本發(fā)明涉及電力工程領(lǐng)域，尤其涉及一種基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法，主要適用于對輸電鐵塔整體剩余壽命進(jìn)行評估。

背景技術(shù)：

近年來隨著國民經(jīng)濟(jì)快速、穩(wěn)步地增長，我國電力工業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，其中高壓和超高壓輸電線路已成為我國電力工程中最重要的生命線，它們的建成和使用，標(biāo)志著我國電力工業(yè)已經(jīng)擁有較高的技術(shù)水平。電力輸送網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著全國電力傳輸?shù)娜蝿?wù)，其中輸電鐵塔的安全可靠運(yùn)行對于保證整個電力可靠輸送至關(guān)重要，作為輸電線路的主要組成部分，輸電鐵塔結(jié)構(gòu)是輸電線路中最重要的電力工程設(shè)施，是輸電線路正常運(yùn)行的基本保障，因此，輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的安全性關(guān)系著整個輸電線路?？山陙磔旊婅F塔結(jié)構(gòu)倒塌事件卻頻繁發(fā)生，這不僅會影響電力的正常輸送，更會給國家建設(shè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所以輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的使用安全應(yīng)倍受關(guān)注，只有保證輸電鐵塔結(jié)構(gòu)安全正常的使用，才能得以保障輸電線路正常運(yùn)行，避免鐵塔倒塌事故再次發(fā)生。

對于輸電鐵塔結(jié)構(gòu)而言，因其長期暴露在自然環(huán)境中，所以除去結(jié)構(gòu)自重和風(fēng)荷載外，還會受到雨、雪、潮濕大氣、工業(yè)大氣、溫度及風(fēng)振乃至地震等作用，這些內(nèi)因或者外因均會對輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的使用產(chǎn)生影響。當(dāng)這些因素長期作用于輸電鐵塔，會使得鐵塔構(gòu)件腐蝕破損、承載能力下降，縮短或者終止輸電塔的使用時間。除去無法預(yù)測的惡劣的天氣的影響，比如罕見的大風(fēng)或者暴雪天氣，這種環(huán)境會對輸電鐵塔結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重性變形或者破壞性倒塌，直接終止輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的使用；而其他正常因素的作用，比如腐蝕造成的構(gòu)件截面削弱、斷裂，以及構(gòu)件材性變化等，也會影響輸電鐵塔的使用。這些因素的影響會使輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性存在不同程度的降低，嚴(yán)重影響鐵塔的使用壽命。出于鐵塔能安全運(yùn)行的考慮，可以對正常因素對鐵塔結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行預(yù)測或者控制，通過對其檢測評估，并采取及時合理的措施，確保輸電鐵塔的正常使用，減少輸電鐵塔破壞或者倒塌事件發(fā)生的概率。

從上面分析來看，輸電鐵塔結(jié)構(gòu)總會有一個使用壽命的限值，正常情況下鐵塔的使用壽命指的是鐵塔結(jié)構(gòu)從建塔開始，到鐵塔破壞或不適于繼續(xù)承載和使用的時間過程。相應(yīng)的，鐵塔的剩余使用壽命為：從實(shí)際檢測鐵塔數(shù)據(jù)開始到鐵塔破壞或者不適于繼續(xù)承載使用所經(jīng)歷的時間。若不考慮非正常因素的影響，只在正常因素作用下評估鐵塔的剩余使用壽命，那么對現(xiàn)有鐵塔結(jié)構(gòu)的腐蝕情況進(jìn)行檢測，研究輸電鐵塔結(jié)構(gòu)在實(shí)際服役條件下的腐蝕現(xiàn)狀和預(yù)估腐蝕發(fā)展趨勢就顯得很有必要。以正常工況為前提來推算輸電鐵塔的剩余使用年限，對輸電鐵塔的使用壽命作出宏觀評估，這樣不僅能夠及時對輸電鐵塔進(jìn)行維修和改造，而且能夠減少鐵塔倒塌事故的發(fā)生，防范于未然。因此，以科學(xué)、實(shí)用的方法對輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命進(jìn)行評估，可以從一定程度上減小輸電鐵塔結(jié)構(gòu)破壞或者倒塌事件發(fā)生的概率，對于提高我國輸電塔線路安全等級、降低國家經(jīng)濟(jì)損失具有非常重要的作用，具有很明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不能對輸電鐵塔整體剩余壽命進(jìn)行評估的缺陷與問題，提供一種能對輸電鐵塔整體剩余壽命進(jìn)行評估的基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法，該評估方法包括以下步驟：

a、通過有限元模型的建模分析，確定輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim；

b、根據(jù)公式δ＝Atⁿ(1)計算出輸電鐵塔達(dá)到失效腐蝕厚度δ_lim時的服役時間t_max，式(1)中，A、n為常數(shù)；

c、根據(jù)公式δ＝Atⁿ(1)計算出輸電鐵塔達(dá)到當(dāng)前腐蝕厚度δ₀時的服役時間t₀，式(1)中，A、n為常數(shù)，當(dāng)前腐蝕厚度δ₀通過實(shí)際檢測得出；

d、根據(jù)公式N_t＝t_max-t₀(2)計算出輸電鐵塔的剩余使用壽命N_t。

步驟a中，所述通過有限元模型的建模分析，確定輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim是指：

