陳大斌，齊立忠，李晉，趙慶斌

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市，100052)

0 引言

當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)健發(fā)展，能源和電力需求持續(xù)增長。但是，由于我國能源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展地域不均衡，煤電開發(fā)主要集中在晉陜蒙寧新這5個(gè)省區(qū)，風(fēng)電主要分布在甘肅、新疆、內(nèi)蒙等地區(qū)，水電開發(fā)主要集中在四川、云南及西藏地區(qū)。負(fù)荷中心主要集中在中東部地區(qū)，能源基地到負(fù)荷中心的送電距離在800～3 000 km之間［1］。為滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源的需求，“十二五”期間電網(wǎng)建設(shè)的任務(wù)仍然繁重。

為了適應(yīng)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”電網(wǎng)建設(shè)方針，電網(wǎng)建設(shè)逐步向多回路、特高壓［2］方向發(fā)展，輸電線路的結(jié)構(gòu)荷載越來越大，對于桿塔用角鋼構(gòu)件，我國目前常規(guī)角鋼庫的單角鋼承載力已無法滿足結(jié)構(gòu)選材的需要，采用組合截面構(gòu)件或鋼管構(gòu)件成為必然選擇。組合角鋼節(jié)點(diǎn)及填板構(gòu)造復(fù)雜，加工組裝難度大，發(fā)展更大規(guī)格的角鋼，減少組合角鋼的使用，能簡化鐵塔構(gòu)造、方便加工、降低塔重。

2009年4月1日新頒布的GB/T 706—2008《熱軋角鋼》增加了220×220和250×250這2種規(guī)格角鋼［3］，由于國內(nèi)外無穩(wěn)定市場，市場供貨量極少。國家電網(wǎng)公司在錦屏—蘇南±800 kV特高壓直流輸電線路工程［4］中首次成功試用了這2種大規(guī)格的角鋼，代替普通雙拼和四拼組合角鋼，簡化了鐵塔構(gòu)造，降低了鐵塔耗鋼指標(biāo)，為后續(xù)工程推廣應(yīng)用大規(guī)格角鋼積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。由于大規(guī)格角鋼目前處于應(yīng)用推廣期，生產(chǎn)廠商生產(chǎn)設(shè)備不配套、工藝不成熟、質(zhì)量不穩(wěn)定、殘次品率高、成本高、供貨能力不足。同時(shí)，由于市場需求發(fā)展空間預(yù)期不明確，影響了供貨廠商改造設(shè)備、提升加工能力的積極性。本文將依據(jù)國家“十二五”電網(wǎng)規(guī)劃，提出全面應(yīng)用大規(guī)格角鋼的需求量及其經(jīng)濟(jì)性分析，明確市場預(yù)期。

1 大規(guī)格角鋼在電網(wǎng)工程中應(yīng)用可行性及范圍分析

1.1 大規(guī)格角鋼替代組合角鋼技術(shù)可行性分析

1.1.1 大規(guī)格角鋼與組合角鋼的承載能力

普通規(guī)格［5］雙組合十字角鋼2L160×10～2L200×24截面面積范圍為63～181 cm2，最小軸回轉(zhuǎn)半徑的范圍為6.27～7.64 cm;大規(guī)格單角鋼L220×16～L250×35的截面面積范圍為69～163 cm2，最小軸回轉(zhuǎn)半徑的范圍為4.37～4.86 cm。

普通規(guī)格四組合十字角鋼4L160×14～4L200×24的截面面積的范圍為173～362 cm2，最小軸回轉(zhuǎn)半徑的范圍為6.62～8.41 cm;大規(guī)格雙組合角鋼2L220×16～2L250×35的截面面積范圍為137～327 cm2，最小軸回轉(zhuǎn)半徑的范圍為8.59～9.46 cm。

以上截面數(shù)據(jù)表明:

(1)從構(gòu)件強(qiáng)度承載力［6］考慮，大規(guī)格單角鋼能夠替代絕大多數(shù)普通規(guī)格雙組合十字角鋼;大規(guī)格雙組合角鋼能夠替代絕大多數(shù)四組合角鋼。

