CN106529019B - 一种基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

一种基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法，该评估方法包括以下步骤：a、通过有限元模型的建模分析，确定输电铁塔的失效腐蚀厚度δ_lim；b、根据公式δ＝Atⁿ计算出输电铁塔达到失效腐蚀厚度δ_lim时的服役时间t_max，其中，A、n为常数；c、根据公式δ＝Atⁿ计算出输电铁塔达到当前腐蚀厚度δ₀时的服役时间t₀，其中，A、n为常数，当前腐蚀厚度δ₀通过实际检测得出；d、根据公式N_t＝t_max‑t₀计算出输电铁塔的剩余使用寿命N_t。本设计不仅能对输电铁塔整体剩余寿命进行评估，而且准确度高、适用范围广、操作简便、成本低、实用性强。

Description

一种基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法

技术领域

本发明涉及电力工程领域，尤其涉及一种基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法，主要适用于对输电铁塔整体剩余寿命进行评估。

背景技术

近年来随着国民经济快速、稳步地增长，我国电力工业进入了快速发展的阶段，其中高压和超高压输电线路已成为我国电力工程中最重要的生命线，它们的建成和使用，标志着我国电力工业已经拥有较高的技术水平。电力输送网络承担着全国电力传输的任务，其中输电铁塔的安全可靠运行对于保证整个电力可靠输送至关重要，作为输电线路的主要组成部分，输电铁塔结构是输电线路中最重要的电力工程设施，是输电线路正常运行的基本保障，因此，输电铁塔结构的安全性关系着整个输电线路。可近年来输电铁塔结构倒塌事件却频繁发生，这不仅会影响电力的正常输送，更会给国家建设带来巨大的经济损失，所以输电铁塔结构的使用安全应倍受关注，只有保证输电铁塔结构安全正常的使用，才能得以保障输电线路正常运行，避免铁塔倒塌事故再次发生。

对于输电铁塔结构而言，因其长期暴露在自然环境中，所以除去结构自重和风荷载外，还会受到雨、雪、潮湿大气、工业大气、温度及风振乃至地震等作用，这些内因或者外因均会对输电铁塔结构的使用产生影响。当这些因素长期作用于输电铁塔，会使得铁塔构件腐蚀破损、承载能力下降，缩短或者终止输电塔的使用时间。除去无法预测的恶劣的天气的影响，比如罕见的大风或者暴雪天气，这种环境会对输电铁塔结构造成严重性变形或者破坏性倒塌，直接终止输电铁塔结构的使用；而其他正常因素的作用，比如腐蚀造成的构件截面削弱、断裂，以及构件材性变化等，也会影响输电铁塔的使用。这些因素的影响会使输电铁塔结构的安全性、可靠性存在不同程度的降低，严重影响铁塔的使用寿命。出于铁塔能安全运行的考虑，可以对正常因素对铁塔结构的影响进行预测或者控制，通过对其检测评估，并采取及时合理的措施，确保输电铁塔的正常使用，减少输电铁塔破坏或者倒塌事件发生的概率。

从上面分析来看，输电铁塔结构总会有一个使用寿命的限值，正常情况下铁塔的使用寿命指的是铁塔结构从建塔开始，到铁塔破坏或不适于继续承载和使用的时间过程。相应的，铁塔的剩余使用寿命为：从实际检测铁塔数据开始到铁塔破坏或者不适于继续承载使用所经历的时间。若不考虑非正常因素的影响，只在正常因素作用下评估铁塔的剩余使用寿命，那么对现有铁塔结构的腐蚀情况进行检测，研究输电铁塔结构在实际服役条件下的腐蚀现状和预估腐蚀发展趋势就显得很有必要。以正常工况为前提来推算输电铁塔的剩余使用年限，对输电铁塔的使用寿命作出宏观评估，这样不仅能够及时对输电铁塔进行维修和改造，而且能够减少铁塔倒塌事故的发生，防范于未然。因此，以科学、实用的方法对输电铁塔结构的剩余使用寿命进行评估，可以从一定程度上减小输电铁塔结构破坏或者倒塌事件发生的概率，对于提高我国输电塔线路安全等级、降低国家经济损失具有非常重要的作用，具有很明显的社会效益和经济效益。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不能对输电铁塔整体剩余寿命进行评估的缺陷与问题，提供一种能对输电铁塔整体剩余寿命进行评估的基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法，该评估方法包括以下步骤：

