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2023年輸電線路鐵塔行業(yè)的技術(shù)水平、特點(diǎn)及趨勢
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 宏盛華源    2023-12-19

隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，電網(wǎng)建設(shè)中使用的電壓等級也在不斷提升，對輸電線路鐵塔產(chǎn)品的技術(shù)要求越來越高。行業(yè)的主要技術(shù)具體如下：

1、放樣技術(shù)

放樣是指鐵塔企業(yè)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙等技術(shù)資料，依據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求，通過專門的放樣軟件進(jìn)行實(shí)際模擬，綜合考慮生產(chǎn)工藝要求和物料需求，形成供車間使用的加工技術(shù)工藝圖紙的過程。

放樣是鐵塔制造的前提和基礎(chǔ)，關(guān)系著鐵塔加工的正確性、準(zhǔn)確性。放樣水平的高低，對鐵塔試組裝的適宜性、符合性等有諸多影響，同時影響鐵塔企業(yè)的鐵塔制造成本。

輸電鐵塔放樣技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了三個階段：

第一個階段為手工放大樣，是放樣人員根據(jù)鐵塔設(shè)計(jì)圖紙的基本尺寸，按照正投影原理，在樣臺板上按 1:1 的比例，通過一系列劃線作圖得到鐵塔空間結(jié)構(gòu)的平面展開圖。傳統(tǒng)放樣比較形象直觀，制成樣板和樣桿比較方便且便于檢查，但放樣效率低，誤差和重復(fù)工作量大，在處理特殊部位時（如地線支架、塔腿 V 型斷面等復(fù)雜結(jié)構(gòu)）難度較大，放大樣周期和培養(yǎng)放樣人員時間較長。

第二階段是手工計(jì)算放樣，主要是利用平面三角函數(shù)解三角形的幾何方法，計(jì)算出鐵塔零件展開圖中的實(shí)際尺寸和角度。該方法較手工放大樣更加準(zhǔn)確，但算法復(fù)雜且易出錯，處理一些復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)比較困難。

第三階段是計(jì)算機(jī)輔助放樣，通過借助專門的放樣軟件進(jìn)行鐵塔放樣工作，即通過放樣軟件在虛擬的三維空間中進(jìn)行鐵塔結(jié)構(gòu)的 1:1 模型構(gòu)建，從而獲得各鐵塔構(gòu)件的實(shí)際尺寸和構(gòu)成角度等參數(shù)，并利用軟件功能實(shí)現(xiàn)出圖和繪制樣板、打印生產(chǎn)清單等。計(jì)算機(jī)放樣不僅可進(jìn)行二維放樣，還可實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字放樣，減輕了鐵塔放樣的計(jì)算量和計(jì)算難度，提高了放樣準(zhǔn)確性和放樣效率，同時還可實(shí)現(xiàn)放樣的可視化、虛擬化、具體化、直觀化。

計(jì)算機(jī)輔助放樣軟件的發(fā)展先后經(jīng)歷了四個階段，從最早的二維坐標(biāo)文本數(shù)據(jù)輸入，到三維坐標(biāo)文本數(shù)據(jù)輸入，再到三維坐標(biāo) AutoCAD 下交互輸入，最后又發(fā)展到三維實(shí)體工作平臺下交互輸入數(shù)據(jù)。

未來三維放樣的技術(shù)核心是協(xié)同工作和集成技術(shù)，三維放樣的前端與鐵塔設(shè)計(jì)相銜接，后端與企業(yè)生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)相照應(yīng)，并逐漸向企業(yè)級信息集成發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的精益化、快捷化、柔性化。

2、數(shù)控設(shè)備

隨著電網(wǎng)建設(shè)速度加快，鐵塔產(chǎn)品需求大幅增加，輸電鐵塔產(chǎn)品型號逐漸增多，桿件斷面由簡單到復(fù)雜，從單角鋼發(fā)展到雙拼角鋼、四拼角鋼；從鋼管桿發(fā)展到格構(gòu)式鐵塔；由以角鋼為主的角鋼塔發(fā)展到以鋼管、鋼板、型鋼等混合結(jié)構(gòu)的鋼管塔、組合式鋼管桿、變電構(gòu)支架等。鐵塔產(chǎn)品逐漸向多樣化、大尺寸、高強(qiáng)度方向發(fā)展，推動了鐵塔行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，同時帶來了鐵塔加工裝備的不斷更新和發(fā)展。