(2)從構(gòu)件受壓穩(wěn)定性能［6-7］考慮，由于大規(guī)格單角鋼回轉(zhuǎn)半徑較雙組合普通角鋼小，其臨界計(jì)算長度較雙組合普通角鋼小，大規(guī)格單角鋼替代雙組合普通十字角鋼時(shí)，需要減少節(jié)間長度來發(fā)揮大規(guī)格單角鋼承載能力;由于大規(guī)格雙組合角鋼比普通規(guī)格四組合角鋼的回轉(zhuǎn)半徑大，其臨界計(jì)算長度較四組合普通角鋼小，大規(guī)格雙組合角鋼替代四組合普通角鋼時(shí)，可以增大節(jié)間長度、減少輔助材。

常用Q420強(qiáng)度等級的普通規(guī)格雙組合角鋼與大規(guī)格單角鋼以及普通規(guī)格四組合角鋼與大規(guī)格雙組合角鋼的承載力值［7-8］見表1～2。由表1～2可見，大規(guī)格單角鋼可替代絕大部分普通規(guī)格雙組合角鋼，大規(guī)格雙組合角鋼可替代絕大部分普通規(guī)格四組合角鋼。

1.1.2 大規(guī)格角鋼替代組合角鋼對塔重的影響

以大規(guī)格單角鋼替代普通規(guī)格雙組合角鋼，能夠降低塔身風(fēng)載斷面形狀系數(shù)K值［8］，從而有效減少塔身風(fēng)荷載，降低鐵塔主材內(nèi)力;同時(shí)采用單角鋼后取消組合填板，簡化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。實(shí)例分析計(jì)算表明，大規(guī)格單角鋼與普通規(guī)格雙角鋼相比，能夠節(jié)約塔材2% ～5%。

以大規(guī)格雙組合角鋼替代普通規(guī)格四組合角鋼，能夠增加主材節(jié)間尺寸，減少輔助材數(shù)量;同時(shí)采用雙組合角鋼后，能夠較大幅度減少填板厚度及數(shù)量，簡化接頭構(gòu)造，降低板的焊接量及加工損耗，降低鐵塔的加工及安裝難度。實(shí)例分析計(jì)算表明，大規(guī)格雙組合角鋼與普通規(guī)格四組合角鋼相比，能夠降低塔的質(zhì)量3%～6%。

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1.2 大規(guī)格角鋼應(yīng)用范圍

鐵塔主材用到雙拼或四拼角鋼時(shí)，可以用大規(guī)格角鋼來替代。不同電壓等級、架設(shè)方式、氣象條件的線路鐵塔荷載等級相差較大，應(yīng)用大規(guī)格角鋼的范圍有較大不同。

根據(jù)已有工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，各種電壓等級線路可能出現(xiàn)雙拼或四拼角鋼的塔型見表3，大規(guī)格角鋼主要應(yīng)用在500、750 kV雙回交流線路工程、特高壓直流和交流線路工程。

表3 大規(guī)格角鋼應(yīng)用塔型范圍Tab.3 Application of large-size angle steel in different tower types

2 電網(wǎng)工程應(yīng)用大規(guī)格角鋼數(shù)量預(yù)測

2.1 影響因素

從近年來電網(wǎng)建設(shè)過程中新技術(shù)、新材料推廣應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)來看，未來應(yīng)用大規(guī)格角鋼數(shù)量多少的主要因素是鋼材加工質(zhì)量、供貨價(jià)格以及供需雙方對市場的培育投入。

(1)鋼材加工質(zhì)量。鋼材加工質(zhì)量能否滿足設(shè)計(jì)對鋼材性能要求是未來大規(guī)格角鋼推廣應(yīng)用的決定性因素。大規(guī)格角鋼在鐵塔中全部使用在主材［4］，其質(zhì)量是否合格直接影響電網(wǎng)安全，投入工程應(yīng)用的大規(guī)格角鋼必須100%滿足設(shè)計(jì)對鋼材質(zhì)量要求。鋼材加工質(zhì)量穩(wěn)步提高，一方面有利于降低工程項(xiàng)目業(yè)主的建設(shè)管理成本，減小工程安全風(fēng)險(xiǎn)，增加業(yè)主選用大規(guī)格角鋼的積極性;另一方面有利于生產(chǎn)商減少殘次品率、降低生產(chǎn)成本、增加擴(kuò)大產(chǎn)能的積極性。

因此，生產(chǎn)商在初期加大設(shè)備和技術(shù)投入、盡快穩(wěn)定加工質(zhì)量，是未來大規(guī)格角鋼大規(guī)模推廣應(yīng)用的前提條件。

