耐候結(jié)構(gòu)用鋼在電力鐵塔鋼結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的可行性分析

王新志　韋　弦　孫玉強

(安陽鋼鐵股份有限公司)

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耐候結(jié)構(gòu)用鋼在電力鐵塔鋼結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的可行性分析

王新志韋弦孫玉強

(安陽鋼鐵股份有限公司)

結(jié)合電力鐵塔用鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了耐候結(jié)構(gòu)用鋼在電力鐵塔鋼結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的可行性，分析認為耐候結(jié)構(gòu)用鋼耐大氣腐蝕性能和工藝力學(xué)性能均要優(yōu)于同級別的碳素結(jié)構(gòu)或低合金結(jié)構(gòu)用鋼板，同時從綜合成本、環(huán)境保護、全服役期內(nèi)的安全性、生產(chǎn)制作、后期維護等方面比較，耐候結(jié)構(gòu)用鋼均比當(dāng)前電力鐵塔用熱鍍鋅型鋼有較大優(yōu)勢，完全具備應(yīng)用和推廣的可行性。

耐侯結(jié)構(gòu)用鋼電力鐵塔應(yīng)用分析

0　引言

當(dāng)前國家電網(wǎng)輸變電鐵塔用型鋼主要還是以熱浸鍍鋅材料為主，熱浸鍍鋅是當(dāng)前鋼鐵材料常見的一種材料防腐技術(shù)[1]，它可以在鋼材表面形成一層穩(wěn)定的鋅層以防止或減緩大氣對鋼鐵材料的腐蝕，從而保證鋼鐵材料在鐵塔服役的全壽命周期內(nèi)的使用安全性。但是熱浸鍍鋅工藝在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量廢酸以及一些含有重金屬的廢水，難于處理，嚴重污染環(huán)境。這與國家當(dāng)前推行的節(jié)能環(huán)保政策和理念不符，當(dāng)前新材料、新能源、節(jié)能環(huán)保已成了時代發(fā)展的符號，今后國家將會逐步推行更為嚴格的環(huán)保政策，鋼鐵材料的熱浸鍍鋅工藝將會逐步受到限制和禁止。因此需要尋求一種新型鋼鐵材料來替代熱浸鍍鋅型鋼材料，該材料應(yīng)是一種具備耐腐蝕、環(huán)境友好、工藝力學(xué)性能優(yōu)良、綜合性價比好的鋼鐵材料。綜觀國內(nèi)各類鋼鐵材料，耐候結(jié)構(gòu)用鋼具備替代熱浸鍍鋅型鋼材料的可行性。因此，筆者結(jié)合當(dāng)前電力鐵塔用鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和耐候結(jié)構(gòu)用鋼的研發(fā)及應(yīng)用，對耐候結(jié)構(gòu)用鋼替代熱浸鍍鋅材料的優(yōu)勢和不足進行了系統(tǒng)分析和討論。

1　電力鐵塔用鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析

1.1主要應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查

隨著國家電網(wǎng)對國內(nèi)電網(wǎng)全覆蓋的要求，當(dāng)前國內(nèi)電力鐵塔用鋼結(jié)構(gòu)[2]年使用量預(yù)計在300萬t～350萬t。主要材料使用的是普碳或低合金熱酸洗鍍鋅型鋼，使用形式為熱軋角鋼經(jīng)酸洗、鍍鋅、表面鈍化后制作成鋼結(jié)構(gòu)，進行現(xiàn)場組裝；使用的強度級別主要為Q235～Q345系列，部分材質(zhì)使用了Q420～Q460系列；常見材料使用規(guī)格厚度為6 mm～14 mm；鐵塔服役的全壽命周期一般設(shè)計為40年，通常每8～10年對鐵塔進行系統(tǒng)維護一次，主要維護目的：涂層防護、結(jié)構(gòu)連接件安全檢測、部分結(jié)構(gòu)件損蝕替換，確保全壽命周期內(nèi)的使用安全；全壽命周期內(nèi)的維護費用一般為鍍鋅型鋼材料費用2～3倍。對材料的耐腐蝕性適用環(huán)境要求，一般需要滿足四種環(huán)境條件，即內(nèi)陸干旱性氣候條件、寒冷高山性氣候條件、沿海潮濕性氣候條件、一般工業(yè)性氣候條件，為滿足以上四種環(huán)境下的大氣腐蝕，主要采用在基材外鍍鋅層保護。

