腐蝕數量對鐵塔安全性的影響

研究五種腐蝕工況下輸電線路鐵塔塔腳主材安全性能的變化。

工況1：塔腳1-A腐蝕；

工況2：塔腳1-A?2-A腐蝕；

工況3：塔腳1-A?3-A腐蝕；

工況4：塔腳1-A?2-A?3-A腐蝕；

工況5：塔腳1-A?2-A?3-A?4-A腐蝕。

　　五種工況下，四根主材均呈現出一定的“獨立性”。塔腳主材安全性能退化主要由自身腐蝕程度決定，與其他主材腐蝕的聯系較小；當超過臨界腐蝕率時，不同工況下，主材的γ0S/R隨腐蝕率的變化呈現出一定差異。當η達到50%時，工況2?4?5下應力/設計強度比的變化曲線斜率比工況1?3的要大，表明在工況2?4?5下塔腳1-A安全性能下降相對較快。

圖6 不同工況下構件的安全性能退化

如圖6所示，五種工況下，構件應力/設計強度比隨腐蝕率增加均明顯增長。當η<30％時，構件在各個工況下的性能退化情況相近；當η>30%時，在工況1中，構件安全性能下降最慢，在工況4?5中，構件安全性能下降最快，反映出構件的安全性能退化與腐蝕塔腳的數量有關。

結論

由于輸電線路鐵塔塔腳所處環境惡劣及自身混凝土保護帽質量較差，腐蝕往往發生在塔腳大氣/混凝土交接界面上，發生腐蝕的塔腳分布區域較廣，且腐蝕程度較為嚴重。

通過分析塔腳腐蝕對輸電線路鐵塔安全性能的影響，發現腐蝕主材的應力/設計強度比隨著腐蝕率的增長呈現非線性增長的趨勢，且變化速率不斷增大。塔腳1主材的初始γ0S/R為0.64，當腐蝕率達到臨界值（42.3%）時，安全等級隨即發生變化，腐蝕率進一步提高7.3%后，構件安全等級已降低到d級。因此，在工程中應對塔腳是否達到其臨界腐蝕率進行嚴格控制，以降低鐵塔的失效風險。

構件的臨界腐蝕率與構件的初始應力/設計強度比有關，初始γ0S/R越小，安全裕度越大，臨界腐蝕率越大。合理提高塔腳構件安全裕度，可有效提高構件的臨界腐蝕率。

當腐蝕程度較輕時，構件安全性能退化主要由自身腐蝕程度決定；當腐蝕程度超過臨界腐蝕率時，構件安全性能退化與其他構件腐蝕程度有一定的相關性，且隨其他構件腐蝕率的增加，安全性能下降。基于上述工作，可以對輸電線路鐵塔塔腳腐蝕后的安全性能進行評估，指導塔腳腐蝕后輸電線路鐵塔的維護、維修方案。

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