a、通过有限元模型的建模分析，确定输电铁塔的失效腐蚀厚度δ_lim；

b、根据公式δ＝Atⁿ(1)计算出输电铁塔达到失效腐蚀厚度δ_lim时的服役时间t_max，式(1)中，A、n为常数；

c、根据公式δ＝Atⁿ(1)计算出输电铁塔达到当前腐蚀厚度δ₀时的服役时间t₀，式(1)中，A、n为常数，当前腐蚀厚度δ₀通过实际检测得出；

d、根据公式N_t＝t_max-t₀(2)计算出输电铁塔的剩余使用寿命N_t。

步骤a中，所述通过有限元模型的建模分析，确定输电铁塔的失效腐蚀厚度δ_lim是指：

首先，建立不同几何长细比λ的输电铁塔模型，采用有限元分析软件ANSYS分析得出输电铁塔受削弱后的极限稳定荷载P_u；

其次，根据公式计算腐蚀后输电铁塔的稳定荷载的折减率ξ₁，式(3)中，P_u0为输电铁塔完好时的极限稳定荷载；

最后，根据上述计算结果，分别绘制出折减率ξ₁随正则化长细比λ_n的变化规律图和折减率ξ₁随腐蚀厚度δ的变化规律图，并通过两种变化规律图得出输电铁塔的失效腐蚀厚度δ_lim，其中，通过将几何长细比λ替换为正则化长细比λ_n，式(4)中，E为输电铁塔的弹性模量，f_y为输电铁塔的屈服强度。

步骤b与步骤c中，所述A表示输电铁塔第一年的腐蚀率，A的数值根据公式A＝A(0)+∑A(i)X(i)(5)进行计算，式(5)中，X(i)为输电铁塔的化学成分百分比含量或者环境的平均温度，A(0)、A(i)的数值均通过直观定量结果的多元逐步回归统计方法获取；

所述n表示腐蚀的发展趋势，n的数值根据公式n＝n(0)+∑n(i)X(i)(6)进行计算，式(6)中，X(i)为输电铁塔的化学成分百分比含量或者环境的平均温度，n(0)、n(i)的数值均通过直观定量结果的多元逐步回归统计方法获取。

步骤b与步骤c中，所述A的数值为0.02毫米～0.1毫米，所述n的数值为0.3～1.89。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、由于本发明一种基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法中通过幂函数腐蚀模型对输电铁塔整体剩余寿命进行评估，解决了既有研究只针对输电铁塔某一部件或只针对特定荷载情况下剩余寿命评估的问题。因此，本发明能对输电铁塔整体剩余寿命进行评估。

2、由于本发明一种基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法中采用幂函数腐蚀模型评估的结果与暴露试验值的结果最为吻合，可为大多数地区的大气腐蚀模型提供参考，且由于该方法简单，涉及参数少，所需进行的研究工作量大大减少，实际工程中，只需测量当前输电铁塔的腐蚀深度即可，实用性强。因此，本发明不仅准确度高、适用范围广，而且操作简便、成本低、实用性强。

附图说明

图1是本发明中有限元计算模型图。

图2是图1的细部处理图。

图3是本发明中折减率ξ₁随正则化长细比λ_n的变化规律图。

图4是本发明中折减率ξ₁随腐蚀厚度δ的变化规律图。

图5是本发明中电化学腐蚀的孔蚀示意图。

图6是本发明中碳钢、低合金钢大气腐蚀示意图。

图7是本发明中三阶段腐蚀模型的腐蚀过程示意图。

图5中，1代表沉积物，2代表金属构件，3代表腐蚀产物图。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1至图4，一种基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法，该评估方法包括以下步骤：