首先，建立不同幾何長細(xì)比λ的輸電鐵塔模型，采用有限元分析軟件ANSYS分析得出輸電鐵塔受削弱后的極限穩(wěn)定荷載P_u；

其次，根據(jù)公式計算腐蝕后輸電鐵塔的穩(wěn)定荷載的折減率ξ₁，式(3)中，P_u0為輸電鐵塔完好時的極限穩(wěn)定荷載；

最后，根據(jù)上述計算結(jié)果，分別繪制出折減率ξ₁隨正則化長細(xì)比λ_n的變化規(guī)律圖和折減率ξ₁隨腐蝕厚度δ的變化規(guī)律圖，并通過兩種變化規(guī)律圖得出輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim，其中，通過將幾何長細(xì)比λ替換為正則化長細(xì)比λ_n，式(4)中，E為輸電鐵塔的彈性模量，f_y為輸電鐵塔的屈服強(qiáng)度。

步驟b與步驟c中，所述A表示輸電鐵塔第一年的腐蝕率，A的數(shù)值根據(jù)公式A＝A(0)+∑A(i)X(i)(5)進(jìn)行計算，式(5)中，X(i)為輸電鐵塔的化學(xué)成分百分比含量或者環(huán)境的平均溫度，A(0)、A(i)的數(shù)值均通過直觀定量結(jié)果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法獲?。?/p>

所述n表示腐蝕的發(fā)展趨勢，n的數(shù)值根據(jù)公式n＝n(0)+∑n(i)X(i)(6)進(jìn)行計算，式(6)中，X(i)為輸電鐵塔的化學(xué)成分百分比含量或者環(huán)境的平均溫度，n(0)、n(i)的數(shù)值均通過直觀定量結(jié)果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法獲取。

步驟b與步驟c中，所述A的數(shù)值為0.02毫米～0.1毫米，所述n的數(shù)值為0.3～1.89。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

1、由于本發(fā)明一種基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法中通過冪函數(shù)腐蝕模型對輸電鐵塔整體剩余壽命進(jìn)行評估，解決了既有研究只針對輸電鐵塔某一部件或只針對特定荷載情況下剩余壽命評估的問題。因此，本發(fā)明能對輸電鐵塔整體剩余壽命進(jìn)行評估。

2、由于本發(fā)明一種基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法中采用冪函數(shù)腐蝕模型評估的結(jié)果與暴露試驗(yàn)值的結(jié)果最為吻合，可為大多數(shù)地區(qū)的大氣腐蝕模型提供參考，且由于該方法簡單，涉及參數(shù)少，所需進(jìn)行的研究工作量大大減少，實(shí)際工程中，只需測量當(dāng)前輸電鐵塔的腐蝕深度即可，實(shí)用性強(qiáng)。因此，本發(fā)明不僅準(zhǔn)確度高、適用范圍廣，而且操作簡便、成本低、實(shí)用性強(qiáng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中有限元計算模型圖。

圖2是圖1的細(xì)部處理圖。

圖3是本發(fā)明中折減率ξ₁隨正則化長細(xì)比λ_n的變化規(guī)律圖。

圖4是本發(fā)明中折減率ξ₁隨腐蝕厚度δ的變化規(guī)律圖。

圖5是本發(fā)明中電化學(xué)腐蝕的孔蝕示意圖。

圖6是本發(fā)明中碳鋼、低合金鋼大氣腐蝕示意圖。

圖7是本發(fā)明中三階段腐蝕模型的腐蝕過程示意圖。

圖5中，1代表沉積物，2代表金屬構(gòu)件，3代表腐蝕產(chǎn)物圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖說明和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

參見圖1至圖4，一種基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法，該評估方法包括以下步驟：

a、通過有限元模型的建模分析，確定輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim；

b、根據(jù)公式δ＝Atⁿ(1)計算出輸電鐵塔達(dá)到失效腐蝕厚度δ_lim時的服役時間t_max，式(1)中，A、n為常數(shù)；

c、根據(jù)公式δ＝Atⁿ(1)計算出輸電鐵塔達(dá)到當(dāng)前腐蝕厚度δ₀時的服役時間t₀，式(1)中，A、n為常數(shù)，當(dāng)前腐蝕厚度δ₀通過實(shí)際檢測得出；

d、根據(jù)公式N_t＝t_max-t₀(2)計算出輸電鐵塔的剩余使用壽命N_t。

步驟a中，所述通過有限元模型的建模分析，確定輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim是指：

