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前沿科技
复合材料输电杆的应用状况
/文 2017/07/03

电杆、电塔结构是输电、通讯、铁路、机场、市政等基础设施中一类重要的特种支撑结构物,其结构性能直接影响线路的安全性、经济性和可靠性。传统输电杆(包括木杆、水泥杆、钢杆及铁塔)在长期运行中各种各样的缺陷正逐步暴露出来。由于纤维增强树脂基复合材料(以下简称复合材料)具有轻质高强、耐腐蚀、电绝缘、性能可设计等特点,是输电杆及杆塔结构材料较理想的选择,开始受到国内外电力行业的关注。国外复合材料电杆的研究起步较早,批量生产的电杆已在欧美地区得到应用。美国由于其特殊的地理特点,复合材料电杆的研究开发和应用最为成熟。

电杆材料应用现状

国内外架空输电线路中使用较为广泛的杆塔主要有木质杆、钢管杆和铁塔等几类。占有世界大半电杆市场的美加地区,现有电杆采用的主要是木材,在美国只有俄勒冈州使用混凝土杆。混凝土或预应力混凝土杆主要应用于南美洲、欧洲、非洲、亚洲等森林资源较为贫乏的地区或发展中国家。铁塔是世界各国超高压输电线路中常用的杆塔型式。
我国基本不再使用木质杆,混凝土杆以前在35kV~110kV线路上大量使用,在新建及330kV以下线路运输和施工条件较好的平原和丘陵地区也得到一定应用。钢管杆和钢管混凝土杆在近年城市电网建设和改造中应用较多,而在220kV及以上的线路中,多采用格架式铁塔。

传统电杆存在问题

传统的输电电杆塔普遍存在质量大、易腐烂、锈蚀或开裂等缺陷,使用寿命较短,并且施工运输和运行维护困难,容易出现各种安全隐患。归纳起来主要有以下几个问题。
(1)腐蚀。木杆受腐蚀因素影响,平均寿命为30年。木杆维修费用为每杆每5年35美元,并且一旦腐蚀开始就会持续进行直至失去强度。木杆的维护主要用杂芬油类的防腐剂,这种防腐剂被认为是一种危险的废料,极大影响了环境。在美国,每1根电杆造成污染的环保复原费用达1万美元。
金属电杆存在生锈腐蚀问题,腐蚀减少了服役期,增加了全寿命周期内的维修成本。
(2)安装成本。传统电杆的安装费用问题在于偏远地区缺少运力和运输设备来搬运沉重的钢杆、木杆,水泥杆重量太大,造成运输与安装费用比其他材料更高一筹。有时为了安装到位甚至还需要铺设专门的道路来运输,这使得费用进一步提高。
(3)事故与其他问题。长期运行经验表明:不同电压等级交、直流输电线路皆存在雷击事故和污闪事故,雷击事故和污闪事故在每年的输电线路跳闸事故中几乎各占50%。大量的使用复合绝缘子仍不能彻底解决雷击和污闪事故。
高寒地区混凝土杆常发生冻融循环破坏,而铁塔常发生低温冷脆破坏。钢材还易被人为偷盗破坏。

其他改进型电杆

除一般类型电杆外,还有以下一些改进型电杆。
(1)无覆层耐侵蚀的钢材。保持了钢的优点,且无须防腐蚀层。
(2)电弧炉回收钢。一些钢材的最初费用可以通过这种回收来得到补偿。钢材的运输费用仍然极其昂贵,特别是运到边远地区,电杆或镀锌或用密封剂涂覆,会增加维修费用。
(3)钢筋混凝土也是替代木材的一种材料。但水泥杆重量太大,造成运输与安装费用比其他材料都要高。
(4)玻纤混凝土杆具有和复合材料一样的非电导性和无腐蚀性。复合材料电杆的纤维缠绕工艺还有价格优势,但由于应用得少,目前在使用可靠性方面还存在疑问。

复合材料电杆优势

复合材料电杆及杆段的制造技术在国外已有50多年的历史。复合材料的优势主要在集中在以下几方面。
(1)安装、维护成本低。复合材料电杆的质量约为木质杆的1/3,混凝土杆的1/10,钢质杆的1/2,可大幅度降低运输和施工安装成本,尤其是在人难以到达的山林和偏远地区。复合材料电杆的轻质特点使其可用直升机运载,轻质还意味着安装速度加快和节省人力。复合材料电杆是一种免维护或低维护结构,这对保障线路安全和降低输电线路的维护成本很有意义。
(2)环境适应性好。复合材料电杆对酸、碱、盐及有机溶剂等腐蚀介质的耐腐蚀性能和耐候性能优良,因此特别适合沿海地区、内陆盐渍土,以及工业区和酸雨多发地区等对混凝土和钢质杆塔有特殊防腐要求的环境。
(3)电绝缘性能好。利用玻璃钢杆代替传统铁塔新技术不但在重量上可以减轻一半,易于安装和施工,同时还可以解决闪络事故率居高不下的问题,复合材料杆电气绝缘性能优良,可避免铁塔易出现的雷击事故发生,还可以设计减少导线与塔身间隙,使输电线路结构更为紧凑,可减少线路走廊宽度,这在土地资源稀缺的情况下尤其重要。
(4)防盗防损。在特殊地区,还可以有效地防止塔材盗窃等人为破坏。
复合材料电杆比传统的电杆具有更好的综合性能,通过合理的设计,复合材料杆可以满足输电线路对杆塔结构的各项性能要求。

