随着输电线路输送容量及电压等级的不断提高, 杆塔荷载和塔重不断增加。与角钢塔相比, 在特高压等大荷载杆塔中合理应用钢管塔具有相对技术经济优势, 更加符合全寿命周期的理念。带颈锻造法兰^[1,2,3]在特高压钢管塔中的应用逐渐增多, 采用锻造法兰连接可以减少焊接工作量、稳定加工质量、提高工效^[4]。锡盟-胜利1 000千伏交流输变电工程设计及建设过程中, 积极应用新技术、新工艺和新材料, 通过采用强度级差锻造法兰, 有效降低了塔重, 进一步提高了特高压钢管塔的经济性。本文针对目前带颈锻造法兰的设计和使用方法, 对特高压钢管塔的杆件受力进行了统计分析, 提出了锻造法兰法按强度级差进行设计的新方法, 推荐了强度级差锻造法兰规格库和应用原则。

　　 在我国已建成的特高交流工程中, 同塔双回杆塔均采用钢管塔^[5], 最高材质等级为Q345。选取特高压交流双回钢管塔 (皖电东送工程试验塔) 进行铁塔加工图统计分析, 结果见表1。由表1可知, 钢管塔为了保证钢管构件的有效连接, 需要焊接大量法兰、插板、加劲板等连接件, 连接件重量占全塔重量的30%左右, 比重较大。要提高钢管塔经济性, 除了采用更高强度钢材提高受力材承载能力外, 同时需在加劲板、节点构造、锻造法兰等方面进行优化, 降低连接件比重^[6]。锻造法兰 (包含法兰连接螺栓) 在全塔中比重为10%左右, 而且锻造法兰的价格较高, 所以降低锻造法兰的比重对节约钢管塔造价意义重大。

　　 锻造法兰一般用于塔身或横担的主材连接, 由两个法兰配对通过螺栓连接 (图1) , 如果法兰连接的两根钢管直径相同, 则配对两个法兰均为等管径法兰, 如果法兰连接的两根钢管直径不相同, 则焊接在小管径钢管上的法兰称为不等管径法兰, 焊接在大管径上的法兰仍采用等管径法兰。

　　 《输电线路钢管塔构造设计规定》 (Q/GDW[7]) ^[7]中的带颈锻造法兰规格库, 均按同管径最大壁厚钢管抗拉承载力设计, 由于钢管壁厚的离散性以及钢管构件受力的差异性, 目前锻造法兰的设计方法不够精细、偏于保守, 主要体现在:

　　 (1) 钢管壁厚差异。钢管规格库中, 同一直径钢管对应一系列壁厚, 对于直径较大钢管, 壁厚一般不少于4种, 按最小壁厚与最大壁厚钢管设计的法兰承载力可相差40%, 全部按最大壁厚钢管设计法兰, 会造成钢管壁厚较小时法兰安全裕度偏大。

　　 (2) 锻造法兰抗拉承载能力利用率较低。杆塔塔身主材绝大多数为轴压稳定控制, 而锻造法兰按抗拉强度设计^[8], 钢管与法兰焊接在一起, 承受相同的荷载, 但由于两者设计方法的不一致, 导致两者承载能力不匹配。由于导线垂直荷载与杆塔自重的影响, 同一塔身四根主柱承载的轴拉力均小于轴压力, 经统计分析多个特高压钢管塔设计计算书, 发现塔身相同节间主材最大轴拉力一般不超过最大轴压力的85%;同时塔身主材均为轴压稳定控制, 对于钢管塔主管, 其计算长细比一般不低于30^[9], 则其对应的轴压稳定系数一般不超过0.9, 所以同时考虑上述两方面因素, 钢管塔塔身主管实际轴拉力基本不超过最大抗拉承载力的85%×0.9=76.5%, 而对于长细比较大的横担钢管主材、斜材等, 有效利用率会更低。

　　 (3) 节间实际布置造成不等管径法兰裕度较大。实际钢管塔结构中, 在钢管主材连接位置, 两段钢管规格不相同时, 均将较大规格的主管延伸到规格较小主管的计算节间中^[10], 所以在不等径钢管连接时, 大管径法兰承载能力裕度往往偏大。

　　 基于锡盟-胜利工程初步设计资料, 针对直线塔、转角塔、跨越塔等12个典型塔型的结构计算书进行分析, 提取塔身及横担主材的受力计算结果, 将钢管杆件的计算轴拉力F₁与其相同直径最大壁厚钢管轴拉力F₂进行对比 (称为抗拉承载利用率γ=F₁/F₂) , 部分比例分布见图2。

　　 通过统计分析可知, 塔身钢管主材构件实际承受的最大拉力占其同强度同管径最大壁厚钢管抗拉承载力的比例最大为80%, 大部分处于60%~80%的范围;横担钢管主材构件实际承受的最大拉力占其同强度同管径最大壁厚钢管抗拉承载力的比例最大为97%, 大部分在85%以上。

