减小500KV双回路直线塔钢材用量_secret

1、 PAGE 减小500kV双回路直线塔钢材用量成 果 报 告小组名称 ：输电线路QC小组河南省电力勘测设计院二九年二月 郑州 目 录1 小组概况2 选题理由3 现状调查4 设定目标5 分析原因6 确定要因7 制定对策8 实施对策9 检查效果10 巩固措施11 总结回顾与今后打算附件一：500kV双回路直线塔应用效果证明附件二：500kV双回路直线塔运行情况证明附件三：500kV双回路直线塔施工情况证明输电线路QC小组 减小500kV双回路直线塔钢材用量 PAGE - 23 -1 小组概况表1-1 小组简介小组名称输电线路QC小组课题名称减小500kV双回路直线塔钢材用量所属部门线路室辅导员组类

2、型攻关型课题编号2008K12注册编号2008-12成立日期2008年03月01日小组成员简介序号姓名性别年龄文化程度职务单 位组内分工男33本科组长设计院组长：组织活动及质量教育，主持方案研讨，制定对策。女23硕士副组长设计院副组长：协助组长组织活动，对策实施，成果总结等。男42本科主任设计院组员：审定方案和对策，组织协调，推进实施，检查效果。男34本科主任工程师设计院组员：制定对策及实施，效果检查。女43本科组员设计院组员：现状调查，参与方案研讨，对策实施。男36本科组员设计院组员：现状调查，参与方案研讨，对策实施。男28本科组员设计院组员：现状调查，方案研讨，对策实施。男25硕士组员设计

3、院组员：现状调查，方案研讨，对策实施，活动记录。备注：小组成员共8人，平均年龄33岁。其中，高工5人，工程师3人，文化程度均为大学本科及以上。活动情况活动起止日期2008年03月2008年12月活动次数11次接受QC教育时间52小时出勤率100%国网公司的要求国家电网公司决定开展输变电工程全寿命周期设计建设工作，以建设“资源节约型、环境友好型”输电线路为目标，以“新技术、新工艺、新材料”的采用为手段，建设“两型三新”输电线路。市场竞争需要我国电力设计市场逐步开放，大型输电线路普遍采用设计招投标制度，全国各设计单位都努力降低铁塔用钢量，以期获得线路的设计合同，在竞争中获胜。院对本部门要求目前，同

4、国内先进水平相比，我院500kV输电线路双回路直线塔用钢量偏大，我院要求线路室进行优化设计，降低双回路直线塔钢材用量，赶超国内先进水平。存在的问题双回路直线塔结构设计不够优化，铁塔主材强度较低，钢材用量普遍偏大。选择课题减小500kV双回路直线塔钢材用量2 选题理由小组成员选择我院常用塔型500kV双回路直线塔SZ1、SZ2进行调查。3 现状调查现状调查一 *电厂送出工程500kV双回路直线塔SZ1、SZ2与国内先进水平铁塔（国网输电线路通用设计）钢材用量比较 表3-1*电厂送出工程双回路直线塔塔重情况调查塔型呼程高m我院塔用钢量kg国内先进水平塔用钢量kg我院塔偏重值kgSZ1直线塔3024

5、624.924001.2622.73326096.425493.6602.83628382.827727.5655.33929524.728760.1763.64230897.030154.5742.5SZ2直线塔3330733.829946.6786.23632705.131961.9743.23934289.733493.5795.24236436.935663.7772.24537759.336960.6798.7 调查人： 制表人： 2008.03.16 同国内先进水平相比，我院设计的塔用钢量偏大0.7吨左右。结论一：现状调查二 降低输电铁塔钢材用量方法调查输电线路角钢铁塔由角钢（主材

6、、斜材、辅助材）、节点板、连接角钢、螺栓、挂线板、塔座板组成，有效降低以上构件的用量就能有效降低铁塔的重量。小组成员*查阅文献并结合工程实际经验及力学原理，分析总结了降低塔重的方法，主要有以下几个方面：优化结构布置；提高角钢钢材强度，采用高强钢；优化节点板及接头角钢；结论二： 通过调查总结出有效降低输电铁塔钢材用量的方法，其中“采用高强钢”值得重点关注。现状调查三 输电塔中使用高强钢的理论比较分析表3-2 跨越直线塔KYZX1采用普通钢材与采用高强钢塔重比较Q345（kg）Q460（kg）塔身塔腿主材35250.73325353.663过渡段3436.0373025.933横担主材2242.7