隨著我國裝備制造技術(shù)水平的不斷提升，鐵塔加工裝備的自動化水平逐漸提高，由手工加工設(shè)備逐漸發(fā)展到半自動化加工設(shè)備、自動化加工設(shè)備。如今，鐵塔加工裝備已發(fā)展為以數(shù)控裝備、數(shù)控聯(lián)合生產(chǎn)線為主，自動化程度獲得大幅度地提升，鐵塔制造關(guān)鍵工序基本上實(shí)現(xiàn)了自動化生產(chǎn)。

目前，隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，具有更多功能的復(fù)合型一體化加工設(shè)備越來越多地應(yīng)用于鐵塔行業(yè)，如原材料無人實(shí)驗(yàn)室、多功能數(shù)控角鋼生產(chǎn)線、激光下料制孔一體化加工設(shè)備、重型激光切管機(jī)、數(shù)控雙橫梁雙激光復(fù)合加工設(shè)備、六軸塔腳焊接機(jī)器人、基于視覺識別的在線監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)保型智慧鍍鋅生產(chǎn)線等越來越多地應(yīng)用于鐵塔企業(yè)。而數(shù)字化車間的建設(shè)要求，又進(jìn)一步推動鐵塔企業(yè)對加工裝備進(jìn)行“啞設(shè)備”改造，提升其數(shù)字化、信息化水平。

隨著更加先進(jìn)的裝備制造技術(shù)應(yīng)用，鐵塔加工裝備的智能化水平將越來越高，更多的智能型鐵塔加工裝備將在鐵塔加工行業(yè)獲得應(yīng)用。

3、焊接技術(shù)

焊接技術(shù)是一種在高溫或高壓條件下，將兩塊或兩塊以上的母材連接成一個整體并達(dá)到原子間結(jié)合的制造工藝及技術(shù)。在輸電線路鐵塔產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中，很多結(jié)構(gòu)都需要通過焊接實(shí)現(xiàn)零部件之間的連接，焊接質(zhì)量的好壞直接影響輸電線路鐵塔構(gòu)件的受力和鐵塔組立及運(yùn)行安全。

輸電鐵塔制造行業(yè)屬于典型的小批量、多品種、離散型加工。傳統(tǒng)的焊接方式，采用人工劃線、人工組對和點(diǎn)焊固定、手工電弧焊焊接，效率低、工人勞動強(qiáng)度大、焊接質(zhì)量受人為因素影響較大。

隨著高電壓等級輸電線路鐵塔（包括大跨越塔）等結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品的出現(xiàn)，對焊接工藝提出了更高的要求。上述產(chǎn)品的生產(chǎn)不僅焊接工作量大，焊接結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜，對焊接質(zhì)量要求也更高，使得鐵塔焊接工藝逐漸多樣化。

在焊接方法方面，目前，我國輸電線路鐵塔企業(yè)以 CO2 氣體保護(hù)焊和自動埋弧焊為主，少數(shù)企業(yè)應(yīng)用了鎢極氬弧焊工藝，而焊條電弧焊僅用于定位焊或臨時焊件的焊接。鐵塔焊接方法由傳統(tǒng)的焊條電弧焊，逐漸開始應(yīng)用效率更高的實(shí)芯和藥芯焊絲 CO2氣體保護(hù)焊、單絲和多絲埋弧焊等焊接工藝。

在焊接設(shè)備方面，隨著近年來智能化設(shè)備的發(fā)展及人工成本的升高，催生了自動化程度更高的專業(yè)鐵塔焊接設(shè)備和焊接工藝，如鋼管合縫焊接一體化設(shè)備、鋼管—法蘭自動裝配焊接生產(chǎn)線、鋼管桿（塔）主管自動焊接生產(chǎn)線、角鋼塔塔腳焊接機(jī)器人系統(tǒng)等。