　　 在钢管塔标准化设计中, 钢管插板接头已按100%, 70%, 50%进行了分级配置, 按不同的受力状况和构造要求进行分级使用。锻造法兰作为钢管主材连接件, 其实际使用过程中也存在受力状况的差异, 也应从实际应用出发进行强度级差分析和配置。结合钢管构件的受力特点, 并预留一定的安全裕度, 提出了按100%, 85%, 70%三个级差对锻造法兰进行强度分级。

　　 采用《输电线路钢管塔构造设计规定》 (Q/GDW 391—2009) ^[7]中锻造法兰的设计方法, 结合锡盟-胜利工程Q345钢管库规格, 按100%, 85%, 70%三个级差进行承载能力分级, 螺栓采用M8.8高强螺栓, 满足加工及安装尺寸要求, 按柔性法兰理论设计^[11]Q345强度级差锻造法兰规格库。

　　 对于等管径法兰, 按上述三个级差分级后, 低级差法兰重量均有大幅降低。对于不等管径法兰, 由于涉及大、小管径法兰的配对, 设计过程相对繁琐, 在小管径法兰按强度分级后, 则按小管径法兰设计承载力选配大管径法兰, 在满足大管径法兰设计承载力不低于小管径法兰设计承载力的前提下, 选择最低等级的大管径法兰与小管径法兰配对。不等管径法兰连接中, 将两个配对的大、小管径法兰 (含连接螺栓) 的重量称为法兰组重量, 在三个级差中, 如果低级别法兰组重量较高一级别的法兰组重量降低幅度不足5%时, 则为了精减法兰规格数量, 删除低级别不等管径法兰规格。

　　 通过以上的设计原则, 完成了锡盟-胜利工程Q345强度级差锻造法兰规格库的设计, 钢管直径范围140~914mm, 共267种强度级差锻造法兰, 其中等管径法兰87种, 不等管径法兰180种。选取钢管直径529mm的强度级差锻造法兰, 从规格库中取三个级差等管径法兰, 将法兰实际尺寸分别绘制成几何实体图进行比对, 见图3。85%与70%级差的法兰较100%级差法兰重量均有大幅下降, 其中85%级差较100%级差法兰本体重量降低20.2%, 70%级差较100%级法兰本体重量降低37.1%, 同时法兰尺寸减小, 也能降低杆塔风荷载。

　　 强度级差锻造法兰库的规格较多, 按以下方法和原则进行设计选配:

　　 (1) 等管径法兰连接:根据法兰所在节间的钢管实际轴拉力F_t, 在法兰库中选择受力最接近的对应管径的法兰承载力F, 满足F_t<F, 即可选出需要的法兰规格 (如FD4242H8-7) 。

　　 (2) 不等管径法兰连接:根据法兰所在节间的小管径钢管实际轴拉力F_t, 在法兰库中选择受力最接近的对应管径的法兰设计承载力F, 满足F_t<F, 即可选出需要的小管径侧的法兰规格 (如FD4235H8-6) ;对应的大管径侧法兰代码可直接在“配对法兰”列查询得到 (如FD4242H7-7) ;大、小管径侧法兰级差并非一致, 请设计单位务必按照法兰库查表应用。

　　 (3) 该法兰库规格必须与对应的钢管库规格对应, 如果钢管库规格中, 增加了钢管直径或者增大了钢管壁厚, 则法兰库均需要进行调整。

　　 (4) 对于塔身变坡点、塔脚等存在较大杆端弯矩的钢管节点, 应选用较高强度级差法兰或刚性法兰。

　　 在锡盟-胜利特高压工程中, 强度级差锻造法兰在部分塔型中得到应用, 选择SZ30105塔型, 取其最大呼高87m, 全塔总质量为249 592.2kg。分析其加工图, 该塔采用强度级差锻造法兰共220个, 法兰本体及法兰连接螺栓共14 209.2kg, 法兰比重为5.7%。当采用传统无级差锻造法兰进行替换后, 法兰本体及法兰连接螺栓共18 768.4kg, 法兰重质增加4 559.2kg, 全塔总质量为25 4151.4kg, 法兰比重为7.4%。通过以上数据分析可知, 采用强度级差锻造法兰后, 法兰质量 (含法兰连接螺栓) 节省4 559.2kg, 塔重降低1.8%左右。详细经济性分析见表2。

　　 在锡盟-胜利特高压交流工程中, 通过对Q345强度级差锻造法兰进行设计和应用, 主要得到以下结论:

　　 (1) 要提高钢管塔经济性, 需在加劲板、节点构造、锻造法兰等方面进行优化, 降低连接件比重。其中锻造法兰的价格较高, 降低锻造法兰的比重是节约钢管塔造价的有效手段。

　　 (2) 锻造法兰按抗拉承载力进行强度级差配置, 推荐强度级差为100%, 85%, 70%三个等级。

　　 (3) 锻造法兰库规格必须与对应钢管库的材质等级和规格配套, 对于塔身变坡点、塔脚等存在较大杆端弯矩的钢管节点, 应选用较高强度级差的锻造法兰或刚性法兰。

　　 (4) 通过工程实际应用, 采用强度级差锻造法兰节省塔材重量明显, 可有效提高特高压钢管塔精细化设计水平。