火災(zāi)環(huán)境下特高壓鋼管塔的最小安全距離研究

李聰聰，凌晨冰，孟祥俊偉，肖慶彪，馮立言，江文強(qiáng)

（華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系，河北 保定 071003）

0 引言

利用特高壓輸電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)能源的遠(yuǎn)距離、大容量輸送[1]。在研究輸電線路安全運(yùn)行的影響因素時，不僅要考慮內(nèi)部因素，如螺栓連接滑移[2]等，還要考慮外部因素。輸電線路所經(jīng)過地區(qū)的極端氣候，如低溫[3]、覆冰[4]、強(qiáng)風(fēng)[5]、火災(zāi)[6]等，都有可能對特高壓輸電鐵塔造成破壞，影響輸電線路的正常運(yùn)行。

鋼材是特高壓輸電塔的重要構(gòu)成材料，其力學(xué)性能對輸電塔的安全性有顯著影響。當(dāng)特高壓輸電塔遇到森林火災(zāi)時，其鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服強(qiáng)度和彈性模量會在高溫下發(fā)生改變[7]；當(dāng)構(gòu)件溫度達(dá)到1 000 ℃以上時，鋼材的屈服強(qiáng)度只有常溫下的1/4，鋼結(jié)構(gòu)幾乎喪失承載力。因此，有必要對特高壓輸電鐵塔在火災(zāi)條件下的安全性問題開展研究[8]。

文獻(xiàn)[9]為了探究鋼結(jié)構(gòu)在真實(shí)火災(zāi)場景下的熱力響應(yīng)，提出了 FDS-ABAQUS火熱結(jié)構(gòu)耦合的分析方法。相較于傳統(tǒng)采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線加載方式，模擬結(jié)構(gòu)更接近真實(shí)火災(zāi)場景下的結(jié)果。但是作者在文章中選用例證模型較為簡單，缺乏對復(fù)雜構(gòu)件模型的驗證。

文獻(xiàn)[10]利用火災(zāi)動態(tài)模擬器（Fire dynamics simulator，F(xiàn)DS）分析了大跨度鋼桁架拱橋在2種不同的火災(zāi)場景下的溫度場分布，然后使用有限元軟件 ABAQUS分析了鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)在不同火災(zāi)場景下的力學(xué)性能的變化；但是，F(xiàn)DS與ABAQUS耦合數(shù)據(jù)為煙氣溫度，故結(jié)果精度較低。

文獻(xiàn)[11]分別利用 FDS和傳熱公式得到了機(jī)場航站樓屋頂鋼火災(zāi)時局部構(gòu)件的溫升曲線；然后使用有限元軟件計算了結(jié)構(gòu)在設(shè)定的火災(zāi)場景下的力學(xué)性能；給出了構(gòu)件的失效標(biāo)準(zhǔn)。然而，此方法也存在計算結(jié)果精度低的問題。

文獻(xiàn)[12]開展了真實(shí)的火災(zāi)時鋼構(gòu)件的溫升實(shí)驗，構(gòu)建了火災(zāi)場景下大空間建筑鋼構(gòu)件的理論溫升模型，提出了一種煙氣以及鋼構(gòu)件溫度場的預(yù)測方法；通過實(shí)驗和理論結(jié)果數(shù)據(jù)對比，結(jié)合非規(guī)律變化的煙氣溫度場，驗證了預(yù)測方法的可行性。

文獻(xiàn)[13]為了研究鋼桁架結(jié)構(gòu)在熱力耦合作用下的受力性能、鋼屋架的耐火能力，利用ABAQUS軟件進(jìn)行了分析模擬實(shí)驗。結(jié)果表明：在火災(zāi)下，該鋼屋架變形均在合理范圍內(nèi)，最大應(yīng)力也滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。但是，文中所采用的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線未能準(zhǔn)確描述構(gòu)件實(shí)際溫度變化情況。

為了反映真實(shí)森林火災(zāi)環(huán)境下特高壓鋼管塔溫度場變化，本文利用FDS軟件模擬不同火災(zāi)場景下鐵塔主要構(gòu)件的溫度場；在此基礎(chǔ)上，計算得出火災(zāi)時主材局部最大應(yīng)力和屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系；根據(jù)鐵塔的安全性要求，給出火災(zāi)條件下特高壓鋼管塔的最小安全距離。

1 安全距離及判定

選取某典型特高壓鋼管塔主材為研究對象：主材一共分為8段，采用法蘭連接；每段為10 m，直徑為1.5 m；總高度為80 m。

以北方氣象條件為例，取特高壓鋼管塔工作環(huán)境為：海拔0 m，相對濕度20%，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