复合材料电杆市场情况

世界上最大的电杆市场在美国和加拿大,其次是北欧及欧洲其他地区。复合材料电杆的制造与应用主要集中在北美和欧洲。

一是复合材料电杆的性价比
因为目前建筑行业对复合材料仍普遍陌生,而钢制电杆因初装费用低廉和用户熟悉,仍然是造成复合材料电杆早期难以推广应用的主要障碍。在输电线路的经济分析中,通常注重建设期间的费用投资,往往忽视了结构全寿命周期费用的分析,这里主要指线路杆塔的维护费用。随着电网建设的不断扩大,输电线路架设长度要求增加,其线路运行出现的事故及维护问题便显得日益突出。因此设施的运输、安装及维护费用问题将会得到逐步重视。
在中国这个山地面积占国土总面积70%以上的国家,复合材料电杆运输和安装费用低廉具有特别重要的意义。用卡车装运复合材料电杆,其装载量数十倍于混凝土电杆装载量。

二是设计标准及试验方法
复合材料电杆在美加的应用非常广泛,但与类似英国等国家的气候又大不相同,其应用标准也有所不同。
标准的设计通常比较复杂,主要思路是规定在极限条件下或最严重的载荷下,电杆允许产生偏差的水平。评价电杆结构性能的两个首要指标是承载力和刚度。单杆结构的设计主要根据抗风吹弯曲承载能力大小,通常进行全尺寸电杆的悬臂梁弯曲试验,将电杆作为悬臂梁,在电杆不同位置施加载荷。

三是成型工艺进展
纤维缠绕是复合材料电杆最常用的成型工艺,也有许多其他中空圆筒结构成型方法,但因经济原因并未得到普及。对高效率商业化生产来说,自动化程度高低是极为重要的,而纤维缠绕工业节省原材料,纤维铺放灵活机动,很适合于成型这种结构产品。采用的基体主要为聚氨酯,环氧乙烯基脂树和改性聚氨酯,增强纤维一般为性能良好、价格低廉的无碱玻璃粗纱。
纤维缠绕工艺:将浸过聚氨酯树脂的玻纤粗纱按照指定线型连续缠绕在轴上。控制芯轴转速和轴与丝嘴的相对运动速度可以调节到所需的缠绕角度,与轴向形成7度到将近90度范围的缠绕角。纤维层数要根据电杆的等级性能的要求而定。缠绕完毕后加热固化,固化完毕脱模。可用水压装置将管从芯轴上脱掉,然后后切割、打孔,安装脚踏。
拉挤成型:拉挤成型使用拉挤成型机使纤维增强塑料连续成型的一种成型加工法,连续增强纤维浸渍活性树脂后通过热型模,材型即确定,再根据需要按照一定长度进行切割。此工艺近几年发展最快,主要发展方向是为港口、输电、土木等基础设施工程和高层建筑工程提供厚壁结构板型件。该工艺比较适合于复合材料横担和多边形电杆的制造,机场篱及其他类似结构也采用拉挤工艺。拉挤工艺可加工具有等横截面、径向强度和刚度较高的结构件。
复合工艺:随着复合材料相关技术的发展,纤维缠绕工艺呈现出多工艺复合化的发展趋势。
拉挤成型、带铺放、带缠绕及纤维编织等与传统缠绕工艺相结合,可以提高缠绕工艺的新结构适用性,扩大了纤维工艺的应用范围,开创了缠绕技术的新局面。纤维缠绕技术有一个明显的局限,就是沿制品轴向铺设纯纵向,即0度纤维(纤维与筒体母线夹角为0度)较为困难,从而限制了它在某些结构类管状制品制造中的应用。将纤维缠绕与带铺放工艺、拉挤工艺结合起来可极大地解决这一问题。纤维铺放技术集传统缠绕技术与带铺放技术于一身,可进行任意角度缠绕,也可任意增减纤维,克服了传统缠绕工艺的不足,改善了产品结构力学性能,可以作为比较先进的复合材料电杆生产工艺。
复合材料电杆具有传统电杆不具备的特殊优势,在国外已经具有相当规模,在中国市场的主要意义将在于运输、安装成本的大幅降低,其开发应用将成为输电行业基础设施建设的一大趋势。但是因为钢制电杆初装费用低廉,用户比较熟悉,而对于复合材料还很陌生,所以复合材料电杆早期难以推广应用。
总结起来,复合材料电杆及杆塔的开发应用之前存在以下两大制约问题:制造成本与耐候老化问题。而现在整体制造成本好像还没有得到很好解决,但是耐候性问题现在聚氨酯已经可以较好地解决此问题。
 