a、通过有限元模型的建模分析，确定输电铁塔的失效腐蚀厚度δ_lim；

b、根据公式δ＝Atⁿ(1)计算出输电铁塔达到失效腐蚀厚度δ_lim时的服役时间t_max，式(1)中，A、n为常数；

c、根据公式δ＝Atⁿ(1)计算出输电铁塔达到当前腐蚀厚度δ₀时的服役时间t₀，式(1)中，A、n为常数，当前腐蚀厚度δ₀通过实际检测得出；

d、根据公式N_t＝t_max-t₀(2)计算出输电铁塔的剩余使用寿命N_t。

步骤a中，所述通过有限元模型的建模分析，确定输电铁塔的失效腐蚀厚度δ_lim是指：

首先，建立不同几何长细比λ的输电铁塔模型，采用有限元分析软件ANSYS分析得出输电铁塔受削弱后的极限稳定荷载P_u；

其次，根据公式计算腐蚀后输电铁塔的稳定荷载的折减率ξ₁，式(3)中，P_u0为输电铁塔完好时的极限稳定荷载；

最后，根据上述计算结果，分别绘制出折减率ξ₁随正则化长细比λ_n的变化规律图和折减率ξ₁随腐蚀厚度δ的变化规律图，并通过两种变化规律图得出输电铁塔的失效腐蚀厚度δ_lim，其中，通过将几何长细比λ替换为正则化长细比λ_n，式(4)中，E为输电铁塔的弹性模量，f_y为输电铁塔的屈服强度。

步骤b与步骤c中，所述A表示输电铁塔第一年的腐蚀率，A的数值根据公式A＝A(0)+∑A(i)X(i)(5)进行计算，式(5)中，X(i)为输电铁塔的化学成分百分比含量或者环境的平均温度，A(0)、A(i)的数值均通过直观定量结果的多元逐步回归统计方法获取；

所述n表示腐蚀的发展趋势，n的数值根据公式n＝n(0)+∑n(i)X(i)(6)进行计算，式(6)中，X(i)为输电铁塔的化学成分百分比含量或者环境的平均温度，n(0)、n(i)的数值均通过直观定量结果的多元逐步回归统计方法获取。

步骤b与步骤c中，所述A的数值为0.02毫米～0.1毫米，所述n的数值为0.3～1.89。

本发明的原理说明如下：

1、当前输电铁塔腐蚀破坏形式分析

我国现有的输电线路大多跨越距离长、所处环境复杂，与此同时，存在大量运行时间达20～30年甚至更长的老旧线路，这使得我国输电铁塔均存在不同程度的腐蚀，按腐蚀类型可分为：(1)电化学腐蚀。铁塔构件电化学腐蚀主要为析氢腐蚀、吸氧腐蚀、钝化及孔蚀。析氢腐蚀及吸氧腐蚀均使铁塔构件发生了氧化还原反应，造成铁塔构件成分变化及截面削弱。钝化是某些活泼金属或其合金阳极过程受到阻滞而产生的高耐蚀状态，复杂环境下的铁塔构件钝化将会对构件承载力造成极大折减。孔蚀(如图5所示)是一种外观隐蔽而破坏性大的局部腐蚀，又称点蚀。它通常发生在易钝化金属或合金中，往往同时有侵蚀性阴离子(如Cl^-)与氧化剂共存。它从金属表面开始，最后形成通常被腐蚀产物覆盖的凹坑，造成铁塔构件截面剧烈削弱。(2)大气腐蚀。通常，受到污染的大气中往往含有水汽、SO₂、NH₃和NO₂等气体杂质及各种悬浮颗粒和灰尘，重庆地区实际大气组成就与此相似。在这种潮湿的、强烈污染的工业大气中，金属很容易发生大气腐蚀，金属的表面会形成液膜层，由于这种含饱和氧的电解液膜的存在，使得大气电化学腐蚀中的氧去极化过程会变得易于进行；另一方面，大气腐蚀的阳极过程会受到极大的阻滞。阳极钝化及金属离子水化过程的困难是造成阳极极化的主要原因。在薄液膜层下，腐蚀微电池的电阻显著增大，微电池作用范围变小。因此，大气腐蚀的腐蚀形态较海水或土壤腐蚀更为均匀。但在干湿条件下，腐蚀层将发生渗透、交叉化学反应，加速铁塔构件腐蚀，致使截面发生断裂破坏。通过上述腐蚀类型分析可知，我国输电铁塔绝大部分均暴露于复杂大气环境中，且受到电化学腐蚀严重，若不及时对其腐蚀状况进行评估和处理，任由其腐蚀持续发展，会对输电线路的安全运行造成极大隐患。因此，采用科学、合理且有效的腐蚀模型对评估铁塔的剩余使用寿命具有十分重要的意义。