7、402993.251三项合计40929.51031372.847 减少用钢量9556.663 备注：塔高101m，分析程序为TTA。内容摘自刘丽敏，高强钢在特高压输电塔中的应用，同济大学硕士学位论文。 调查人： 制表人： 2008.03.22位置钢材 采用高强钢后，KYZX1塔的塔身塔腿、过渡段及横担主材重量可减少约9吨，同理推算40米高的输电铁塔在同一部分采用Q460高强钢后可减少钢材约3吨。结论三：现状调查四 高强角钢制造能力及制造标准调查小组成员*运对国内塔厂高强钢生产能力以及现行钢铁制造标准进行调查：随着我国冶金工业的不断发展，高强度钢材的生产已不再困难，其制造质量提高较快且日趋稳定，

8、这在一定程度上使输电线路铁塔采用高强度钢材成为可能。唐山钢铁公司、唐山粤丰钢铁公司具有Q460角钢的生产能力。2、为了解决我国无更高强度角钢制造标准的问题，冶金工业信息标准研究院联合有关单位制定了中华人民共和国冶金行业标准铁塔用热轧角钢YB/T4163-2007,已于2007年9月1日正式实施，把我国热轧角钢的屈服强度扩大到Q460,为Q460角钢的制造和工程应用提供了依据。 我国已经具备生产高强钢材的条件，并且制定实施配套的标准性文件。结论四：现状调查五 “Q460高强钢在输电铁塔中的应用研究”科研课题“Q460高强钢在输电铁塔中的应用研究”是国家电网公司的科研课题之一，由设计院和中国电力科

9、学研究院共同承担相关研究工作。其主要科研内容见表3-3。 表3-3 “Q460高强钢在输电铁塔中的应用研究”课题科研内容编号试验名称试验地点试验时间1真型塔试验中国电力科学研究院2007.082Q460高强钢铁塔焊接和热加工研究中国电力科学研究院2007.01-2008.043Q460高强钢轴心压杆试验西安建筑科技大学2007.10-2008.044Q460高强等边单角钢两端偏心受压构件试验西安建筑科技大学2008.03-2008.045Q460高强等边单角钢一端偏心受压构件试验西安建筑科技大学2008.046Q460高强等边单角钢子结构试验西安建筑科技大学2008.047Q460高强角钢螺孔

10、及螺杆的极限强度试验西安建筑科技大学2008.048Q460高强钢接头强度试验西安建筑科技大学2008.04备注：以上试验均为我院承接国网公司项目“Q460高强钢在输电铁塔中的应用研究”的内容。 制表人：王经运 2008.04.02 a) 顺利通过60大风115%超载 b) 60大风超载试验破坏瞬间图3-1 真型塔试验60大风工况 a) 头部、身部照片 b) 腿部照片图3-2真型塔试验Q460铁塔破坏后部分试验照片试验得出Q460高强等边角钢的基本使用原则：对于只承受拉力的角钢，采用高强钢有突出优势，推荐使用的Q460高强钢最小规格肢宽为80mm，只要拉杆的肢宽不小于80mm，应积极采用Q46

11、0角钢，且此时不再受其宽厚比的限制；受压控制的Q460角钢，其长细比的适用范围为080。非常重要 “Q460高强钢在输电铁塔中的应用研究”课题成功进行为工程实际中使用Q460高强钢提供重要的技术支持及宝贵的实验数据，使输电铁塔中应用高强钢成为可能。结论五：4 设定目标4.1 目标依据目标依据现状调查及研究结论遵循21世纪示范输电工程指导思想，设计节约钢材和投资的线路架空输电线路杆塔设计技术规定“Q460高强钢在输电铁塔中的应用研究”科研课题的成功进行 4.2 目标值从现状调查中可见:我院设计的塔比国内先进水平重约0.7吨（现状调查一），采用Q460高强钢可降低塔重3吨左右（现状调查三），小组成