在焊接材料方面，Q235、Q345 強(qiáng)度等級鋼材焊接工藝已成熟固化，Q420強(qiáng)度等級鋼材焊接工藝已日趨成熟，Q460 強(qiáng)度等級鋼材焊接技術(shù)已試驗(yàn)成功并小規(guī)模應(yīng)用。在大跨越塔、異形鋼管桿和變電構(gòu)支架工程中，鑄鐵、鋁合金、不銹鋼等材料的焊接也有少量應(yīng)用，對鐵塔焊接技術(shù)提出了更高的要求。

4、試組裝

輸電線路鐵塔的試組裝是為檢驗(yàn)輸電鐵塔各零件、構(gòu)件是否滿足設(shè)計(jì)及安裝質(zhì)量要求而在出廠前進(jìn)行的預(yù)組裝，是在鍍鋅前對鐵塔產(chǎn)品整體安裝結(jié)構(gòu)、尺寸的最終檢驗(yàn)，其目的是為了驗(yàn)證放樣的正確性和零件、構(gòu)件加工的符合性，是產(chǎn)品出廠前的一道關(guān)鍵工序。因此，通常選擇某個塔型的首基塔進(jìn)行試組裝，以便對該塔型進(jìn)行批量加工。為慎重起見，有些鐵塔企業(yè)在某塔型首基塔試組裝后，對呼高不同的鐵塔的關(guān)鍵部位，還進(jìn)行局部的預(yù)拼裝，以確?，F(xiàn)場順利組塔。

傳統(tǒng)試組裝采用的實(shí)物組裝，一般每個塔型的組裝時間為 2～3 天，對特高壓鋼管塔或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鐵塔，組裝和拆塔需要 10 天以上或更長的時間，期間需要投入較多的人力和設(shè)備，對鐵塔制造成本和加工工期有較大的影響，且有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

隨著三維放樣軟件、激光檢測技術(shù)的發(fā)展，有些鐵塔企業(yè)為降低成本，控制安全風(fēng)險(xiǎn)，開展了基于三維數(shù)字化的虛擬試組裝研究。虛擬試組裝是運(yùn)用三維數(shù)字技術(shù)，將鐵塔三維模型與激光重構(gòu)技術(shù)結(jié)合起來，通過激光掃描儀掃描構(gòu)件形成點(diǎn)云，利用點(diǎn)云復(fù)原構(gòu)件，再運(yùn)用組裝軟件把各構(gòu)件進(jìn)行虛擬裝配，最后對裝配后的點(diǎn)云復(fù)原三維模型與鐵塔三維模型進(jìn)行對比分析，通過缺陷預(yù)警等功能檢測構(gòu)件的正確性，從而實(shí)現(xiàn)試組裝的目的。

目前，該技術(shù)已越來越成熟，公司下屬的浙江盛達(dá)已經(jīng)在基于三維數(shù)字化的虛擬試組裝方面進(jìn)行了有益的嘗試，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)并在“崇明 500 千伏輸變電工程長江大跨越”中成功應(yīng)用，走在行業(yè)的前列?？梢灶A(yù)見，隨著該技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步，輸電鐵塔三維虛擬試組裝技術(shù)將會有廣闊的發(fā)展空間。

5、智能制造

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式，因而成為制造業(yè)的熱點(diǎn)，備受人們關(guān)注。

輸電線路鐵塔制造業(yè)是一個規(guī)模相對較小的行業(yè)，且具有市場需求多樣化和產(chǎn)品定制化的特性，給智能制造的推進(jìn)帶來一定難度，行業(yè)整體上智能制造起步也相對較晚。但鐵塔企業(yè)有較高的熱情去引進(jìn)具有更多功能、更高效率的一體化加工新裝備，提升裝備自動化、智能化水平，通過“機(jī)器代替人”，來提升產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率。智能制造是行業(yè)未來發(fā)展的必由之路。

同時，在國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等下游客戶的推動下，鐵塔企業(yè)加速推進(jìn)智能裝備應(yīng)用和信息化建設(shè)，促進(jìn)了視覺識別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能制造等先進(jìn)制造新技術(shù)的應(yīng)用，加速了企業(yè) MES 系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)的應(yīng)用，促進(jìn)了鐵塔制造業(yè)“軟”“硬”結(jié)合新模式的發(fā)展。