2、现有腐蚀模型及其局限性

经过多年来的大量试验研究和理论分析，逐渐形成较为主流的几种钢材腐蚀模型。对于一般没有严重污染物的大气环境，具有腐蚀保护系统的钢的腐蚀过程如图6所示，分为三个阶段：

1)无腐蚀阶段，t∈[0，T_st]；

2)快速腐蚀阶段，t∈[T_st，T_A]；

3)腐蚀减缓阶段，t∈[T_A，T_L]。

其中，T_st是腐蚀开始的时间，提前于腐蚀保护系统完全失效时间T_cl，但为简便起见，设T_st＝T_cl，T_A是快速腐蚀到腐蚀减缓阶段的转折的时间点，T_L代表结构的使用寿命和维修周期。

腐蚀开始后由于刚生成的锈层比较疏松，不能有效阻止腐蚀介质的扩散，所以出现一个快速腐蚀的过程随着锈层致密层逐渐生长，腐蚀过程受到阻滞，腐蚀速率也开始逐渐变慢。腐蚀的过程比较复杂，其类型较多，影响腐蚀的因素也很多，不同地域可能差别明显，所以腐蚀模型应根据钢种在当地的大气腐蚀数据来选择确定，才能较好反映实际情况。以下为现有的几种腐蚀模型。

(1)幂函数模型

碳钢和低合金钢的大气腐蚀速率较大，暴露几天即布满黄锈，随着时间的延长，锈蚀不断发展。通过对腐蚀结果的回归分析，证明其大气腐蚀发展遵循幂函数规律，如式(1-1)所示：

δ＝Atⁿ(1-1)

式(1-1)中：δ为腐蚀深度；t为暴露时间；A，n为常数参数，与输电铁塔所在环境的大气条件及气候情况密切相关。

(2)灰色GM(1,1)模型

GM(1,1)模型的建模过程中，对原始数列X⁽⁰⁾>＝{x₁,x₂,…,x_n}进行累加生成，并按照灰色理论的有关假设和规定，利用微分方程表达其动态特性、构造矩阵、估计参数得到时间响应方程：

式中：是原始数列(平均腐蚀失重或者平均腐蚀深度)的第一个值；是累加生成的数列的第(k+1)个估计值；a称为发展系数，反映的发展态势；u称为灰色作用量，它的大小反映数据的变化关系，在系统中相当于作用量。还原数列即可得预测值，其中

GM(1,1)方法属于软科学方法中的灰色理论，对数据的适用性较好，但模型的建立过程相对复杂。

(3)考虑大气成分的腐蚀模型

式(1-4)中，C是平均失重(g/m²)；Cl^-是氯离子的浓度(mg/m²)；SO₂是硫化物的浓度(mg/m²)；t_rain和mm是降雨的时间和毫米数；τ_5-25和τ_25-35是温度分别在5-25和25-35摄氏度、相对湿度(RH>80％)的时间；a，b，c，d，e，f，g，h为待定系数。

该模型是根据腐蚀机理，结合腐蚀数据而建立的，考虑了影响腐蚀的诸多因素。上式为通式，不同环境下可以根据实际数据略去一些对C贡献小的项。

(4)三阶段的腐蚀模型

有研究表明腐蚀过程开始后可以分为三个阶段，如图7所示，第一阶段是快速腐蚀阶段，第二、三阶段是腐蚀减缓阶段分为前期和后期每个阶段应该采用不同的腐蚀模型。

第一阶段，时间范围约为0～1年，以线性规律来描述：

y＝a·t(1-5)