首先，建立不同幾何長細(xì)比λ的輸電鐵塔模型，采用有限元分析軟件ANSYS分析得出輸電鐵塔受削弱后的極限穩(wěn)定荷載P_u；

其次，根據(jù)公式計算腐蝕后輸電鐵塔的穩(wěn)定荷載的折減率ξ₁，式(3)中，P_u0為輸電鐵塔完好時的極限穩(wěn)定荷載；

最后，根據(jù)上述計算結(jié)果，分別繪制出折減率ξ₁隨正則化長細(xì)比λ_n的變化規(guī)律圖和折減率ξ₁隨腐蝕厚度δ的變化規(guī)律圖，并通過兩種變化規(guī)律圖得出輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim，其中，通過將幾何長細(xì)比λ替換為正則化長細(xì)比λ_n，式(4)中，E為輸電鐵塔的彈性模量，f_y為輸電鐵塔的屈服強(qiáng)度。

步驟b與步驟c中，所述A表示輸電鐵塔第一年的腐蝕率，A的數(shù)值根據(jù)公式A＝A(0)+∑A(i)X(i)(5)進(jìn)行計算，式(5)中，X(i)為輸電鐵塔的化學(xué)成分百分比含量或者環(huán)境的平均溫度，A(0)、A(i)的數(shù)值均通過直觀定量結(jié)果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法獲??；

所述n表示腐蝕的發(fā)展趨勢，n的數(shù)值根據(jù)公式n＝n(0)+∑n(i)X(i)(6)進(jìn)行計算，式(6)中，X(i)為輸電鐵塔的化學(xué)成分百分比含量或者環(huán)境的平均溫度，n(0)、n(i)的數(shù)值均通過直觀定量結(jié)果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法獲取。

步驟b與步驟c中，所述A的數(shù)值為0.02毫米～0.1毫米，所述n的數(shù)值為0.3～1.89。

本發(fā)明的原理說明如下：

1、當(dāng)前輸電鐵塔腐蝕破壞形式分析

我國現(xiàn)有的輸電線路大多跨越距離長、所處環(huán)境復(fù)雜，與此同時，存在大量運(yùn)行時間達(dá)20～30年甚至更長的老舊線路，這使得我國輸電鐵塔均存在不同程度的腐蝕，按腐蝕類型可分為：(1)電化學(xué)腐蝕。鐵塔構(gòu)件電化學(xué)腐蝕主要為析氫腐蝕、吸氧腐蝕、鈍化及孔蝕。析氫腐蝕及吸氧腐蝕均使鐵塔構(gòu)件發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，造成鐵塔構(gòu)件成分變化及截面削弱。鈍化是某些活潑金屬或其合金陽極過程受到阻滯而產(chǎn)生的高耐蝕狀態(tài)，復(fù)雜環(huán)境下的鐵塔構(gòu)件鈍化將會對構(gòu)件承載力造成極大折減。孔蝕(如圖5所示)是一種外觀隱蔽而破壞性大的局部腐蝕，又稱點(diǎn)蝕。它通常發(fā)生在易鈍化金屬或合金中，往往同時有侵蝕性陰離子(如Cl^-)與氧化劑共存。它從金屬表面開始，最后形成通常被腐蝕產(chǎn)物覆蓋的凹坑，造成鐵塔構(gòu)件截面劇烈削弱。(2)大氣腐蝕。通常，受到污染的大氣中往往含有水汽、SO₂、NH₃和NO₂等氣體雜質(zhì)及各種懸浮顆粒和灰塵，重慶地區(qū)實(shí)際大氣組成就與此相似。在這種潮濕的、強(qiáng)烈污染的工業(yè)大氣中，金屬很容易發(fā)生大氣腐蝕，金屬的表面會形成液膜層，由于這種含飽和氧的電解液膜的存在，使得大氣電化學(xué)腐蝕中的氧去極化過程會變得易于進(jìn)行；另一方面，大氣腐蝕的陽極過程會受到極大的阻滯。陽極鈍化及金屬離子水化過程的困難是造成陽極極化的主要原因。在薄液膜層下，腐蝕微電池的電阻顯著增大，微電池作用范圍變小。因此，大氣腐蝕的腐蝕形態(tài)較海水或土壤腐蝕更為均勻。但在干濕條件下，腐蝕層將發(fā)生滲透、交叉化學(xué)反應(yīng)，加速鐵塔構(gòu)件腐蝕，致使截面發(fā)生斷裂破壞。通過上述腐蝕類型分析可知，我國輸電鐵塔絕大部分均暴露于復(fù)雜大氣環(huán)境中，且受到電化學(xué)腐蝕嚴(yán)重，若不及時對其腐蝕狀況進(jìn)行評估和處理，任由其腐蝕持續(xù)發(fā)展，會對輸電線路的安全運(yùn)行造成極大隱患。因此，采用科學(xué)、合理且有效的腐蝕模型對評估鐵塔的剩余使用壽命具有十分重要的意義。

