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摘要：铁塔是输电线路中最主要的组成部分，承载着电力的输送。整个铁塔主要由塔头、塔身和塔腿三大部分组成，如果是拉线铁塔还增加拉线部分，本文从耐候角钢塔设计方面进行了相关研究，重点探讨了冷弯耐候角钢截面几何特性计算、耐候钢材料选择原则、冷弯角钢轴心受压承载力计算、节点耐腐蚀技术措施等设计要点。
关键词：铁塔塔材;设计选用;措施防范
输电线路铁塔简称电力铁塔。按照形状，输电线路铁塔一般分为“酒杯型”、“猫头型”、“上字型”、“干字型”和“桶型”5种。环境污染是输电线路杆塔裸露在外的金属部件产生腐蚀的重要影响因素，主要表现在塔身锈蚀、接地网锈蚀和对地导线锈蚀等。如腐蚀相对严重，明显降低了其与基础的接触面积和杆塔的稳定性，增大了倒塔断线的风险。因此，要使电网能够安全运行，输电杆塔的防腐蚀成为必须考虑的突出问题。
1.输电线路杆塔主材与基础接触部的腐蚀机理
1.1实验方法和过程
為研究输电线路杆塔主材与基础接触部的腐蚀机理，首先采用BrukerAXSD8-AdvanceX射线衍射仪（Cu靶，K，λ=0.15456nm）对接触部内、外两侧腐蚀产物进行物相分析。其次，对现场地下500mm，左右处土壤取样。在实验室环境下，清除土壤中杂物，自然风干，粉碎研磨后通过20目筛。用除盐水按照水土比5：1的方法溶解、振荡，过滤出浸出液。静置后，分别采用电感耦合等离子体质谱法和电极法对土壤样品中的金属阳离子和非金属阴离子进行分析。针对输电线路铁塔塔脚与基座连接部的腐蚀严重情况，采用保护帽涂层对其保护，其中涂层有内向外依次为丙烯酸树脂+罗曼哈斯胶+Megum538胶+改性环氧树脂砂浆+防水防渗涂料，另外，为了避免由于长时间受雨水侵蚀而导致防水防渗涂层起泡的现象，将保护帽涂层外层设计成倒水棱。配置硝酸钙质量浓度为8.01g/L、硝酸钾质量浓度为10.14g/L、无水硫酸钠质量浓度为13.5g/L、氯化钠质量浓度为5.58g/L和磷酸三钠质量浓度为15.6g/L的溶液，采用南京环科YWX-250型盐雾试验箱对保护帽进行盐雾实验。
1.2实验结果及讨论
输电线路杆塔主材与基础接触部内、外两层腐蚀产物的XRD衍射图。可以看出各腐蚀产物中的组成大致类似，均为FeO、Fe2O3、Fe3O4、FeOOH及少量微晶和非晶物质，但外层晶态的FeO、Fe2O3、Fe3O4和FeOOH均较多，其衍射峰相对明显，说明其稳定性较高。内层晶态物质的峰强较弱，说明其腐蚀产物中含有大量的微晶和非晶，这表明其腐蚀产物的稳定性较差，大量物质处于腐蚀过程的中间状态，在环境条件合适时，其腐蚀转变将会继续发生。
从土壤样品检测结果，可以看出除金属K+、Na+、Ca2+离子外，含有一定量的SO42-、NO3-、PO43-、及Cl-，特别是Cl-含量相对较高。杆塔主材一般采用镀锌钢材，通常锌与钢铁之间发生扩散形成锌铁合金层，比一般涂料结合更牢固，暴露在大气环境中的锌层数十年不会脱落，但镀锌层在接触空气和水时，可产生轻微的电化学腐蚀。与内陆地区相比，岭南沿海地区位于亚热带低纬度地区，电网金属结构所处的运行环境十分复杂，南亚热带海洋性季风气候的特点，使得大气湿度很大，水蒸气易在毛细管作用、吸附作用、化学凝结作用的影响下，附着在钢材表面上形成一层水膜。