6、新型鐵塔材料

輸電線路鐵塔屬于典型的鋼結(jié)構(gòu)，是輸電變電工程中耗鋼量最大的電力設(shè)施。依據(jù)輸電線路鐵塔產(chǎn)品類型的不同，其主要原材料的種類也有所不同，其中，角鋼塔主要原材料為熱軋等邊角鋼、熱軋鋼板；鋼管塔主要原材料為直縫焊管、鍛造法蘭、熱軋等邊角鋼、熱軋鋼板；鋼管桿主要原材料為熱軋鋼板；變電構(gòu)支架主要原材料為型鋼、鋼板、鋼管。

長期以來，我國輸電鐵塔用鋼品種單一，強(qiáng)度不高，材質(zhì)以 Q235B 、Q355B 的碳素結(jié)構(gòu)鋼為主。特高壓工程建設(shè)日益增長的需求，推動了鐵塔用鋼品種的多樣化、規(guī)格的大型化、材質(zhì)的高品質(zhì)化。目前，材質(zhì)為 Q420 級的角鋼、鋼板已廣泛應(yīng)用于特高壓工程的角鋼塔、鋼管塔，成為輸電鐵塔的主要用材，Q460 級鋼板、鋼管在部分鋼管塔、鋼管桿工程中開始試點(diǎn)并規(guī)模應(yīng)用；角鋼的用材規(guī)格已達(dá)∠ 300×300×35mm（邊寬 300mm，厚度 35mm 的等邊角鋼），從而實(shí)現(xiàn)了角鋼塔以單肢角鋼替代雙拼角鋼，以雙拼角鋼代替四拼角鋼，簡化了鐵塔結(jié)構(gòu)和加工工藝；為適應(yīng)我國北方或高原地區(qū)冬季低溫的要求，更高質(zhì)量等級（C 級、D 級）的鋼材也開始廣泛應(yīng)用于輸電線路鐵塔產(chǎn)品。

隨著設(shè)計(jì)技術(shù)與材料技術(shù)的不斷發(fā)展，輸電線路鐵塔用材多元化趨勢明顯，如球墨鑄鐵管桿代替水泥桿及部分鋼管桿應(yīng)用于農(nóng)網(wǎng)或城網(wǎng)的配電線路中，復(fù)合材料已在不同電壓等級輸電線路中應(yīng)用于桿塔橫擔(dān)。為解決常規(guī)塔材熱浸鍍鋅成本較高、環(huán)境污染較大的問題，開發(fā)了耐大氣腐蝕的冷彎耐候角鋼、熱軋耐候角鋼、耐候緊固件等；鑄鐵件、鋁型材、不銹鋼等材料在輸電線路鐵塔中的應(yīng)用也在進(jìn)行嘗試。

7、防腐技術(shù)

輸電線路鐵塔由于常年暴露于室外環(huán)境中，容易受到自然環(huán)境的侵蝕，因此需要對產(chǎn)品進(jìn)行防腐處理，提高其抗侵蝕能力、延長使用壽命。目前我國輸電線路鐵塔企業(yè)一般采用熱浸鍍鋅工藝實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品防腐。

熱浸鍍鋅是將表面經(jīng)清洗、活化后的鋼鐵制品浸于熔融的鋅液中，通過鐵鋅之間的反應(yīng)和擴(kuò)散，在鋼鐵制品表面鍍覆附著性良好的鋅合金鍍層。與其他金屬防護(hù)方法相比，熱浸鍍鋅工藝在鍍層的物理屏障與電化學(xué)保護(hù)相結(jié)合的保護(hù)特性上表現(xiàn)良好，鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、鍍層的致密性、耐久性、免維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性及其對制品形狀與尺寸的適應(yīng)性等方面，具有顯著優(yōu)勢。此外，熱浸鍍鋅工藝還具有成本低廉和外觀優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，因此在輸電線路鐵塔制造領(lǐng)域優(yōu)勢明顯，是目前主流的鐵塔產(chǎn)品防腐技術(shù)。

除熱浸鍍鋅工藝外，對一些超大型構(gòu)件，通常也采用熱噴鋅或高壓冷噴鋅工藝，隨著環(huán)境和質(zhì)量要求的提升，啞光鍍鋅、鋅鋁鎂合金鍍鋅、雙金屬防腐涂層等新型防腐技術(shù)也在工程中得到應(yīng)用，鐵塔防腐技術(shù)將向多元化發(fā)展。