(2)供貨價(jià)格。經(jīng)濟(jì)性是新材料是否具有市場生命力重要因素。使用者通過選用新材料提升建設(shè)項(xiàng)目科技含量、降低項(xiàng)目投資;生產(chǎn)商通過開發(fā)新材料提高市場競爭力，增加企業(yè)盈利。

在大規(guī)格角鋼應(yīng)用初期，由于需求規(guī)模小，生產(chǎn)成本高，供貨價(jià)格相對較高，供需雙方均需弱化經(jīng)濟(jì)效益追求，重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量。但隨著推廣范圍擴(kuò)大，供貨商應(yīng)努力降低生產(chǎn)環(huán)節(jié)成本、合理定價(jià)，為產(chǎn)品大規(guī)模應(yīng)用奠定經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。

(3)市場培育。新材料的大規(guī)模應(yīng)用一般要經(jīng)歷培育期、成長期和成熟期。一般在培育期生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備不配套、生產(chǎn)工藝不成熟、質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)成本壓力大、市場風(fēng)險(xiǎn)較高、產(chǎn)品定價(jià)較高;材料需求方則承受較大工程安全風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本壓力。從國民經(jīng)濟(jì)角度，為提升加工制造水平和工程建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)先進(jìn)性、培育新材料，供需雙方應(yīng)主動(dòng)承擔(dān)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、安全風(fēng)險(xiǎn)和成本壓力;材料使用方應(yīng)加強(qiáng)針對新材料的科研投入，解決技術(shù)環(huán)節(jié)應(yīng)用新材料的障礙，材料供方應(yīng)積極改造生產(chǎn)設(shè)備、改進(jìn)工藝、提高質(zhì)量，使材料應(yīng)用盡快進(jìn)入成長期。進(jìn)入成長期，成品質(zhì)量趨于穩(wěn)定，設(shè)計(jì)技術(shù)理論基本成熟，供需雙方安全風(fēng)險(xiǎn)和成本壓力減輕;供方應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)流程、減小質(zhì)量偏差、降低生產(chǎn)成本，材料使用方應(yīng)加強(qiáng)采購控制，加強(qiáng)設(shè)計(jì)質(zhì)量控制，以共同培育供需市場環(huán)境。新材料使用進(jìn)入成熟期，成品質(zhì)量穩(wěn)定，設(shè)備和研發(fā)費(fèi)用降低，供需雙方均有合理的利潤空間。

目前，大規(guī)格角鋼的使用處于市場培育期。國家電網(wǎng)公司在錦蘇±800 kV直流線路工程［3］投入較大科研資源，解決了大規(guī)格角鋼工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)新材料的首次成功應(yīng)用，為市場培育做出巨大努力;供貨廠家粵豐鋼鐵公司承受了較大成本壓力和供貨壓力，實(shí)現(xiàn)了首批產(chǎn)品順利供貨。

為順利推廣應(yīng)用新材料，國家電網(wǎng)公司將繼續(xù)加大科研投入，增加推廣應(yīng)用范圍，供貨廠商也應(yīng)積極改造設(shè)備、改進(jìn)工藝、控制質(zhì)量、增加產(chǎn)能，通過供需雙方的共同努力，培育市場，縮短培育期和成長期，盡早進(jìn)入產(chǎn)品成熟期，實(shí)現(xiàn)“十二五”期間電網(wǎng)工程大規(guī)模應(yīng)用大規(guī)格角鋼的目的。

2.2 數(shù)量預(yù)測

基于以上影響因素分析，未來5年內(nèi)大規(guī)格應(yīng)用數(shù)量取決于產(chǎn)品質(zhì)量提升情況、供貨定價(jià)以及市場參與者對新產(chǎn)品的培育情況。為客觀預(yù)計(jì)應(yīng)用數(shù)量，通過調(diào)研分析未來市場情況，擬定3種預(yù)測條件。

(1)保守預(yù)測條件:生產(chǎn)供應(yīng)商逐步改造生產(chǎn)設(shè)備、改進(jìn)工藝，在2013年上半年產(chǎn)品質(zhì)量基本穩(wěn)定，2013年底前生產(chǎn)工藝成熟、質(zhì)量穩(wěn)定，初期定價(jià)較高，后期定價(jià)趨于合理;國家電網(wǎng)公司加大科研投入，在大部分特高壓交直流線路工程推廣應(yīng)用大規(guī)格角鋼;設(shè)計(jì)人員采用新材料積極性一般。