1.1 分析流程

（1）火災(zāi)時，鋼管塔主材溫度的獲得。使用FDS對不同的火災(zāi)場景進(jìn)行模擬；通過熱電偶分別獲取各火災(zāi)場景下鋼管塔主材的最高溫度。

（2）主材屈服強(qiáng)度折減系數(shù)的計算。根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》[14]，依據(jù)建筑規(guī)范中屈服強(qiáng)度的折減公式計算各火災(zāi)場景下特高壓鋼管塔主材的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)。

（3）鋼管塔安全距離的判定。根據(jù)主材的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)，判定主材是否受到火場的影響，以及是否滿足強(qiáng)度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 判定依據(jù)

在火災(zāi)中，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到一定溫度時，其屈服強(qiáng)度將發(fā)生變化。根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》，高溫下普通鋼材屈服強(qiáng)度計算公式為

式中：fyT為溫度為Ts時鋼材的屈服強(qiáng)度，MPa；fy為常溫下鋼材的屈服強(qiáng)度，MPa；f為常溫下鋼材的強(qiáng)度設(shè)計值，MPa；Rγ為鋼構(gòu)件抗力分項系數(shù)，這里取1.1；Tη為高溫下鋼材強(qiáng)度折減系數(shù)。

在設(shè)定火災(zāi)場景時，本文綜合考慮了空氣濕度、大氣壓強(qiáng)、氧氣含量等環(huán)境因素；以此為基礎(chǔ)，探究大風(fēng)工況下火源與主材距離關(guān)系。

2 火災(zāi)場景仿真建模

2.1 模型簡化及火災(zāi)場景設(shè)置

在所設(shè)定的仿真火災(zāi)場景內(nèi)，計算對象主要有火源、森林火場和特高壓鋼管塔主材，如圖1所示。圖1中，森林火場取4排5列有效區(qū)域。將實(shí)際樹木簡化為簡單的幾何模型后，以簡化后的幾何模型為基礎(chǔ)進(jìn)行網(wǎng)格化[15]。

圖1 森林–鋼管塔主材火災(zāi)場景設(shè)置Fig. 1 Fire scene setting of forest-main material of steel pipe tower

根據(jù)森林火場到主材距離d的不同設(shè)定六種火災(zāi)場景，具體如表1所示。

表1 火災(zāi)場景設(shè)定Tab. 1 Fire scene setup

2.2 網(wǎng)格敏感性分析

在進(jìn)行數(shù)值模擬計算時，計算區(qū)域網(wǎng)格的尺寸將直接影響模擬計算的精度和收斂性?？紤]過小的網(wǎng)格也會引起較大的計算誤差，因此：計算時，先使用粗糙的網(wǎng)格試運(yùn)算；然后逐步將網(wǎng)格細(xì)化，直到前后2次模擬結(jié)果相近；最后，選擇其中一即可。

通過上述的網(wǎng)格敏感性分析，得到網(wǎng)格尺寸經(jīng)驗值為火源特性直徑的 1/10。特征火焰直徑計算如式（4）所示。

式中：D*為網(wǎng)格尺寸；Q為火源熱釋放速率，kW；ρ∞為常溫下的空氣密度，kg/m3；T∞為環(huán)境絕對溫度，K；Cp為空氣的定壓比熱，J/(g·℃)；g為重力加速度，m/s2。

若整個計算區(qū)域采用統(tǒng)一網(wǎng)格，則網(wǎng)格數(shù)量會較多，進(jìn)而影響計算速度。因此本文采用分塊網(wǎng)格：將整個區(qū)域分成森林火場區(qū)域、主材模型區(qū)域和煙氣羽流區(qū)域。前2個區(qū)域采用細(xì)網(wǎng)格，煙氣羽流區(qū)域采用粗網(wǎng)格。最后，將3個區(qū)域的網(wǎng)格按要求拼接。

2.3 探測裝置布置

為采集主材結(jié)構(gòu)溫度以及周圍煙氣羽流溫度變化數(shù)據(jù)，根據(jù)表1繪制火災(zāi)場景A1—A6的火災(zāi)模型，并在主材表面和周圍設(shè)置熱電偶 T1—T8。圖2示出了火災(zāi)場景模型及探測裝置分布。

圖2 火災(zāi)場景及探測裝置分布Fig. 2 Schematic diagram of fire scene and distribution of detection devices

2.4 邊界條件及初始條件設(shè)定

常年平均風(fēng)速設(shè)為5 m/s。

整個計算域共有6個面。將邊界左側(cè)面設(shè)為進(jìn)風(fēng)面。忽略土壤熱傳導(dǎo)，將邊界下表面設(shè)為絕熱壁面。邊界其余的面設(shè)為通風(fēng)面。