1.2存在的問題

熱浸鍍鋅型鋼在電力鐵塔制造行業(yè)雖得到廣泛應(yīng)用和推廣，但是熱鍍鋅型鋼由于存在對周圍環(huán)境的污染，與國家節(jié)能環(huán)保的發(fā)展政策不符，同時鐵塔制造和服役期間也遇到諸多問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 在鐵塔制造和服役期間，由于鋅層損壞或脫落造成鋼鐵材料直接和大氣接觸，形成點蝕性損壞，尤其是在高溫潮濕環(huán)境下，普通鋼鐵材料極易產(chǎn)生腐蝕，再次進行防腐和二次修復(fù)[3-4]，難度較大。鋼結(jié)構(gòu)表面一旦產(chǎn)生不均勻銹蝕，不僅影響外觀形貌，而且局部的銹蝕還會引起應(yīng)力集中，加速鋼結(jié)構(gòu)的破壞，尤其對承受反復(fù)沖擊載荷的鋼結(jié)構(gòu)，更容易降低其疲勞強度，引起突發(fā)斷裂，直接影響鐵塔的使用安全，故防腐是鐵塔服役期間的維護重點，維護費用較大。

(2) 尤其是潮濕的環(huán)境下腐蝕因此鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕不僅造成巨大的資源浪費，還會危害鋼結(jié)構(gòu)的安全。

(3) 電力鐵塔維護屬于高空作業(yè)，施工作業(yè)環(huán)境、可維護性以及維護安全性較差，對施工以及維護人員的安全保障、身體素質(zhì)要求較高，故鐵塔維護的人員成本較高。

(4) 鍍鋅型鋼的酸洗、熱浸鍍鋅費用較高，同時鍍鋅型鋼在制造過程中產(chǎn)生的大量廢酸以及一些含有重金屬的廢水，污染環(huán)境，與國家當(dāng)前的環(huán)保政策矛盾。

2　耐候結(jié)構(gòu)用鋼的應(yīng)用與分析

耐候結(jié)構(gòu)用鋼具備優(yōu)良的耐大氣腐蝕性能，同時由于采用低C+Mn成分設(shè)計，成型性能、焊接性能均表現(xiàn)優(yōu)良，由于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼板，故在代替熱鍍鋅型鋼材料較大的可能性。

2.1耐候結(jié)構(gòu)用鋼的耐蝕機理及研發(fā)現(xiàn)狀

耐候鋼即耐大氣腐蝕用鋼[5]，主要通過在鋼中加入了Cu、P、Cr、Ni等元素，在鋼材表面形成一種附著力很強的致密的保護膜，阻止空氣中的H2O、CO2、O2等腐蝕介質(zhì)的浸入和擴散，從而保護或減緩鋼鐵材料腐蝕的縱深發(fā)展，大大提高鋼鐵材料耐大氣腐蝕的能力；其耐大氣腐蝕性能取決于基板的自保護氧化層的形成過程中干濕交替的氣候條件，保護程度與最敏感氣候條件和結(jié)構(gòu)件在腐蝕過程中的有效期有關(guān)[6]，一般耐候結(jié)構(gòu)鋼是普通鋼材耐大氣腐蝕性能的2～8倍。近年來耐候鋼的開發(fā)主要向著低成本、高耐蝕、高強韌、專業(yè)化應(yīng)用方向發(fā)展。

國外在20世紀(jì)初期便開始使用耐候結(jié)構(gòu)鋼，目前早已被廣泛推廣和應(yīng)用。國內(nèi)耐候鋼[7]的研發(fā)相對國外起步較晚，始于20世紀(jì)60年代，目前我國耐候鋼主要有三大系列Cu-P系、Cu-P-Ni-Cr系、Cu-Cr-Ni系的耐候鋼。研發(fā)初期主要以鐵路車輛和集裝箱用鋼為主，在耐候結(jié)構(gòu)用鋼方面國內(nèi)市場需求低迷，但是近年來耐候結(jié)構(gòu)鋼在建筑結(jié)構(gòu)[8]、橋梁結(jié)構(gòu)[9]、塔架結(jié)構(gòu)上逐步開始大量使用，應(yīng)用前景廣闊。

2.2代替熱鍍鋅型鋼應(yīng)具備的條件

根據(jù)電力鐵塔的應(yīng)用環(huán)境和對材質(zhì)的要求，若采用新型鋼鐵材料代替目前的熱鍍鋅型鋼，對比熱鍍鋅型鋼，期望新型材料應(yīng)具備的優(yōu)勢分析，見表1。

表1　期望新型鋼鐵材料對比熱鍍鋅型鋼應(yīng)具備的優(yōu)勢分析

2.3安鋼耐候結(jié)構(gòu)用鋼的開發(fā)