式(1-5)中，y为平均腐蚀深度，t为腐蚀时间(以下都用此符号表示)，a为待定系数。

第二阶段，时间范围约为1～8年，以抛物线规律描述：

y²＝k·t+c(1-6)

由于腐蚀过程的复杂性，平方抛物线规律写成如下的通式:

yⁿ＝k·t+c(1-7)

式(1-7)中，n>0，不一定是整数，为了实用，简化为：

y＝At²+Bt+C(1-8)

式(1-8)中，k、c、K、A、B、C为待定系数。

第三阶段，时间范围约为8年以后，同样用线性规律描述，只是腐蚀速度很缓慢，斜率较小。

上述(2)至(4)所述的三种腐蚀模型都有其局限性：灰色系统的GM(1,1)模型，要求各处理点的试验时间间隔相等，而我国大气腐蚀网站所提供的碳钢及低合金钢的材料数据腐蚀数据时间为1年、2年、4年、8年，时间间隔不相等，因此它的应用有一定的局限性；考虑大气成分的腐蚀模型从腐蚀原理出发，有利于腐蚀的实验研究，但是目前在国内还没有相关文献进行研究对比，且此模型需要的已知因素较多，公式中待定参数也较多，实际工程中使用存在很大困难；分三阶段的腐蚀模型则结合我国多个地区碳钢的8年、16年的腐蚀数据拟合，在目前腐蚀模型中腐蚀数据较为全面，模型使用范围较广，但是模型各个阶段适用年限有一定的限制，并且第二阶段公式简化会使得模型效果与实际腐蚀情况产生误差，所以该模型在本工程中的应用还有待展开进一步研究。因此，若基于以上三种模型建立输电铁塔剩余寿命评估计算方法，不仅会减缓研究进程，也将极大地限制评估方法的使用范围。

3、基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法的创新性说明

因锈蚀而导致铁塔构件截面削弱，引起构件和整塔的刚度变小，由此导致的铁塔破坏过程是循序渐进、有律可循的，目前的腐蚀模型研究成果也印证了这一点。对比几种腐蚀模型，幂函数形式的模型与以上三种模型相比，其表达形式简单，且多年来国内学者对大气腐蚀模型的大量研究表明，幂函数模型具有更好的实用性，更能遵循钢材在大气中腐蚀的发展规律。国内有关学者通过对7个不同地区17种钢材进行的16年腐蚀检测工作中发现，幂函数模型预测的结果与暴露试验值的结果较为吻合，可为大多数地区的大气腐蚀模型提供参考，且由于其形式简单，待定参数少，所需进行的研究工作大大减少。因此，本设计的评估方法将采用如式(1-1)所示的幂函数形式模型，即：

δ＝Atⁿ(1-1)

式中：δ为腐蚀深度；t为暴露时间；A，n为常数参数，与输电铁塔所在环境的大气条件及气候情况密切相关。

目前，针对铁塔寿命的研究主要包括疲劳寿命、基础耐久性寿命预测和风荷载作用下剩余寿命计算。疲劳寿命、基础耐久性寿命预测既有研究均只针对铁塔的某一部件开展，无法扩展到铁塔整体结构，亦无法获得相关计算方法；而风荷载作用下剩余寿命计算，虽有可用计算方法，但其只针对特定荷载，对一般工作环境下的服役铁塔并不适用。本评估计算方法首次提出对铁塔整体剩余寿命进行预测，实现了铁塔整体剩余寿命研究领域从无到有的突破，极具建设意义。由陆国威2012年发表于《建材技术与应用》(2012,09:32-33)文章《输电铁塔风荷载作用下剩余寿命的计算方法》的分析中可看出，风荷载作用下剩余寿命计算，振型叠加时所需参数繁多，且需通过有限元分析大量构件才能判定控制界面，计算过程过于复杂，不具普适性。本评估方法所采用的计算模型参数少，计算简便。在实际工程易于操作，仅需测量输电铁塔腐蚀深度即可进行相应计算，实用性强。