12、员讨论后一致认为通过优化设计还可以降低塔重1吨左右，由此得出本次活动的目标。500kV双回路直线塔单基重量降低45吨，各塔型钢材用量平均减少15%左右。目标降低15%图4-1钢材用量百分比现状值及目标值4.3 目标的可行性分析表 4-1 目标的可行性分析目标的可行性分析人力领导重视，由线路室主任挂帅；抽调专业技术骨干和经验丰富的设计人员组成本小组；物力有专门的铁塔结构计算软件TTA和铁塔制图软件STW，计算和制图手段较强；我国冶金工业的不断发展，高强度钢材的生产已不再困难，其制造质量提高较快且日趋稳定。技术有丰富的500kV线路铁塔设计经验；精通铁塔结构的计算理论和设计、制图规范；进行充分的科

13、研论证，即科研项目“Q460高强钢在输电铁塔中的应用研究”的成功进行；高强度角钢制造标准铁塔用热轧角钢（YB/T 4163-2007）的实施。精神齐心协力、开拓创新、勇攻难关。制表人：* 2008.4.125 分析原因 双回路直线塔偏重因果分析树图 制图：郭咏华 2008.04.20 要因在现状调查的基础上，小组成员根据双回路直线塔的特点，通过多次讨论，从“人员”、“软件”、“材料”、“设计”和“资料”等5个方面进行了原因分析，绘制了如下因果分析树图：设计队伍太年轻同类型设计项目经验较少设计软件缺少一些计算模块铁塔主材选材强度较低采用的连接螺栓强度等级低学习不够参考资料少结构布置不优化对铁塔的

14、优化设计理论、方法掌握有限设计人员经验指数偏低可借鉴的铁塔优化资料不多铁塔主材截面大或复杂现有设计软件功能不够完善主材接头螺栓数量多设计方案不佳资料设计材料软件人员500kV双回路直线塔钢材用量偏大6 确定主要原因小组成员对因果分析树图中的7个末端因素逐条进行分析讨论，结果见表6-1。表6-1 要因分析 序号末 端 因 素分 析 论 证是否要因1学习不够铁塔的优化设计需要专业的优化理论知识指导，可以通过向院内外的专家学习请教可较快掌握，不是要因。否2设计队伍太年轻同类型设计项目经验较少通过向老同志学习间接设计经验，亲自进行设计实践，加强经验积累，可获得设计经验，不是要因。否3设计软件缺少一些计

15、算模块结构优化设计的计算量特别大，现行铁塔计算软件（自立式铁塔内力分析软件TTA IGT2.0版）只能计算占铁塔总角钢数量40%左右的受力材，不能计算占总角钢数量60%的辅助材，手算一个塔型一种布置方案的全部辅助材需要约72小时，现行铁塔制图软件不能计算制图控制尺寸，手算一个塔型的控制尺寸需要约56小时，花费大量时间，受设计工期的制约，无法进行更多方案的比选。是要因。是4采用的连接螺栓强度等级低对受力大的连接接头，可采用强度等级高的螺栓，以减小螺栓用量和接头尺寸。目前，高强度等级的螺栓较易采购，该问题不难解决，不是要因。否5结构布置不优化塔身变坡数量、塔身坡度、塔身开口、主材分段、斜材坡度、辅

16、材布置等不优化、节点板及接头角钢的节点处理方法的好坏直接显著地影响塔重，是要因。是6铁塔主材选材强度较低钢材强度直接影响构件的承载力，特别是受拉构件和构件长细比小于80的受压构件，这种影响是巨大的，是要因。是7参考资料少尽量收集铁塔优化设计资料，通过行业技术信息网和国际互联网可查询有关资料，到兄弟单位也能借阅相关资料，该问题容易解决，不是要因。否确定要因制表 2008.04.20设计软件缺少一些计算模块；结构布置不优化；铁塔主材选材强度较低。7 制定对策根据找出的主要原因，我们制定了相应的对策与措施：表7-1 制定对策 序号要 因对策WHAT目标WHY措施HOW负责人WHO地点WHERE时间W

17、HEN1设计软件缺少一些计算模块针对手算工作量大的计算项目编制补充程序提高计算效率1、编写铁塔辅材计算程序；2、编写铁塔制图控制尺寸计算程序。设计院2008.45月2结构布置不优化优化结构布置，进行节点和接头的紧凑设计寻求最优结构布置1、优化塔身开口、坡度；2、优化主材分段；3、优化斜材坡度；4、优化辅助材布置。5、斜材交主材外皮，取消或减小节点板；6、主角钢接头采用双剪连接，减小接头角钢长度。设计院2008.58月3铁塔主材选材强度较低塔身主材采用Q460高强钢提高塔身主材单个构件的承载能力研究Q460角钢的力学性能，确定构件有效提高承载力的长细比范围及截面型式；应用高强钢研究成果，并进行合