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复合材料井盖:再也不用担心被偷
付彩

井盖是通往地下设施的出入口顶部的封闭物,凡是安装自来水、电信、电力、燃气、热力、消防、环卫等公用设施的地方都需要安装井盖。随着井盖的需求量急剧增多,而传统铸铁井盖成本高,被盗现象严重,行人受伤、车辆受损时有发生,一直是困扰各建设部门的难题。
井盖所用材料在以前大部分是钢筋混凝土材质,由于钢筋混凝土具有脆性大、易老化、易断裂等缺陷,而渐渐被铸铁、球墨铸铁等材质所取代。但铸铁井盖具有回收价值而经常被盗,由此造成车毁人亡的事件时有发生。为了解决井盖被盗问题,目前主要采取两种方法:一是在铸铁井盖上安装防盗装置,但采用防盗装置增加了成本,却不能从根本上解决问题,且给使用带来诸多不便;还有一种有效的途径就是采用复合材料制作井盖,可以从根本上解决井盖被盗问题。
在2009年,国家便颁布了检查GB/T23858—2009,明确了复合材料井盖作为检查井盖的一种,并说明其特性:用聚合物作基体材料,加入增强材料、填充料等,通过一定的工艺复合而成的检查井盖。新的国标提升了井盖的荷载要求,与国际通行的EN124标准接轨。
玻璃钢复合材料井盖主要采用不饱和树脂为主要化工原料,将多种材料复合改性而成,成型后不但强度高,外表美观,而且电绝缘性能好,防水、耐老化、耐酸碱、强度高、抗冲击、耐磨、不怕日晒雨淋、抗静电、防盗等特点,是铸铁井盖理想的替代产品。
复合材料井盖有三大类,即钢纤维混凝土井盖、再生树脂复合材料井盖、纤维增强树脂基复合材料井盖。这三种井盖有一个共性:都不含或含少量金属,因而没有回收价值。

钢纤维混凝土井盖

钢纤维混凝土(SFRC)井盖是在原来钢筋混凝土井盖的基础上改进发展起来的。它是在混凝土中加入长度为10~20mm的钢纤维,由于大量细小的钢纤维均匀分散在混凝土中,钢纤维与混凝土的接触面很大,而且成不规则放射状分布,几乎在所有方向上都使混凝土得到增强,即具有各向同性的增强,大大改善了混凝土各项性能。
钢纤维混凝土井盖最明显的缺陷是重量大、开启困难,而且在使用过程中崩边现象比较严重。一般采用的改进措施是在井盖外边加金属框边,崩边现象有所改善。由于钢纤维混凝土井盖具有制造成本低廉、回收价值不大且防盗的优势,可以替代铸铁井盖在小区及绿化带中使用。

再生树脂复合材料井盖

再生树脂复合材料井盖是利用废旧塑料与煤粉灰在熔融状态下混炼、压制成型。这种井盖所用材料基本上是废物利用,原材料价格低廉。采用煤粉灰和废旧塑料生产的井盖,其抗压、抗弯、抗冲击强度等综合性能良好,经过各地的实际使用,受到了较好的评价,其质量达到或超过了同类铸铁产品的水平。但是再生树脂复合材料井盖在使用过程中,尤其是在气温较高的环境中,在车辆不断碾压下井盖会发生蠕变,致使井盖中间部位不断下沉,最后导致脱落。这样将会产生很大的安全隐患,一般只可以替代铸铁井盖在没有车辆通过、井盖受力要求不高的地方使用。

纤维增强树脂基复合材料井盖

纤维增强树脂基复合材料井盖即玻璃钢(FPR)井盖,它是以不饱和聚酯树脂为基体材料,以玻璃纤维为增强材料,并辅以一定填料制成的井盖。因工艺不同、结构不同、增强形式不同,制成的井盖产品性能也大相径庭。国内研制开发的玻璃钢井盖的工艺方法一般有树脂传递模塑成型(RTM)工艺。由于树脂含量较高,生产效率一般,不适宜规模化生产;手糊制作工艺。所制作的井盖因承载能力不够,仅适合于在绿化带使用,也无竞争优势;模压工。井盖是承载结构产品,FRP井盖最好采用模压工艺,产品结构比较致密。目前国内采用模压工艺制作井盖的企业较多,模压工艺一般均采用SMC模塑料,在一定温度和压力下压制成型。

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