(2)期望預(yù)測條件:生產(chǎn)供應(yīng)商改造生產(chǎn)設(shè)備、改進(jìn)工藝，在2012年上半年產(chǎn)品質(zhì)量基本穩(wěn)定，2012年底生產(chǎn)工藝成熟、質(zhì)量穩(wěn)定，定價(jià)基本合理;國家電網(wǎng)公司加大科研投入，在750 kV及以上線路工程推廣應(yīng)用大規(guī)格角鋼;設(shè)計(jì)人員采用新材料積極性較高。

(3)樂觀預(yù)測條件:生產(chǎn)供應(yīng)商積極改造生產(chǎn)設(shè)備、改進(jìn)工藝，在2011年底前產(chǎn)品質(zhì)量基本穩(wěn)定，2012年上半年生產(chǎn)工藝成熟、質(zhì)量穩(wěn)定，定價(jià)合理;國家電網(wǎng)公司加大科研投入，在各級電壓等級大范圍推廣應(yīng)用大規(guī)格角鋼;設(shè)計(jì)人員采用新材料積極性很高。

依據(jù)“十二五”電網(wǎng)規(guī)劃總體建設(shè)規(guī)模，結(jié)合預(yù)測前提條件，估算未來5年規(guī)模推廣應(yīng)用大規(guī)格角鋼數(shù)量，保守預(yù)計(jì)數(shù)量為90萬 t左右，期望數(shù)量為110萬t左右，樂觀預(yù)計(jì)數(shù)量為130萬t左右。

3 電網(wǎng)工程應(yīng)用大規(guī)格角鋼經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益

3.1 大規(guī)格角鋼鐵塔經(jīng)濟(jì)性分析

3.1.1 大規(guī)格角鋼供貨價(jià)格對鐵塔經(jīng)濟(jì)性的敏感性分析

由于鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)構(gòu)件計(jì)算長度一般接近臨界長度，主材接近強(qiáng)度控制，不論單根大規(guī)格角鋼代替雙組合角鋼還是雙組合大規(guī)格角鋼代替四組合普通角鋼，主材截面積均較為接近，因此替代后主材質(zhì)量變化幅度較小，塔重的減小主要體現(xiàn)在螺栓、接頭、連接板及墊板材料量的變化。下面據(jù)此推導(dǎo)角鋼供貨價(jià)格對鐵塔經(jīng)濟(jì)性的敏感點(diǎn)。

設(shè)普通角鋼鐵塔質(zhì)量為

式中:G1為主材無雙或四組合部分塔段質(zhì)量;G2為主材雙或四組合部分塔段質(zhì)量中主材質(zhì)量;G3為主材雙或四組合部分塔段質(zhì)量中除主材之外構(gòu)件質(zhì)量。

則大規(guī)格角鋼替代后鐵塔質(zhì)量為

式中:γg為替代部分塔段質(zhì)量減輕比例。

大規(guī)格角鋼供貨價(jià)格對鐵塔經(jīng)濟(jì)性的敏感點(diǎn)設(shè)置為替代前后鐵塔造價(jià)相同。

此時(shí)大規(guī)格角鋼供貨價(jià)格較普通角鋼價(jià)格增加的比例為

按照錦蘇±800 kV直流線路工程ZC27105B塔、JC1塔、JC5塔的施工圖設(shè)計(jì)情況以及溪洛渡—浙西工程初步設(shè)計(jì)計(jì)算統(tǒng)計(jì)情況，使用大規(guī)格角鋼后，整塔塔重降低比例一般為2% ～5%，替代部分塔段的質(zhì)量減輕比例γg一般為3.5% ～7%。令

根據(jù)已有鐵塔設(shè)計(jì)圖紙統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知γF=1.5～2.1，則γP=9% ～22%。

按照平均值作為敏感點(diǎn)期望值，大規(guī)格角鋼供貨價(jià)格對鐵塔經(jīng)濟(jì)性的敏感點(diǎn)為16%。也就是說，大規(guī)格角鋼供貨價(jià)格較普通角鋼價(jià)格增幅在16%以內(nèi)，大規(guī)格角鋼鐵塔經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于普通組合角鋼塔;大規(guī)格角鋼供貨價(jià)格較普通角鋼價(jià)格增幅大于16%，大規(guī)格角鋼鐵塔造價(jià)高于普通組合角鋼塔。