2、現(xiàn)有腐蝕模型及其局限性

經(jīng)過多年來的大量試驗(yàn)研究和理論分析，逐漸形成較為主流的幾種鋼材腐蝕模型。對于一般沒有嚴(yán)重污染物的大氣環(huán)境，具有腐蝕保護(hù)系統(tǒng)的鋼的腐蝕過程如圖6所示，分為三個階段：

1)無腐蝕階段，t∈[0，T_st]；

2)快速腐蝕階段，t∈[T_st，T_A]；

3)腐蝕減緩階段，t∈[T_A，T_L]。

其中，T_st是腐蝕開始的時間，提前于腐蝕保護(hù)系統(tǒng)完全失效時間T_cl，但為簡便起見，設(shè)T_st＝T_cl，T_A是快速腐蝕到腐蝕減緩階段的轉(zhuǎn)折的時間點(diǎn)，T_L代表結(jié)構(gòu)的使用壽命和維修周期。

腐蝕開始后由于剛生成的銹層比較疏松，不能有效阻止腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散，所以出現(xiàn)一個快速腐蝕的過程隨著銹層致密層逐漸生長，腐蝕過程受到阻滯，腐蝕速率也開始逐漸變慢。腐蝕的過程比較復(fù)雜，其類型較多，影響腐蝕的因素也很多，不同地域可能差別明顯，所以腐蝕模型應(yīng)根據(jù)鋼種在當(dāng)?shù)氐拇髿飧g數(shù)據(jù)來選擇確定，才能較好反映實(shí)際情況。以下為現(xiàn)有的幾種腐蝕模型。

(1)冪函數(shù)模型

碳鋼和低合金鋼的大氣腐蝕速率較大，暴露幾天即布滿黃銹，隨著時間的延長，銹蝕不斷發(fā)展。通過對腐蝕結(jié)果的回歸分析，證明其大氣腐蝕發(fā)展遵循冪函數(shù)規(guī)律，如式(1-1)所示：

δ＝Atⁿ(1-1)

式(1-1)中：δ為腐蝕深度；t為暴露時間；A，n為常數(shù)參數(shù)，與輸電鐵塔所在環(huán)境的大氣條件及氣候情況密切相關(guān)。

(2)灰色GM(1,1)模型

GM(1,1)模型的建模過程中，對原始數(shù)列X⁽⁰⁾>＝{x₁,x₂,…,x_n}進(jìn)行累加生成，并按照灰色理論的有關(guān)假設(shè)和規(guī)定，利用微分方程表達(dá)其動態(tài)特性、構(gòu)造矩陣、估計參數(shù)得到時間響應(yīng)方程：

式中：是原始數(shù)列(平均腐蝕失重或者平均腐蝕深度)的第一個值；是累加生成的數(shù)列的第(k+1)個估計值；a稱為發(fā)展系數(shù)，反映的發(fā)展態(tài)勢；u稱為灰色作用量，它的大小反映數(shù)據(jù)的變化關(guān)系，在系統(tǒng)中相當(dāng)于作用量。還原數(shù)列即可得預(yù)測值，其中

GM(1,1)方法屬于軟科學(xué)方法中的灰色理論，對數(shù)據(jù)的適用性較好，但模型的建立過程相對復(fù)雜。

(3)考慮大氣成分的腐蝕模型

式(1-4)中，C是平均失重(g/m²)；Cl^-是氯離子的濃度(mg/m²)；SO₂是硫化物的濃度(mg/m²)；t_rain和mm是降雨的時間和毫米數(shù)；τ_5-25和τ_25-35是溫度分別在5-25和25-35攝氏度、相對濕度(RH>80％)的時間；a，b，c，d，e，f，g，h為待定系數(shù)。

該模型是根據(jù)腐蝕機(jī)理，結(jié)合腐蝕數(shù)據(jù)而建立的，考慮了影響腐蝕的諸多因素。上式為通式，不同環(huán)境下可以根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)略去一些對C貢獻(xiàn)小的項。

(4)三階段的腐蝕模型

有研究表明腐蝕過程開始后可以分為三個階段，如圖7所示，第一階段是快速腐蝕階段，第二、三階段是腐蝕減緩階段分為前期和后期每個階段應(yīng)該采用不同的腐蝕模型。

第一階段，時間范圍約為0～1年，以線性規(guī)律來描述：

y＝a·t(1-5)