18、理的节间优化。设计院2008.35月制表： 2008.04.208 实施对策小组全体成员按照对策表的要求，分工合作，共同攻关，克服困难，落实每一项措施。8.1 实施对策一补充缺少的计算模块开始交互式指定辅助材类型自动绘制辅助材单线图交互式输入辅助材内力及类型参数交互式选择单线图中同类辅助材程序自动完成辅助材优化计算及单线图绘制辅助材计算程序由郭咏华编制（程序思路见图8-1），采用lisp语言，负责测试。（二）铁塔制图控制尺寸计算程序也由编制，采用lisp语言，负责测试。图8-1 辅助材设计计算程序流程图实施效果 使用辅助材计算程序进行SZ1及SZ2塔型辅助材优化计算和绘图，只需要2小时左右，使

19、用铁塔制图控制尺寸计算软件计算SZ1及SZ2塔型的制图控制尺寸，需要约2小时，效率显著提高（见图8-2）。为在有限的时间内进行多方案比选、有效减低铁塔用钢量提供有利支持。效率显著提高256722图8-2 活动前后计算时间对比 8.2 实施对策二优化结构布置铁塔的结构优化是一项繁杂的工作，牵涉面广，计算量大，包括优化塔身开口、坡度、主材分段、斜材坡度、辅助材布置、进行节点和接头的紧凑设计。小组安排李本良、赵金丽、张晓辉、邓锦辉、王经运具体实施。8.2.1 优化塔身开口、坡度在综合考虑电气间隙、受力、变形、安全和经济的基础上，小组成员李本良分别对上中下三段塔身开口进行了多方案的电算比较，找出了最优

20、坡度，见图8-5。小组成员深入研究，找到优化主材分段方法。8.2.2 优化主材分段对于受压控制杆件：压杆由强度和稳定同时控制其承载力，计算出各规格角钢的净面积，由该面积用强度公式求最大抗力，并以此力用稳定公式反推对应的最大计算长度，此长度就是理论上的经济计算长度。用此长度及其稍大值作为节间长度拟定的参考和依据。计算受压控制杆件理论上的经济长度流程：已知构件净面积An,通过轴心受压强度计算公式8-1可计算出轴心拉力或轴心压力设计值N； N/Anmf （8-1）其中 N 轴心拉力或轴心压力设计值； m 构件强度折减系数； An构件净截面面积； f 钢材的强度设计值。2）通过轴心受压构件的稳定计算公

21、式8-2计算出稳定系数；N/(A) mNf （8-2）其中 铁塔轴心受压构件稳定系数； A 构件毛截面面积； mN压杆稳定强度折减系数；3）由值查表得出构件长细比K；4）由公式8-3计算出长度L0。K=KL0/r （8-3）对于受拉控制的杆件：在规定的范围内尽量加大节间长度，减少辅助材耗量，同时减少了挡风面积，降低了塔身风压，改善了受力。 由于主材内力较大，为保证铁塔整体刚度，塔身采用方形断面，主材按最小轴布置。我院及兄弟院设计的同类承力塔的统计资料表明：塔身按最小轴布置时，主材节长一般为1.5m2.0m，基本接近经济长度。针对下段塔身，为了达到较好的优化效果，结合斜材布置对主材节长以0.12

22、5m步长从1.5m2.0m进行了多方案计算对比，设计出了较好的方案，见图8-3。主材节间变短，降低规格，斜材坡度变缓，降低规格，辅助材规格减小，总体上，活动后单位长度钢材降低。实施效果 a)活动前主材分段 b) 活动后主材分段图8-3 活动前后塔身主材分段对比8.2.3 优化斜材坡度组员*对塔身斜材的坡度进行的多方案的优化比较，见表8-1。表8-1斜材布置方案斜材布置方案小交叉大交叉辅助材较少，节点板数量多厚度小，斜材力臂大规格小但总长度大。制表：邓锦辉 2008.05.26 结构简单，传力路径简捷，主材因斜材交点上移、控制弯矩减小而减小了受力,降低规格。斜材总长小但力臂小规格大，辅助材用量也