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，受計算域內(nèi)外壓差的作用，高溫?zé)煔鈱耐L(fēng)表面溢出，新鮮空氣將從通風(fēng)表面補(bǔ)入[16]。

2.4.1 熱物理性參數(shù)及燃燒化學(xué)反應(yīng)式

FDS反應(yīng)庫中提供了多種物質(zhì)燃燒反應(yīng)，用戶也可以根據(jù)需要自定義反應(yīng)。

在本文所研究的森林火災(zāi)中，主要可燃物是木材，燃料方程式為：(C1.7O0.74N0.002)+1.021 21(O2+3.76N2)→1(0.964 384CO2+0.003 655CO+0.85H2O+0.0319 61C+3.840 76N2)。

背景氣體為氧氣和氮?dú)饨M成的空氣混合物。

燃燒時，木材與空氣發(fā)生反應(yīng)，生成1.5%的煙氣和0.4%的CO。

特高壓鋼管塔材料設(shè)為Q345，密度為7 850 kg/m3，其在高溫下的熱物理參數(shù)如表2所示。

表2 特高壓鋼管塔材料的非線性熱物理參數(shù)Tab. 2 Non-linear thermophysical parameters of UHV steel tube tower materials

2.4.2 火源的熱釋放率以及樹木的熱解參數(shù)

在實(shí)際森林火災(zāi)中，中等強(qiáng)度森林火災(zāi)多發(fā)且蔓延范圍非常廣；所以，本文選取中等強(qiáng)度森林火災(zāi)為模擬工況。

考慮計算條件，取小片有效森林區(qū)域作為火場區(qū)域，設(shè)置帶狀火源為：長15 m、寬0.5 m、熱釋放速率[17]為46 mW/m2。

火災(zāi)蔓延的過程主要是材料熱解的過程。森林火災(zāi)的蔓延，主要是樹冠燃燒蔓延。樹冠和樹干的熱物理和熱解參數(shù)[18]如表3所示。

表3 樹木的熱物理參數(shù)和熱解參數(shù)Tab. 3 Thermal physical parameters and pyrolysis parameters of trees

火源單位熱釋放率隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 火源單位熱釋放率曲線Fig. 3 Heat release rate curve of fire source

3 數(shù)值分析

3.1 森林火場與主材的熱作用

當(dāng)森林火災(zāi)發(fā)生時，森林火場和主材之間存在熱對流和熱輻射2種熱作用。

圖4示出了500 s時森林火場溫度等值面。圖4中，紅色等值面代表火焰層，其他均為煙氣層。

圖4 森林火場溫度等值面圖（t=500 s）Fig. 4 Isosurface map of forest fire field temperature

圖5示出了各火災(zāi)場景主材熱輻射強(qiáng)度。

圖5 主材熱輻射強(qiáng)度Fig. 5 Thermal radiation intensity of main material

從圖5中可以看出：

對于A1、A2、A3和A5火災(zāi)場景，在主材50 m高度以下的位置，熱輻射強(qiáng)度隨著高度的增加呈增大趨勢；50 m以上時，熱輻射強(qiáng)度迅速降低。

在A4和A6火災(zāi)場景中，在主材60 m高度以下位置，主材鋼管熱輻射強(qiáng)度隨著高度的增加呈增大趨勢；60 m以上時，熱輻射強(qiáng)度迅速降低。

綜合考慮圖4、圖5可以得出：主材距離火場14 m～17 m時，熱輻射強(qiáng)度隨著主材距離火場距離增加逐漸減弱；主材距離火場13 m時，主材受到熱輻射強(qiáng)度最大，為 242 kW/m2。對于各火災(zāi)場景，在主材高度0～50 m區(qū)間段，主材受到熱輻射作用逐漸上升；60 m～80 m區(qū)間，主材熱輻射作用減弱。主材所受熱輻射強(qiáng)度最強(qiáng)位置為50 m附近。

3.2 主材溫度變化趨勢

主材不僅會受到森林火場熱對流和熱輻射作用，主材各部分也會進(jìn)行熱傳導(dǎo)。森林火場與主材之間距離的不同，主材溫度分布也會隨之發(fā)生改變。

火災(zāi)高峰時的主材溫度分布如圖6所示。各場景下鋼管塔主材各測點(diǎn)溫度分布如圖7所示。

圖6 火災(zāi)高峰時主材溫度分布規(guī)律Fig. 6 Temperature distribution law of the main material during fire peak