式(1-5)中，y為平均腐蝕深度，t為腐蝕時間(以下都用此符號表示)，a為待定系數(shù)。

第二階段，時間范圍約為1～8年，以拋物線規(guī)律描述：

y²＝k·t+c(1-6)

由于腐蝕過程的復(fù)雜性，平方拋物線規(guī)律寫成如下的通式:

yⁿ＝k·t+c(1-7)

式(1-7)中，n>0，不一定是整數(shù)，為了實(shí)用，簡化為：

y＝At²+Bt+C(1-8)

式(1-8)中，k、c、K、A、B、C為待定系數(shù)。

第三階段，時間范圍約為8年以后，同樣用線性規(guī)律描述，只是腐蝕速度很緩慢，斜率較小。

上述(2)至(4)所述的三種腐蝕模型都有其局限性：灰色系統(tǒng)的GM(1,1)模型，要求各處理點(diǎn)的試驗(yàn)時間間隔相等，而我國大氣腐蝕網(wǎng)站所提供的碳鋼及低合金鋼的材料數(shù)據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)時間為1年、2年、4年、8年，時間間隔不相等，因此它的應(yīng)用有一定的局限性；考慮大氣成分的腐蝕模型從腐蝕原理出發(fā)，有利于腐蝕的實(shí)驗(yàn)研究，但是目前在國內(nèi)還沒有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行研究對比，且此模型需要的已知因素較多，公式中待定參數(shù)也較多，實(shí)際工程中使用存在很大困難；分三階段的腐蝕模型則結(jié)合我國多個地區(qū)碳鋼的8年、16年的腐蝕數(shù)據(jù)擬合，在目前腐蝕模型中腐蝕數(shù)據(jù)較為全面，模型使用范圍較廣，但是模型各個階段適用年限有一定的限制，并且第二階段公式簡化會使得模型效果與實(shí)際腐蝕情況產(chǎn)生誤差，所以該模型在本工程中的應(yīng)用還有待展開進(jìn)一步研究。因此，若基于以上三種模型建立輸電鐵塔剩余壽命評估計算方法，不僅會減緩研究進(jìn)程，也將極大地限制評估方法的使用范圍。

3、基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法的創(chuàng)新性說明

因銹蝕而導(dǎo)致鐵塔構(gòu)件截面削弱，引起構(gòu)件和整塔的剛度變小，由此導(dǎo)致的鐵塔破壞過程是循序漸進(jìn)、有律可循的，目前的腐蝕模型研究成果也印證了這一點(diǎn)。對比幾種腐蝕模型，冪函數(shù)形式的模型與以上三種模型相比，其表達(dá)形式簡單，且多年來國內(nèi)學(xué)者對大氣腐蝕模型的大量研究表明，冪函數(shù)模型具有更好的實(shí)用性，更能遵循鋼材在大氣中腐蝕的發(fā)展規(guī)律。國內(nèi)有關(guān)學(xué)者通過對7個不同地區(qū)17種鋼材進(jìn)行的16年腐蝕檢測工作中發(fā)現(xiàn)，冪函數(shù)模型預(yù)測的結(jié)果與暴露試驗(yàn)值的結(jié)果較為吻合，可為大多數(shù)地區(qū)的大氣腐蝕模型提供參考，且由于其形式簡單，待定參數(shù)少，所需進(jìn)行的研究工作大大減少。因此，本設(shè)計的評估方法將采用如式(1-1)所示的冪函數(shù)形式模型，即：

δ＝Atⁿ(1-1)

式中：δ為腐蝕深度；t為暴露時間；A，n為常數(shù)參數(shù)，與輸電鐵塔所在環(huán)境的大氣條件及氣候情況密切相關(guān)。

目前，針對鐵塔壽命的研究主要包括疲勞壽命、基礎(chǔ)耐久性壽命預(yù)測和風(fēng)荷載作用下剩余壽命計算。疲勞壽命、基礎(chǔ)耐久性壽命預(yù)測既有研究均只針對鐵塔的某一部件開展，無法擴(kuò)展到鐵塔整體結(jié)構(gòu)，亦無法獲得相關(guān)計算方法；而風(fēng)荷載作用下剩余壽命計算，雖有可用計算方法，但其只針對特定荷載，對一般工作環(huán)境下的服役鐵塔并不適用。本評估計算方法首次提出對鐵塔整體剩余壽命進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)了鐵塔整體剩余壽命研究領(lǐng)域從無到有的突破，極具建設(shè)意義。由陸國威2012年發(fā)表于《建材技術(shù)與應(yīng)用》(2012,09:32-33)文章《輸電鐵塔風(fēng)荷載作用下剩余壽命的計算方法》的分析中可看出，風(fēng)荷載作用下剩余壽命計算，振型疊加時所需參數(shù)繁多，且需通過有限元分析大量構(gòu)件才能判定控制界面，計算過程過于復(fù)雜，不具普適性。本評估方法所采用的計算模型參數(shù)少，計算簡便。在實(shí)際工程易于操作，僅需測量輸電鐵塔腐蝕深度即可進(jìn)行相應(yīng)計算，實(shí)用性強(qiáng)。