补充岭南沿海地区气态污染情况（沿海地区盐密大），这样部分二氧化硫和氮氧化物溶解在钢材表面的水膜中形成导电性较强的电解质溶液，电解液溶液与金属氧化膜发生电化学反应而产生孔蚀，加速了输电杆塔腐蚀。另一方面，可以看出土壤中Cl-含量较高，工厂所排出的Cl2形成HCl，HCl+Fe→H2+FeCl3，而FeCl3溶于水，于是进一步增加了杆塔主材与基础接触部的锈蚀。为了对比腐蚀情况，在Q420角钢上，设计了六种耐腐蚀方案。其中1号为丙烯酸树脂，2号为丙烯酸树脂+罗曼哈斯胶+Megum538胶，3号为丙烯酸树脂+罗曼哈斯胶+Megum538胶+改性环氧树脂砂浆，4号为丙烯酸树脂+罗曼哈斯胶+Megum538胶+改性环氧树脂砂浆+防水防渗涂料，5号为无镀锌层的钢板，6号为有镀锌层的钢板有出现裂纹、起泡、锈蚀等现象。2号试样在240h表面盐分残留相对很少，说明在丙烯酸树脂胶表面涂覆罗曼哈斯胶和Megum538胶的过渡层，使得试样的抗盐雾腐蚀的能力得到显著提高。3号和4号试样经过240h腐蚀后表面无点蚀、裂纹、起泡和锈蚀等现象，将3号和4号试样的保护帽剖开后，被保护的基材表面没有渗水、锈蚀现象，说明其防护效果较佳。
2.输电线路杆塔主材断裂研究
低温及雨雪天气容易导致钢材发生断裂失效。2009年入冬，国内北部某城市降雪频繁，气温骤降，致使某输电线路铁塔投运后发生3基转角塔下部主材断裂失效。3基铁塔均按第Ⅶ种典型气象区条件设计[1-2]，铁塔主材设计材质为Q345B，角钢规格为∠160mm×160mm×14mm，塔型为FJ60-15，均断于受拉腿底部。本文以一个典型失效塔为对象，通过分析及试验数据并提出防范措施
2.1承载力计算
断裂主材型号为Q345BL160×14，该型号钢材最大承载力为1100kN（去除螺栓孔后）。经计算，失效塔材在不同工况下的承载力如下：挂线静止状态（含低温及覆冰）时，荷载为731.23kN，承载力为最大承载力的66.25%;承受最大风力时，荷载为843.25kN，承载力为最大承载力的76.7%;安装时，荷载为686.55kN，承载力为最大承载力的62.5%。可见，铁塔承载力在安全范围内。
2.2失效角钢化学成分分析：从失效角钢取样，化学成分测试结果见表1
以看出，失效角钢化学成分满足GB/T1591—2008对Q345B钢的要求。
2.3失效角钢常温力学性能试验：分别进行室温拉伸、室温冲击试验，其中，冲击试样沿纵向取样，加工成55mm×10mm×10mm试样，沿厚度方向开V型缺口，失效角钢的常温屈服强度、抗拉强度、延伸率及常温冲击性能均达到了GB/T1591—2008对Q345B钢的性能要求。 2.4失效角钢低温力学性能试验：采用板状试样，测试了不同温度下失效角钢低温拉伸性能，测试结果可以看出，温度对角钢强度的影响不大，随温度的降低，角钢的塑性略有降低。
2.5低温冲击试验：从失效角钢取样，测试不同温度下角钢的冲击性能，测试结果可见材料在温度为0～-20℃時冲击吸收能量逐渐下降到34J以下。根据GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》韧脆转变温度的判定方法，材料的韧脆转变温度为-20℃，对应的冲击吸收能量为21J。根据上述分析，失效塔材的韧脆转变温度大致为-20℃，-30℃时的冲击功小于15J，-40℃时的冲击功小于5J。在-30～-40℃时，塔材已经严重脆化。