圖7 各火災(zāi)場景主材最高溫度Fig. 7 Maximum main material temperature of each fire scene

從圖6可以看出：A1—A3火災(zāi)場景下，主材最高溫度為420 ℃。A4—A6火災(zāi)場景下，最高溫度為220 ℃，并且主材溫度均呈中間高、兩邊底分布規(guī)律；隨著距離增大，高溫區(qū)呈逐漸減小的趨勢。

從圖7中可以看出：對于A1—A5火災(zāi)場景，當(dāng)主材距離火場分別為12 m、13 m、14 m、15 m、16 m，主材50 m高度以下時，主材鋼管溫度隨著高度的增加呈增大趨勢；超過50 m后，溫度迅速降低。以A1火災(zāi)場景為例，主材鋼管溫度從開始的313 ℃逐漸增大到566 ℃；之后隨著高度的增大迅速下降到123 ℃。A2—A5火災(zāi)場景與A1場景變化規(guī)律基本類似。對于A6火災(zāi)場景，當(dāng)主材距離火場為 17 m時，主材鋼管溫度從開始的252 ℃逐漸增大到267 ℃，之后隨著高度的增大迅速下降到143 ℃。由此可見，隨著主材與火場距離的增加，主材最高溫度不斷降低，主材距離火場12 m時，主材的溫度峰值最大，溫度值為568 ℃。對于各火災(zāi)場景，在主材高度0～50 m區(qū)間段，溫度逐漸上升；在50 m～80 m之間時，主材溫度迅速下降。主材最高溫度峰值均位于50 m附近。

3.3 鋼管塔主材安全距離判定

考慮到輸電鐵塔在設(shè)計時，其主材構(gòu)件強(qiáng)度利用率一般均在0.9左右，所以本文以“屈服強(qiáng)度折減系數(shù)在0.9以下”作為主材失效的判定準(zhǔn)則。

利用式（2）計算屈服強(qiáng)度折減系數(shù)。折減系數(shù)等于1，說明主材沒有受到高溫影響；折減系數(shù)小于1且大于0.9，說明主材屈服強(qiáng)度發(fā)生變化，但是滿足強(qiáng)度設(shè)計要求；折減系數(shù)小于0.9，說明主材局部可能發(fā)生屈服變形失效。

圖8示出了主材于不同高度的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)計算結(jié)果。從圖8可以看出，在不同火災(zāi)場景下，最小屈服強(qiáng)度折減系數(shù)出現(xiàn)位置基本相同：最小值均出現(xiàn)在50 m高度附近。因此，主材距離地面50 m高度是有可能最先發(fā)生失效的位置。

圖8 主材于不同高度屈服強(qiáng)度折減系數(shù)Fig. 8 Reduction coefficient of yield strength of different heights

圖9示出了不同火災(zāi)場景下，主材最大屈服強(qiáng)度折減系數(shù)計算結(jié)果。從圖9中可以看出：隨著主材與火場距離的增大，其屈服強(qiáng)度折減系數(shù)也逐漸增大。主材距離火場12 m～14 m時，主材的屈服折減系數(shù)分別為0.54、0.64、0.88；15 m～17 m時，主材的屈服折減系數(shù)分別為0.93、0.99、1。由此可見，主材距離火場12 m～14 m時，主材局部可能會發(fā)生屈服變形失效；15 m～16 m時，主材雖然滿足使用標(biāo)準(zhǔn)，但是受到高溫影響屈服強(qiáng)度發(fā)生折減，力學(xué)性能發(fā)生改變；17 m時，主材強(qiáng)度在高溫作用下和無火作用相比沒有變化。綜上所述，15 m為最小安全距離。

圖9 不同火場距離下屈服強(qiáng)度折減系數(shù)Fig. 9 Reduction coefficient of yield strength at different fire distances

4 結(jié)論

本文通過仿真建模，研究了在森林火場與主材不同距離條件下，特高壓鋼管塔機(jī)械強(qiáng)度變化情況，得到結(jié)論如下。

（1）當(dāng)主材距離火場12 m、13 m、14 m、15 m時，其屈服強(qiáng)度分別下降了46%、36%、12%、7%。在主材距火場由14 m過渡到13 m的過程中，屈服強(qiáng)度下降變化幅度較大。

（2）對于各火災(zāi)場景，主材溫度的變化趨勢相同：在主材50 m高度以下位置，主材鋼管溫度隨著高度的增加呈增大趨勢；超過50 m后，溫度迅速降低，在40 m～50 m之間取得峰值。

（3）當(dāng)主材與火場距離在14 m以內(nèi)時，主材局部會發(fā)生屈服變形失效，失效位置位于距離地面50 m高度附近；距離大于15 m時，受到高溫影響，材料屈服強(qiáng)度會發(fā)生折減，但仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。故最小安全距離為15 m。