4、冪函數(shù)腐蝕模型分析

冪函數(shù)模型對鋼材進(jìn)行全過程大氣腐蝕擬合時雖具有一定誤差，但冪函數(shù)模型是目前使用較為成熟的一種模擬模型，且使用較為方便。相關(guān)科研院所在我國進(jìn)行了17種鋼7個試驗(yàn)點(diǎn)的16年大氣暴露腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)的環(huán)境包括了亞熱帶、溫帶、工業(yè)性、海洋性、干燥環(huán)境及濕熱環(huán)境等各種典型環(huán)境。為了分析各種因素對鋼的腐蝕作用，試驗(yàn)過程中試用了幾種常用的統(tǒng)計方法來建立鋼的大氣腐蝕預(yù)測模型，經(jīng)過對比比較，最終采用了可以得到直觀定量結(jié)果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明利用冪函數(shù)模型預(yù)測鋼材大氣腐蝕量與實(shí)際腐蝕深度值吻合程度較高。

A值相當(dāng)于第一年的腐蝕率，其數(shù)值在0.02mm～0.10mm的范圍內(nèi)變化，A的取值主要與環(huán)境有關(guān)，隨污染程度而增加。此外，A值也與鋼種也有關(guān)，隨合金含量增加而降低，但差別不大。n值表征腐蝕的發(fā)展趨勢，n值隨鋼種和環(huán)境變化極大，其取值最低可以到0.3，最高可達(dá)1.89，在一般環(huán)境中n值為0.4～0.8，即一般大氣腐蝕是一個收斂過程。鋼的大氣腐蝕的動態(tài)參數(shù)A值和n值被用來作為因變量，環(huán)境因素及鋼的化學(xué)元素含量作為變量，即：

A＝A(0)+∑A(i)X(i) (2-1)

n＝n(0)+∑n(i)X(i) (2-2)

式(2-1)、(2-2)中：A(i)和n(i)是因子i的系數(shù)，X(i)是因子i的數(shù)值。當(dāng)因子是鋼的化學(xué)成分時，X(i)為鋼的化學(xué)成分百分比含量。當(dāng)因子是環(huán)境因素時，X(i)為環(huán)境因子的平均或累積量，如平均溫度。同時，因子也可以是某個因素的乘方或某幾個因素的乘積。實(shí)際應(yīng)用中，采用可以得到直觀定量結(jié)果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法，獲取A(0)，n(0)，A(i)和n(i)等各項參數(shù)。

上式描述了腐蝕時間函數(shù)與各影響因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。然而，對于各項因素及其系數(shù)的具體取值，因涉及地理空間廣闊、時間久遠(yuǎn)，目前尚無進(jìn)行充分研究。因此，在實(shí)際工程中，往往通過對銹蝕程度的長期觀測，積累出不同的(δ，t)二維時空坐標(biāo)點(diǎn)，然后利用大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對腐蝕公式(δ＝Atⁿ)進(jìn)行擬合，以得到實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)在未來的腐蝕規(guī)律，并對其剩余使用年限進(jìn)行預(yù)測。

5、臨界腐蝕厚度的確定

現(xiàn)行服役鐵塔，各部分所采用的構(gòu)件常為單角鋼或格構(gòu)式角鋼構(gòu)件。這些構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，均為經(jīng)過充分研究的成熟結(jié)構(gòu)形式，其中絕大部分構(gòu)件承載力在銹蝕下的變化，可通過成熟的理論進(jìn)行計算。鑒于構(gòu)件所存在的問題，本設(shè)計以四肢組合“十字”型格構(gòu)壓桿為例，采用有限元法，研究在不同腐蝕程度作用下對構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)與承載力的影響，以及腐蝕對承載力的折減程度，最終確定構(gòu)件的臨界腐蝕厚度，為評估鐵塔的剩余使用壽命提供數(shù)據(jù)支撐。

為充分研究鋼材腐蝕對組合構(gòu)件的影響，可建立具有不同長細(xì)比λ(20～250，間隔5)的構(gòu)件模型。模型中考慮節(jié)點(diǎn)板削弱厚度范圍δ由0.1mm增至1.0mm，每隔0.1mm計算一組模型，并將削弱后的節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能與完好節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對比，研究跨越塔構(gòu)件的力學(xué)性能因腐蝕而產(chǎn)生的變化施加約束和荷載，采用非線性求解方法，求解模型的極限穩(wěn)定荷載P_u，其中，有限元計算模型圖和細(xì)部處理圖分別為圖1和圖2。