4、幂函数腐蚀模型分析

幂函数模型对钢材进行全过程大气腐蚀拟合时虽具有一定误差，但幂函数模型是目前使用较为成熟的一种模拟模型，且使用较为方便。相关科研院所在我国进行了17种钢7个试验点的16年大气暴露腐蚀试验，试验点的环境包括了亚热带、温带、工业性、海洋性、干燥环境及湿热环境等各种典型环境。为了分析各种因素对钢的腐蚀作用，试验过程中试用了几种常用的统计方法来建立钢的大气腐蚀预测模型，经过对比比较，最终采用了可以得到直观定量结果的多元逐步回归统计方法，实验数据表明利用幂函数模型预测钢材大气腐蚀量与实际腐蚀深度值吻合程度较高。

A值相当于第一年的腐蚀率，其数值在0.02mm～0.10mm的范围内变化，A的取值主要与环境有关，随污染程度而增加。此外，A值也与钢种也有关，随合金含量增加而降低，但差别不大。n值表征腐蚀的发展趋势，n值随钢种和环境变化极大，其取值最低可以到0.3，最高可达1.89，在一般环境中n值为0.4～0.8，即一般大气腐蚀是一个收敛过程。钢的大气腐蚀的动态参数A值和n值被用来作为因变量，环境因素及钢的化学元素含量作为变量，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的系数，X(i)是因子i的数值。当因子是钢的化学成分时，X(i)为钢的化学成分百分比含量。当因子是环境因素时，X(i)为环境因子的平均或累积量，如平均温度。同时，因子也可以是某个因素的乘方或某几个因素的乘积。实际应用中，采用可以得到直观定量结果的多元逐步回归统计方法，获取A(0)，n(0)，A(i)和n(i)等各项参数。

上式描述了腐蚀时间函数与各影响因素之间的数学关系。然而，对于各项因素及其系数的具体取值，因涉及地理空间广阔、时间久远，目前尚无进行充分研究。因此，在实际工程中，往往通过对锈蚀程度的长期观测，积累出不同的(δ，t)二维时空坐标点，然后利用大量的数据点，对腐蚀公式(δ＝Atⁿ)进行拟合，以得到实际钢结构在未来的腐蚀规律，并对其剩余使用年限进行预测。

5、临界腐蚀厚度的确定

现行服役铁塔，各部分所采用的构件常为单角钢或格构式角钢构件。这些构件的结构形式，均为经过充分研究的成熟结构形式，其中绝大部分构件承载力在锈蚀下的变化，可通过成熟的理论进行计算。鉴于构件所存在的问题，本设计以四肢组合“十字”型格构压杆为例，采用有限元法，研究在不同腐蚀程度作用下对构件稳定系数与承载力的影响，以及腐蚀对承载力的折减程度，最终确定构件的临界腐蚀厚度，为评估铁塔的剩余使用寿命提供数据支撑。

为充分研究钢材腐蚀对组合构件的影响，可建立具有不同长细比λ(20～250，间隔5)的构件模型。模型中考虑节点板削弱厚度范围δ由0.1mm增至1.0mm，每隔0.1mm计算一组模型，并将削弱后的节点力学性能与完好节点进行对比，研究跨越塔构件的力学性能因腐蚀而产生的变化施加约束和荷载，采用非线性求解方法，求解模型的极限稳定荷载P_u，其中，有限元计算模型图和细部处理图分别为图1和图2。

为充分研究构件承载力的变化，按式(2-3)计算腐蚀后构件稳定承载力的折减率ξ₁：

式(2-3)中，P_u为构件受削弱后的极限稳定承载力，P_u0为完好构件的极限稳定承载力。

根据计算结果并分别绘制出承载能力折减率随长细比和腐蚀厚度的变化规律图，如图3、图4所示。其中，图3中横坐标采用正则化长细比λ_n代替几何长细比λ，替换过程按式(2-4)，其中，进行E为输电铁塔的弹性模量，f_y为输电铁塔的屈服强度；