3.1.2 推廣應(yīng)用大規(guī)格角鋼經(jīng)濟(jì)性分析

正常大批量生產(chǎn)時(shí)，大規(guī)格角鋼成本較普通角鋼增加8% ～10%。因此，在市場供應(yīng)正常的條件下，采用大規(guī)格角鋼鐵塔具有一定節(jié)省投資空間，具有明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

(1)溪洛渡—浙西工程經(jīng)濟(jì)性預(yù)測。預(yù)計(jì)大規(guī)格角鋼使用量約3萬t，鋼材材料費(fèi)用按照每t增加800元計(jì)，總計(jì)增加 0.24億元;預(yù)計(jì)節(jié)約鋼材0.6萬 t，按照綜合造價(jià)11 000元［9］測算，減少投資約0.66億元;二者綜合，預(yù)計(jì)節(jié)約工程投資約0.42億元。

(2)“十二五”期間經(jīng)濟(jì)性預(yù)測。按照2.2節(jié)的預(yù)測數(shù)量，假定2012年底之前鋼材材料費(fèi)用依據(jù)每t增加800元計(jì)，2012年底之后鋼材材料費(fèi)用按照每t增加500元計(jì)，預(yù)計(jì)節(jié)約工程投資為10億 ～15億元。

3.2 電網(wǎng)工程應(yīng)用大規(guī)格角鋼社會(huì)效益分析

推廣應(yīng)用大規(guī)格角鋼有利于全社會(huì)節(jié)能減排。按照近期中鋼協(xié)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，依據(jù)2009年鋼鐵制造業(yè)平均水平［10］，生產(chǎn)每t鋼材消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約620 kg，消耗用水約4.5 t，按此計(jì)算，“十二五”期間電網(wǎng)工程應(yīng)用大規(guī)格角鋼可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤15萬～22萬t，節(jié)約用水110萬～160萬t，減少碳排放40萬～60萬t。

推廣應(yīng)用大規(guī)格角鋼有利于提升國內(nèi)加工制造業(yè)技術(shù)水平和競爭能力。目前國內(nèi)具備大規(guī)格角鋼生產(chǎn)和供貨能力的廠家很少，國家電網(wǎng)公司依托電網(wǎng)工程項(xiàng)目，研發(fā)、試點(diǎn)、推廣應(yīng)用大規(guī)格角鋼并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過市場需求，引導(dǎo)國內(nèi)鋼鐵制造業(yè)增加研發(fā)投入、更新設(shè)備、改進(jìn)工藝、提升制造水平和競爭能力。

大規(guī)格Q420角鋼可以鐵塔優(yōu)化構(gòu)造，大量減少連接螺栓和填板，減輕鐵塔組立的施工量和施工難度，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

(1)從技術(shù)角度分析，大規(guī)格角鋼具有較好的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)性，在輸電線路工程中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

(2)從桿塔荷載等級分析，大規(guī)格角鋼主要應(yīng)用于500、750 kV交流雙回線路工程、特高壓直流和交流線路工程。

(3)未來影響大規(guī)格角鋼應(yīng)用數(shù)量的主要影響因素是鋼材加工質(zhì)量、供貨價(jià)格以及供需雙方對新材料應(yīng)用市場的培育投入。

(4)按照“十二五”國家電網(wǎng)公司規(guī)劃建設(shè)規(guī)模，大規(guī)格角鋼的需求量為90萬～130萬t，期望供應(yīng)量110萬t左右。在電網(wǎng)工程中采用后，可節(jié)約鋼材量為24萬 ～36萬 t。

(5)大規(guī)格角鋼采購價(jià)格與常規(guī)角鋼價(jià)差在16%以內(nèi)時(shí)，大規(guī)格角鋼塔的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于常規(guī)角鋼塔。

(6)從社會(huì)經(jīng)濟(jì)角度分析，“十二五”期間全面推廣應(yīng)用大規(guī)格角鋼可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤15萬～22萬t，節(jié)約用水110萬～160萬t，減少碳排放40萬～60萬t，具有良好的社會(huì)效益。

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