為充分研究構(gòu)件承載力的變化，按式(2-3)計算腐蝕后構(gòu)件穩(wěn)定承載力的折減率ξ₁：

式(2-3)中，P_u為構(gòu)件受削弱后的極限穩(wěn)定承載力，P_u0為完好構(gòu)件的極限穩(wěn)定承載力。

根據(jù)計算結(jié)果并分別繪制出承載能力折減率隨長細(xì)比和腐蝕厚度的變化規(guī)律圖，如圖3、圖4所示。其中，圖3中橫坐標(biāo)采用正則化長細(xì)比λ_n代替幾何長細(xì)比λ，替換過程按式(2-4)，其中，進(jìn)行E為輸電鐵塔的彈性模量，f_y為輸電鐵塔的屈服強(qiáng)度；

從圖3可以看出：“十字”型角鋼組合構(gòu)件的穩(wěn)定承載力折減率ξ₁，受長細(xì)比λ影響不大。由圖4可以明顯看出：ξ₁對腐蝕厚度δ較為敏感，且ξ₁與δ成線性正相關(guān)關(guān)系；在δ不大于1.0mm時，穩(wěn)定承載力折減率ξ₁均不超過5％。對于厚度為24mm的角鋼構(gòu)件而言，若腐蝕達(dá)到1％，其強(qiáng)度下降約為1％。而若角鋼構(gòu)件雙面腐蝕各達(dá)5％(截面削弱1mm)，該構(gòu)件將不能維持繼續(xù)使用，由此可認(rèn)為腐蝕程度的限值δ_lim為5％。鐵塔構(gòu)件被腐蝕后，其厚度會因腐蝕而不斷減小，當(dāng)構(gòu)件厚度因削弱達(dá)到臨界厚度δ_lim時，構(gòu)件達(dá)到極限承載力。結(jié)合ANSYS分析的構(gòu)件的腐蝕臨界限值δ_lim，運(yùn)用冪函數(shù)模型可以準(zhǔn)確地對鐵塔的剩余壽命進(jìn)行評估。

綜上，基于腐蝕模型的輸電鐵剩余壽命評估計算方法，是以科學(xué)、合理且較為準(zhǔn)確的腐蝕模型為基礎(chǔ)，采用有限元法確定其臨界腐蝕深度，再通過檢測獲得當(dāng)前構(gòu)件實(shí)際腐蝕深度，最后將其當(dāng)前腐蝕深度和臨界腐蝕深度帶入腐蝕模型，計算鐵塔的剩余使用壽命的評估方法。基于腐蝕模型的輸電鐵剩余壽命評估計算方法，具有如下技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)與優(yōu)勢：(1)本設(shè)計提出了一種基于冪函數(shù)腐蝕模型的鐵塔剩余使用壽命實(shí)用評估方法，彌補(bǔ)鐵塔剩余壽命研究領(lǐng)域針對鐵塔整體剩余壽命研究空缺，開啟了鐵塔整體剩余壽命研究新紀(jì)元；(2)本設(shè)計通過有限元數(shù)值仿真分析發(fā)現(xiàn)：鐵塔的穩(wěn)定承載力折減率ξ₁，受長細(xì)比λ影響不大，但對腐蝕厚度δ較為敏感，且ξ₁與δ成線性正相關(guān)關(guān)系；在δ不大于1.0mm時，穩(wěn)定承載力折減率ξ₁不超過5％。基于此結(jié)果，提出的基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法，具有堅實(shí)的理論基礎(chǔ)；(3)鐵塔結(jié)構(gòu)從開始腐蝕到喪失繼續(xù)承載或使用的能力的過程中，總會存在一個腐蝕厚度臨界限值δ_lim。本設(shè)計通過對既有鐵塔腐蝕數(shù)據(jù)資料進(jìn)行回歸分析，輔以有限元分析軟件ANSYS仿真建模分析，求解出δ_lim數(shù)值。根據(jù)有限元模擬結(jié)果，當(dāng)角鋼構(gòu)件雙面腐蝕各達(dá)5％(截面削弱1mm)，該構(gòu)件將不能繼續(xù)使用，由此可認(rèn)為腐蝕程度的限值δ_lim為5％。這一結(jié)論可作為工程中快速判定構(gòu)件失效的依據(jù)，簡化工序、提高效率，極具指導(dǎo)意義；(4)大量的工程統(tǒng)計分析資料均顯示，相比于其他模型，本設(shè)計所采用的冪函數(shù)模型具有模擬腐蝕結(jié)果與鋼材實(shí)際腐蝕情況吻合度高的明顯優(yōu)勢，且冪函數(shù)模型待定參數(shù)少，便于實(shí)際工程運(yùn)用，特別是當(dāng)評估樣本量較大時，本方法可實(shí)現(xiàn)快速、批量、高效、準(zhǔn)確地評估，具有普遍適用性。