安陽鋼鐵集團公司(簡稱：安鋼)近年來一直致力于耐候結(jié)構(gòu)用鋼的開發(fā)與研究，并取得了較好的研發(fā)效果，先后應(yīng)用于日照鋼鐵公司轉(zhuǎn)爐除塵項目、南京青奧會小湯山風(fēng)景園區(qū)建設(shè)項目、太原古交電廠項目、西安丈八四城市立交橋等工程項目。以Q355NH和Q355GNH耐候結(jié)構(gòu)鋼為例介紹安鋼耐候結(jié)構(gòu)用鋼的產(chǎn)品實物質(zhì)量及性能保證。

2.3.1產(chǎn)品成分、性能及組織

成分設(shè)計與性能要求分別見表2和表3 。

表2　化學(xué)成分設(shè)計特點

表3　產(chǎn)品對應(yīng)的工藝力學(xué)性能要求

結(jié)合表2、表3成分及力學(xué)性能要求分析安鋼目前實際的產(chǎn)品質(zhì)量保證能力，目前安鋼可保證到E級鋼的性能要求，V型缺口縱向-40 ℃低溫沖擊功Q355NH系列平均可達到120 J以上，Q355GNH系列平均可達到70 J以上；A值平均可達到25%以上，Rel和Rm平均性能富裕量在30 Mpa～50 Mpa，180 °彎曲試驗達標(biāo)率100%，組織為典型的鐵素體+珠光體組織，晶粒度8級以上。從綜合工藝力學(xué)性能評價，耐候結(jié)構(gòu)用鋼綜合力學(xué)性能要優(yōu)于國內(nèi)同級別的低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345系列。

2.3.2耐蝕指數(shù)及加速腐蝕試驗結(jié)果

國外Legault和Leckie公布了暴露于不同大氣環(huán)境下15.5年后的低合金鋼的腐蝕情況公式，修訂后業(yè)內(nèi)公認的耐大氣腐蝕指數(shù)公式如下：

I=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)2

根據(jù)公式計算，安鋼開發(fā)的Q355NH和Q355GNH耐蝕指數(shù)實際控制在6.10～7.05，具備良好的耐大氣腐蝕性能。

采用腐蝕介質(zhì)為濃度為0.01 mol/L的NaHSO3溶液，腐蝕溫度為35 ℃，濕度為65%，轉(zhuǎn)速為1轉(zhuǎn)/h，進行酸性環(huán)境的干濕交替的加速腐蝕試驗，加速腐蝕144 h后的電鏡分析形貌和金相組織形貌，如圖1、圖2所示。

從圖1可以看出，加速腐蝕144 h后，Q355NHB表面比Q235B光滑、平整，未發(fā)生大面積的均勻腐蝕，只是表現(xiàn)出一定的點狀腐蝕。從圖2可以看出，Q355NHB腐蝕界面依然可以相對比較平滑的界面，Q235B則表現(xiàn)出較大腐蝕坑，且不規(guī)則；同時從內(nèi)部組織看，Q355NHB采用了低碳成分設(shè)計，珠光體均勻的彌散在鐵素體組織中，多變現(xiàn)為均勻的平衡態(tài)組織，良好的組織形態(tài)同樣也是保證材料耐腐蝕的基礎(chǔ)，而Q235B則相對較差。

2.4具備的優(yōu)勢和不足

綜合分析，采用耐候結(jié)構(gòu)用鋼代替熱鍍鋅型鋼可具備以下幾點優(yōu)勢：

(1)綜合成本優(yōu)勢。當(dāng)前酸洗+熱鍍鋅工藝的成本約在2000元/t，而耐候結(jié)構(gòu)用鋼生產(chǎn)成本對比普通碳素和低合金鋼的成本增加約800元/t-1000元/t，故相對成本優(yōu)勢約在1000元/t左右。電力鐵塔的全壽命周期在40年左右，后續(xù)的維護費用較高，而耐候結(jié)構(gòu)鋼材料的自保護特性則在材料服役的全壽命周期內(nèi)有效，耐腐蝕性能表現(xiàn)優(yōu)良，即使在使用過程中出現(xiàn)材料的外力破損，耐候結(jié)構(gòu)用鋼依然可以自愈。

(a) Q355NHB

(b) Q235B

圖1干濕交替酸性環(huán)境下144 h的加速腐蝕EMS形貌分析

(a) Q355NHB

(b) Q235B

(2)環(huán)境友好性。耐候結(jié)構(gòu)用鋼代替熱鍍鋅型鋼可以避免使用酸洗、熱鍍鋅工藝，可以大大降低環(huán)境污染，符合今后國家的環(huán)保發(fā)展政策。

(3)工藝力學(xué)性能。耐候結(jié)構(gòu)用鋼材料的工藝力學(xué)性能整體優(yōu)于同級別的碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼板，完全可以保證全壽命周期內(nèi)的工藝力學(xué)性能要求。