23、较大。实施效果针对本工程具体情况，通过电算对比找出经济的斜材坡度，见图8-5。8.2.4 优化辅助材布置优化辅助材考虑因素1）计算长度；2）分段；3）有无倒“V”结构（见图8-4）；4）侧向支撑。实施效果 a) 活动前 b)活动后图8-4 活动前后下部横担与塔身连接对比小组成员赵金丽基于以上4方面考虑进行了方案对比和优选，找出了最优布置（见图8-5），有效减少塔身辅助材的用量（见图8-4）。主材节间减小，规格降低，节约钢材。取消竖杆，增加倒V结构，传力路径更加明确，有效减少横隔面辅助材用量。8.2.5进行节点和接头的紧凑设计小组成员认真分析斜材同主材的连接方式，确定出受力合理且最节省钢材的方案

24、，具体见表8-2。表8-2斜材同主材的连接方式斜材同主材的连接方式传统做法本次做法斜材准线交主材准线，斜材连钢板，钢板连主材，斜材和主材不搭接，连接钢板尺寸大。斜材准线交主材外皮，斜材直接连接到主材上，斜材和主材搭接，取消（当连接螺栓为23个时）或减小节点板（当连接螺栓为4个及以上时）。 制表：周旸 2008.05.26小组成员运研究两种主角钢的接头形式，分析两种不同形式的优劣，找出针对本结构最优的设计，具体见表8-3。表8-3 主角钢的接头形式主角钢的接头形式单剪双剪（本次做法）接头角钢长，接头偏重。接头角钢长度小，接头重量轻。成功进行节点和接头的紧凑设计，有效减少节点板、螺栓和接头角钢用量

25、。实施效果制表：周旸 2008.05.26平均每基塔降低钢材重量3386.7kg， 降低比例10.8%，具体数值见表8-4。对策1、2实施效果非常好！ 表8-4对策1、2实施前后双回路直线塔重量对比塔型呼称高活动前塔重活动后塔重对策1、2减少重量比例kgkgkgkg%SZ1302462419567274211.1332609620852279110.736279252280824778.8392952423610310910.542308972527526718.6SZ2333073323871391212.7363270525930361911.0393428927036392811.542

26、3643628526435811.9453775929799426011.7平均31098.824727.43386.710.8制表： 2008.05.268.3 实施对策三塔身主材采用高强度钢材小组成员全程参与Q460高强钢课题的试验研究，熟悉高强角钢的力学特性及使用条件，确定出本工程使用高强钢的依据。表8-5对策3实施前后双回路直线塔重量对比塔型呼称高活动前塔重铁塔中Q460钢材重量活动后塔重对策3减少重量比例%kgkgkgkgkg%SZ1302462450641956723159.4332609654732085224539.5362792559672280826399.53929524

27、63792361028059.6423089768442527529519.6SZ2333073358732387129509.7363270562862593031569.7393428966982703633269.8423643671642852635529.8453775975772979937009.4平均31098.86332.524727.42984.79.6制表： 2008.05.26 SZ1、SZ2塔身主材是受压控制，其长细比为080，依据高强钢力学性能及使用原则 “受压控制的Q460角钢，其长细比的适用范围为080”，决定这次塔身主材使用Q460高强钢。SZ1、SZ2两种塔

28、型的塔身主材采用Q460高强钢，其他部分仍沿用传统的选材方法。设计中成功使用高强钢材，提高了设计水准，降低钢材用量，具体数值见表8-5。实施效果平均每基塔降低钢材重量2984.7kg， 降低比例9.6%，具体数值见表8-5。对策3实施效果非常好！坡度、开口优化，受力更加合理，节约钢材用量。主材节间变短，降低规格，斜材坡度变缓，降低规格，辅助材规格减小，总体上，活动后单位长度钢材用量降低。取消竖杆，增加倒V结构，传力路径更加明确，有效减少横隔面辅助材用量。主材节间减小，规格降低，节约钢材。a） SZ1直线塔活动前单线图 b） SZ1直线塔活动后单线图坡度、开口优化，受力更加合理，节约钢材用量。主