實(shí)施例：

一種基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法，以華中地區(qū)已使用了29年的某跨越輸電鐵塔為研究對象，該評估方法包括以下步驟：

a、通過有限元模型的建模分析，確定輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim；

首先，如圖1、圖2所示，建立不同幾何長細(xì)比λ(20～250，間隔5)的輸電鐵塔模型，模型中考慮節(jié)點(diǎn)板削弱厚度范圍δ由0.1mm增至1.0mm，每隔0.1mm計算一組模型，并將削弱后的節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能與完好節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對比，研究跨越輸電鐵塔的力學(xué)性能因腐蝕而產(chǎn)生的變化施加約束和荷載，采用非線性求解方法，得出輸電鐵塔受削弱后的極限穩(wěn)定荷載P_u；

其次，根據(jù)公式計算腐蝕后輸電鐵塔的穩(wěn)定荷載的折減率ξ₁，式(3)中，P_u0為輸電鐵塔完好時的極限穩(wěn)定荷載；

最后，根據(jù)上述計算結(jié)果，分別繪制出折減率ξ₁隨正則化長細(xì)比λ_n的變化規(guī)律圖(圖3)和折減率ξ₁隨腐蝕厚度δ的變化規(guī)律圖(圖4)，并通過兩種變化規(guī)律圖得出輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim，其中，通過將幾何長細(xì)比λ替換為正則化長細(xì)比λ_n，式(4)中，E為輸電鐵塔的彈性模量，f_y為輸電鐵塔的屈服強(qiáng)度；通過有限元法分析得到角鋼構(gòu)件雙面腐蝕各達(dá)5％，該構(gòu)件將不能維持繼續(xù)使用，即構(gòu)件達(dá)到腐蝕程度限值δ_lim，該輸電鐵塔采用等邊角鋼∟180×20，當(dāng)腐蝕程度達(dá)到δ_lim＝5％時，即失效腐蝕厚度δ_lim＝1.0mm；

b、根據(jù)公式δ＝Atⁿ(1)計算出輸電鐵塔達(dá)到失效腐蝕厚度δ_lim時的服役時間t_max，式(1)中，A、n為常數(shù)，所述A表示輸電鐵塔第一年的腐蝕率，A的數(shù)值為0.02毫米～0.1毫米，具體A的數(shù)值根據(jù)公式A＝A(0)+∑A(i)X(i)(5)進(jìn)行計算，式(5)中，X(i)為輸電鐵塔的化學(xué)成分百分比含量或者環(huán)境的平均溫度，A(0)、A(i)的數(shù)值均通過直觀定量結(jié)果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法獲?。凰鰊表示腐蝕的發(fā)展趨勢，n的數(shù)值為0.3～1.89，具體n的數(shù)值根據(jù)公式n＝n(0)+∑n(i)X(i)(6)進(jìn)行計算，式(6)中，X(i)為輸電鐵塔的化學(xué)成分百分比含量或者環(huán)境的平均溫度，n(0)、n(i)的數(shù)值均通過直觀定量結(jié)果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法獲??；針對本設(shè)計的研究對象，取A＝0.055，n＝0.73，然后，將失效腐蝕厚度δ_lim＝1.0mm帶入式(1)，計算得到t_max＝53.15；

c、根據(jù)公式δ＝Atⁿ(1)計算出輸電鐵塔達(dá)到當(dāng)前腐蝕厚度δ₀時的服役時間t₀，式(1)中，A＝0.055，n＝0.73(A、n的取值理由同步驟b)，實(shí)際檢測輸電鐵塔當(dāng)前腐蝕厚度δ₀＝0.74mm，將當(dāng)前腐蝕厚度δ₀＝0.74帶入式(1)，計算得到t₀＝35.19；

d、根據(jù)公式N_t＝t_max-t₀(2)計算出僅考慮腐蝕速率影響時輸電鐵塔的剩余使用壽命N_t：

N_t＝t_max-t₀＝53.15-35.19＝17.96

因此，對于此輸電鐵塔，若今后不進(jìn)行任何維護(hù)措施，按照當(dāng)前運(yùn)行狀況，其剩余使用年限僅為17.96年。

當(dāng)輸電鐵塔環(huán)境比較惡劣時，鐵塔構(gòu)件厚度削弱量會變大。但鑒于以往檢測結(jié)果，常規(guī)自然環(huán)境下，鐵塔的腐蝕深度一般不會超過1mm。對于非常規(guī)自然環(huán)境下，若其腐蝕深度超過1mm時，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境進(jìn)行腐蝕模擬試驗(yàn)，通過對腐蝕數(shù)據(jù)的回歸分析，將腐蝕模型中的參數(shù)A、n進(jìn)行相應(yīng)修正，以獲得更準(zhǔn)確的評估結(jié)果。