2.6失效角钢金相组织与非金属夹杂物检验：对失效角钢进行了金相组织分析和非金属夹杂物检验，结果表明，失效角钢金相组织为带状珠光体+铁素体;C类夹杂物2.5级，夹杂物宽度22μm。螺栓孔边缘观察到深度为0.4mm的微裂纹，角钢中有轻微带状偏析，偏析区有轻度魏氏体组织，结合冲击试验结果分析夹杂物对角钢性能影响不大。
2.7断口分析失效铁塔主材宏观断口形貌如图2所示。
从图2中断面上人字形花样看出，塔材从一个螺栓孔起裂后扩展，穿过同一横截面的另一个螺栓孔，然后断裂。断裂面通过螺栓孔，垂直于表面，为平坦的正断口，边缘拉边区非常小。取试件断口，进行除锈处理和超声波清洗后在扫描电镜下观察其微观形貌，断裂从螺栓孔内部表面（不是孔边缘顶角）开始，起裂区表面有1层弯曲变形的撕裂状断口，起裂区和表面边缘区只有非常窄的区域（约0.15mm宽）的拉边。扩展区断口局部见到许多平行于表面的二次裂纹，从形态判断与材料中非金属夹杂物的分布有关，扩展区断口为解理断口。总体上属于一次性快速脆性断裂。
3.结语
输电线路铁塔角钢失效分析，特别是铁塔材料的化学成分、力学性能（抗拉强度、断后伸长率、冲击性能）分析，同时根据不同运行使用环境及受力状况，对于承受较大。铁塔主材在低温下严重脆化，外界轻微影响极易造成塔材断裂失效，铁塔加工中冲孔所形成的微裂纹是导致塔材失效的主要原因。对于在高寒环境中运行的铁塔，设计时应尽量选择低温韧性好的材料，或改变铁塔结构，选择抗极端自然灾害能力更强的钢管塔。对于在高寒环境中运行的铁塔，在加工中应谨慎选择冷加工工艺（如剪切、冲孔），严格控制加工过程，避免表面损伤。
参考文献
[1]胡红中.输电线路塔脚主板不同焊接工艺方案对比分析[J]. 机械工程师2019（07）
关键词：铁塔塔材;设计选用;措施防范
输电线路铁塔简称电力铁塔。按照形状，输电线路铁塔一般分为“酒杯型”、“猫头型”、“上字型”、“干字型”和“桶型”5种。环境污染是输电线路杆塔裸露在外的金属部件产生腐蚀的重要影响因素，主要表现在塔身锈蚀、接地网锈蚀和对地导线锈蚀等。如腐蚀相对严重，明显降低了其与基础的接触面积和杆塔的稳定性，增大了倒塔断线的风险。因此，要使电网能够安全运行，输电杆塔的防腐蚀成为必须考虑的突出问题。
1.输电线路杆塔主材与基础接触部的腐蚀机理
1.1实验方法和过程
為研究输电线路杆塔主材与基础接触部的腐蚀机理，首先采用BrukerAXSD8-AdvanceX射线衍射仪（Cu靶，K，λ=0.15456nm）对接触部内、外两侧腐蚀产物进行物相分析。其次，对现场地下500mm，左右处土壤取样。在实验室环境下，清除土壤中杂物，自然风干，粉碎研磨后通过20目筛。用除盐水按照水土比5：1的方法溶解、振荡，过滤出浸出液。静置后，分别采用电感耦合等离子体质谱法和电极法对土壤样品中的金属阳离子和非金属阴离子进行分析。针对输电线路铁塔塔脚与基座连接部的腐蚀严重情况，采用保护帽涂层对其保护，其中涂层有内向外依次为丙烯酸树脂+罗曼哈斯胶+Megum538胶+改性环氧树脂砂浆+防水防渗涂料，另外，为了避免由于长时间受雨水侵蚀而导致防水防渗涂层起泡的现象，将保护帽涂层外层设计成倒水棱。配置硝酸钙质量浓度为8.01g/L、硝酸钾质量浓度为10.14g/L、无水硫酸钠质量浓度为13.5g/L、氯化钠质量浓度为5.58g/L和磷酸三钠质量浓度为15.6g/L的溶液，采用南京环科YWX-250型盐雾试验箱对保护帽进行盐雾实验。