(4)減少后期維護費用和人工成本，降低高空人工維護安全風(fēng)險。

(5)工藝相對簡單，加工制作周期短，可提高生產(chǎn)效率，減少資金占用。

結(jié)合電力鐵塔行業(yè)應(yīng)用環(huán)境及對材料要求的特殊性，也存在一些問題尚待解決，主要包括：(1)耐候結(jié)構(gòu)用鋼使用初期存在流銹現(xiàn)象，對電網(wǎng)絕緣性能有影響；(2)面臨使用環(huán)境較為復(fù)雜，不同地區(qū)大氣腐蝕程度不同，材料選型復(fù)雜；(3)沒有配套的耐腐蝕的連接件(螺栓、螺母等標(biāo)準(zhǔn)件)。

3　解決方案及發(fā)展前景展望

針對耐候結(jié)構(gòu)用鋼在使用過程中存在的初期銹層脫落及穩(wěn)定性問題，目前這方面的研究較多[10-11]，如銹層的快速穩(wěn)定化技術(shù)、節(jié)點涂層及防腐技術(shù)，均取得了較好的研究效果，預(yù)計不久便可轉(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)用，并得到快速推廣。

近年來耐候結(jié)構(gòu)用鋼的研發(fā)逐步向著系列化、專業(yè)化的方向進行。對于電力鐵塔應(yīng)用的典型環(huán)境條件，如海洋性氣候條件、內(nèi)陸干旱性氣候條件、一般工業(yè)性氣候條件、高山嚴寒性氣候條件，耐候結(jié)構(gòu)用鋼的研發(fā)和分類會逐步細化，以滿足各類氣候條件下的應(yīng)用。至于標(biāo)準(zhǔn)件的問題，目前從冶煉生產(chǎn)工藝上基本上不存在問題，只是當(dāng)前市場需求量較小，沒有形成批量化，該問題的解決將隨著國家相應(yīng)用鋼規(guī)范的建立迎刃而解。

近年來耐候結(jié)構(gòu)鋼在建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、塔架結(jié)構(gòu)上逐步開始大量使用，如北京國家大劇院、上海世博會盧森堡館、澳大利亞館、南京青奧會場館等，尤其在2015年國家橋梁結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)修訂又正式推出了耐候橋梁結(jié)構(gòu)用鋼規(guī)范，都為耐候結(jié)構(gòu)用鋼的全面推廣創(chuàng)造了有利條件。據(jù)不完全統(tǒng)計，美國當(dāng)前應(yīng)用于塔架結(jié)構(gòu)的鋼鐵材料，耐候結(jié)構(gòu)鋼份額占比在30%～40%，而國內(nèi)應(yīng)用幾乎為零。這說明耐候結(jié)構(gòu)用鋼在國內(nèi)有著廣闊的應(yīng)用前景，同時也表明國內(nèi)對耐候結(jié)構(gòu)鋼的認識亟待提高，應(yīng)用規(guī)范亟待解決。

4　結(jié)語

耐候結(jié)構(gòu)用鋼具有優(yōu)良的工藝力學(xué)性能，優(yōu)于等級別的碳素結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼，尤其耐腐蝕性能和材料表面保護的自愈性是普通鋼材所無法比擬的，代替熱鍍鋅型鋼用于電力鐵塔結(jié)構(gòu)是完全可行的。無論是從綜合成本、環(huán)境保護、全服役期內(nèi)的安全性，還是生產(chǎn)制作、后期維護等方面，耐候結(jié)構(gòu)均有較大優(yōu)勢。隨著國家用鋼規(guī)范的逐步完善，耐候結(jié)構(gòu)用鋼目前雖還存在一些技術(shù)問題，但在未來電力鐵塔行業(yè)的應(yīng)用和推廣將是必然的。

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FEASIBILITY ANALYSIS ON THE APPLICATION OF WEATHERING STEELS FOR STRUCTURAL USE IN THE STEEL STRUCTRE OF ELECTRIC POWER IRON TOWER

Wang XinzhiWei XianSun Yuqiang

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

Combined with the application status on steel structre of electric power iron tower, it is analyzed that application of weathering steels for structural use is feasibility. Analysis shows that atmospheric corrosion resistance and the mechanical properties of weathering steels for structural use were superior to the same level of carbon structural and low alloy structure with steel, also from comprehensive cost, environmental protection, full service period, safety, production, maintenance and compared, weathering steels for structural use has great advantages than the current power tower with hot dip galvanized steel, and weathering steels for structural use has fully equipped with the feasibility of the application and promotion.

weathering steels for structural useelectric power iron towerapplicationanalysis

志，高級工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心；

2016—5—22