29、材节间变短，降低规格，斜材坡度变缓，降低规格，辅助材规格减小，总体上，活动后单位长度钢材用量降低。取消竖杆，增加倒V结构，传力路径更加明确，有效减少横隔面辅助材用量。主材节间减小，规格降低，节约钢材。c） SZ2直线塔活动前单线图 d） SZ2直线塔活动后单线图图8-5 活动前后铁塔单线图对比9 检查效果经过本小组全体成员的不懈努力，不仅找出了500kV双回路直线塔偏重的症结所在，而且用短短几个月时间集中精力攻关，圆满完成了每项措施，达到制定的总目标和目标值，取得了良好的效果。9.1 小组活动前后双回路直线塔重量的比较表9-1活动前后双回路直线塔重量对比塔型呼称高活动前塔重铁塔中Q460钢材重

30、量活动后塔重总计减少重量比例kgkgkgkgkg%SZ13024624506419567505720.53326096547320852524420.13627925596722808511618.33929524637923610591420.04230897684425275562218.2SZ23330733587323871686222.33632705628625930677520.73934289669827036725421.24236436716428526791021.74537759757729799796021.1平均31098.86332.524727.46371.42

31、0.4制表：王经运 2008.09.25图9-1活动前后双回路直线塔钢材用量百分比100%85%79.6%由表9-1、图9-1可以看出，经过小组活动，各适用条件的双回路直线塔单基重量降低达到6.4吨左右，各塔型钢材用量平均减少20.4%，达到并超过了设定的目标值(见表9-1)。其中通过优化结构节约钢材约3.4吨，即减少总重量的10.8%（见表8-4）；采用高强钢节约钢材约3吨，即减少总重量的9.6%(见表8-5)。 9.2 直接经济效益小组活动后的成果已应用于我院新设计的平顶山洛南、华豫电厂信阳变、禹州电厂许昌变等一批500kV线路工程，节约了大量钢材（见表9-2），取得了显著的经济效益。从表

32、9-2可知： 3个工程中采用小组活动后的塔型，比采用典型设计共节约钢材1620吨（其中通过优化结构节约钢材856吨，采用高强钢节约钢材764吨）；材料、加工、运输、安装等综合费用节省共计人民币1522万元（其中通过优化结构节省钢材1086万元，采用高强钢节省钢材436万元）。表9-2活动前后双回路直线塔经济参数对比塔型呼称高工程使用数量每基节省钢材一基节约成本对策1、2节省对策3节省总计节省钢材成本钢材成本钢材成本m基基基kg万元kg万元kg万元kg万元S82738 3.5 2319 1.3 5057 4.8336520352444.9244511 309.0 216

33、961 122.2 461472 431.2361614451164.883650 112.6 90304 50.6 173954 163.239156559145.580343 101.9 73424 41.1 153767 1434256356225.237192 49.6 41517 23.2 78709 72.8SZ23350068626.519464 23.9 14848 8.6 34312 32.53697367756.468405 86.8 60320 34.8 128725 121.6391610272546.9109695 139.3 93408 53.9 203104 19

34、3.242145479107.599768 125.2 82162 47.3 181930 172.545810779607.5110343 134.1 88652 53.4 198995 187.5合计856109 1086 763915 436.4 16200241522备注：表中500kV线路为平顶山洛南，为华豫电厂信阳变，禹州电厂许昌变。制表：王经运 2008.10.109.3 间接经济效益根据国家和河南省电网发展规划，500kV输电线路建设项目会越来越多，随着新项目的不断开工建设，优化后的双回路直线塔也会得到更加广泛的应用，必将节省更多的钢材，为国家创造更大的经济效益，节省更多的工程投资。按目前全国电网建设年需要采购180万吨铁塔、每吨铁塔综合造价（含材料、加工和安装等之后的总费用）1万元计算，优化后的线路每年可以节省钢材约3040万吨，降低造价2432亿元。单独从铁塔成功采用Q460高强钢的角度考虑，采用Q460铁塔可比Q345铁塔每年节省塔材1020万吨，降低造价816亿元。500kV双回路直线塔的优化设计的成功将对我院的拓宽设计思路、提高设计水平、积累设计经验和占领电力设计市场等多项工作起到积极的推动作用。9.4 环境和社会效益应用优化后的塔型，塔重降低，可以减小基础作用力，降低基础材料用量及造价，减少基础开方量，减少水土流