1.2实验结果及讨论
输电线路杆塔主材与基础接触部内、外两层腐蚀产物的XRD衍射图。可以看出各腐蚀产物中的组成大致类似，均为FeO、Fe2O3、Fe3O4、FeOOH及少量微晶和非晶物质，但外层晶态的FeO、Fe2O3、Fe3O4和FeOOH均较多，其衍射峰相对明显，说明其稳定性较高。内层晶态物质的峰强较弱，说明其腐蚀产物中含有大量的微晶和非晶，这表明其腐蚀产物的稳定性较差，大量物质处于腐蚀过程的中间状态，在环境条件合适时，其腐蚀转变将会继续发生。
从土壤样品检测结果，可以看出除金属K+、Na+、Ca2+离子外，含有一定量的SO42-、NO3-、PO43-、及Cl-，特别是Cl-含量相对较高。杆塔主材一般采用镀锌钢材，通常锌与钢铁之间发生扩散形成锌铁合金层，比一般涂料结合更牢固，暴露在大气环境中的锌层数十年不会脱落，但镀锌层在接触空气和水时，可产生轻微的电化学腐蚀。与内陆地区相比，岭南沿海地区位于亚热带低纬度地区，电网金属结构所处的运行环境十分复杂，南亚热带海洋性季风气候的特点，使得大气湿度很大，水蒸气易在毛细管作用、吸附作用、化学凝结作用的影响下，附着在钢材表面上形成一层水膜。补充岭南沿海地区气态污染情况（沿海地区盐密大），这样部分二氧化硫和氮氧化物溶解在钢材表面的水膜中形成导电性较强的电解质溶液，电解液溶液与金属氧化膜发生电化学反应而产生孔蚀，加速了输电杆塔腐蚀。另一方面，可以看出土壤中Cl-含量较高，工厂所排出的Cl2形成HCl，HCl+Fe→H2+FeCl3，而FeCl3溶于水，于是进一步增加了杆塔主材与基础接触部的锈蚀。为了对比腐蚀情况，在Q420角钢上，设计了六种耐腐蚀方案。其中1号为丙烯酸树脂，2号为丙烯酸树脂+罗曼哈斯胶+Megum538胶，3号为丙烯酸树脂+罗曼哈斯胶+Megum538胶+改性环氧树脂砂浆，4号为丙烯酸树脂+罗曼哈斯胶+Megum538胶+改性环氧树脂砂浆+防水防渗涂料，5号为无镀锌层的钢板，6号为有镀锌层的钢板有出现裂纹、起泡、锈蚀等现象。2号试样在240h表面盐分残留相对很少，说明在丙烯酸树脂胶表面涂覆罗曼哈斯胶和Megum538胶的过渡层，使得试样的抗盐雾腐蚀的能力得到显著提高。3号和4号试样经过240h腐蚀后表面无点蚀、裂纹、起泡和锈蚀等现象，将3号和4号试样的保护帽剖开后，被保护的基材表面没有渗水、锈蚀现象，说明其防护效果较佳。
2.输电线路杆塔主材断裂研究
低温及雨雪天气容易导致钢材发生断裂失效。2009年入冬，国内北部某城市降雪频繁，气温骤降，致使某输电线路铁塔投运后发生3基转角塔下部主材断裂失效。3基铁塔均按第Ⅶ种典型气象区条件设计[1-2]，铁塔主材设计材质为Q345B，角钢规格为∠160mm×160mm×14mm，塔型为FJ60-15，均断于受拉腿底部。本文以一个典型失效塔为对象，通过分析及试验数据并提出防范措施
2.1承载力计算
断裂主材型号为Q345BL160×14，该型号钢材最大承载力为1100kN（去除螺栓孔后）。经计算，失效塔材在不同工况下的承载力如下：挂线静止状态（含低温及覆冰）时，荷载为731.23kN，承载力为最大承载力的66.25%;承受最大风力时，荷载为843.25kN，承载力为最大承载力的76.7%;安装时，荷载为686.55kN，承载力为最大承载力的62.5%。可见，铁塔承载力在安全范围内。
2.2失效角钢化学成分分析：从失效角钢取样，化学成分测试结果见表1
以看出，失效角钢化学成分满足GB/T1591—2008对Q345B钢的要求。
2.3失效角钢常温力学性能试验：分别进行室温拉伸、室温冲击试验，其中，冲击试样沿纵向取样，加工成55mm×10mm×10mm试样，沿厚度方向开V型缺口，失效角钢的常温屈服强度、抗拉强度、延伸率及常温冲击性能均达到了GB/T1591—2008对Q345B钢的性能要求。 2.4失效角钢低温力学性能试验：采用板状试样，测试了不同温度下失效角钢低温拉伸性能，测试结果可以看出，温度对角钢强度的影响不大，随温度的降低，角钢的塑性略有降低。
2.5低温冲击试验：从失效角钢取样，测试不同温度下角钢的冲击性能，测试结果可见材料在温度为0～-20℃時冲击吸收能量逐渐下降到34J以下。根据GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》韧脆转变温度的判定方法，材料的韧脆转变温度为-20℃，对应的冲击吸收能量为21J。根据上述分析，失效塔材的韧脆转变温度大致为-20℃，-30℃时的冲击功小于15J，-40℃时的冲击功小于5J。在-30～-40℃时，塔材已经严重脆化。
2.6失效角钢金相组织与非金属夹杂物检验：对失效角钢进行了金相组织分析和非金属夹杂物检验，结果表明，失效角钢金相组织为带状珠光体+铁素体;C类夹杂物2.5级，夹杂物宽度22μm。螺栓孔边缘观察到深度为0.4mm的微裂纹，角钢中有轻微带状偏析，偏析区有轻度魏氏体组织，结合冲击试验结果分析夹杂物对角钢性能影响不大。
2.7断口分析失效铁塔主材宏观断口形貌如图2所示。
从图2中断面上人字形花样看出，塔材从一个螺栓孔起裂后扩展，穿过同一横截面的另一个螺栓孔，然后断裂。断裂面通过螺栓孔，垂直于表面，为平坦的正断口，边缘拉边区非常小。取试件断口，进行除锈处理和超声波清洗后在扫描电镜下观察其微观形貌，断裂从螺栓孔内部表面（不是孔边缘顶角）开始，起裂区表面有1层弯曲变形的撕裂状断口，起裂区和表面边缘区只有非常窄的区域（约0.15mm宽）的拉边。扩展区断口局部见到许多平行于表面的二次裂纹，从形态判断与材料中非金属夹杂物的分布有关，扩展区断口为解理断口。总体上属于一次性快速脆性断裂。
3.结语
输电线路铁塔角钢失效分析，特别是铁塔材料的化学成分、力学性能（抗拉强度、断后伸长率、冲击性能）分析，同时根据不同运行使用环境及受力状况，对于承受较大。铁塔主材在低温下严重脆化，外界轻微影响极易造成塔材断裂失效，铁塔加工中冲孔所形成的微裂纹是导致塔材失效的主要原因。对于在高寒环境中运行的铁塔，设计时应尽量选择低温韧性好的材料，或改变铁塔结构，选择抗极端自然灾害能力更强的钢管塔。对于在高寒环境中运行的铁塔，在加工中应谨慎选择冷加工工艺（如剪切、冲孔），严格控制加工过程，避免表面损伤。
参考文献
[1]胡红中.输电线路塔脚主板不同焊接工艺方案对比分析[J]. 机械工程师2019（07）