从图3可以看出：“十字”型角钢组合构件的稳定承载力折减率ξ₁，受长细比λ影响不大。由图4可以明显看出：ξ₁对腐蚀厚度δ较为敏感，且ξ₁与δ成线性正相关关系；在δ不大于1.0mm时，稳定承载力折减率ξ₁均不超过5％。对于厚度为24mm的角钢构件而言，若腐蚀达到1％，其强度下降约为1％。而若角钢构件双面腐蚀各达5％(截面削弱1mm)，该构件将不能维持继续使用，由此可认为腐蚀程度的限值δ_lim为5％。铁塔构件被腐蚀后，其厚度会因腐蚀而不断减小，当构件厚度因削弱达到临界厚度δ_lim时，构件达到极限承载力。结合ANSYS分析的构件的腐蚀临界限值δ_lim，运用幂函数模型可以准确地对铁塔的剩余寿命进行评估。

综上，基于腐蚀模型的输电铁剩余寿命评估计算方法，是以科学、合理且较为准确的腐蚀模型为基础，采用有限元法确定其临界腐蚀深度，再通过检测获得当前构件实际腐蚀深度，最后将其当前腐蚀深度和临界腐蚀深度带入腐蚀模型，计算铁塔的剩余使用寿命的评估方法。基于腐蚀模型的输电铁剩余寿命评估计算方法，具有如下技术创新点与优势：(1)本设计提出了一种基于幂函数腐蚀模型的铁塔剩余使用寿命实用评估方法，弥补铁塔剩余寿命研究领域针对铁塔整体剩余寿命研究空缺，开启了铁塔整体剩余寿命研究新纪元；(2)本设计通过有限元数值仿真分析发现：铁塔的稳定承载力折减率ξ₁，受长细比λ影响不大，但对腐蚀厚度δ较为敏感，且ξ₁与δ成线性正相关关系；在δ不大于1.0mm时，稳定承载力折减率ξ₁不超过5％。基于此结果，提出的基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法，具有坚实的理论基础；(3)铁塔结构从开始腐蚀到丧失继续承载或使用的能力的过程中，总会存在一个腐蚀厚度临界限值δ_lim。本设计通过对既有铁塔腐蚀数据资料进行回归分析，辅以有限元分析软件ANSYS仿真建模分析，求解出δ_lim数值。根据有限元模拟结果，当角钢构件双面腐蚀各达5％(截面削弱1mm)，该构件将不能继续使用，由此可认为腐蚀程度的限值δ_lim为5％。这一结论可作为工程中快速判定构件失效的依据，简化工序、提高效率，极具指导意义；(4)大量的工程统计分析资料均显示，相比于其他模型，本设计所采用的幂函数模型具有模拟腐蚀结果与钢材实际腐蚀情况吻合度高的明显优势，且幂函数模型待定参数少，便于实际工程运用，特别是当评估样本量较大时，本方法可实现快速、批量、高效、准确地评估，具有普遍适用性。

实施例：

一种基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法，以华中地区已使用了29年的某跨越输电铁塔为研究对象，该评估方法包括以下步骤：

a、通过有限元模型的建模分析，确定输电铁塔的失效腐蚀厚度δ_lim；

首先，如图1、图2所示，建立不同几何长细比λ(20～250，间隔5)的输电铁塔模型，模型中考虑节点板削弱厚度范围δ由0.1mm增至1.0mm，每隔0.1mm计算一组模型，并将削弱后的节点力学性能与完好节点进行对比，研究跨越输电铁塔的力学性能因腐蚀而产生的变化施加约束和荷载，采用非线性求解方法，得出输电铁塔受削弱后的极限稳定荷载P_u；

其次，根据公式计算腐蚀后输电铁塔的稳定荷载的折减率ξ₁，式(3)中，P_u0为输电铁塔完好时的极限稳定荷载；

最后，根据上述计算结果，分别绘制出折减率ξ₁随正则化长细比λ_n的变化规律图(图3)和折减率ξ₁随腐蚀厚度δ的变化规律图(图4)，并通过两种变化规律图得出输电铁塔的失效腐蚀厚度δ_lim，其中，通过将几何长细比λ替换为正则化长细比λ_n，式(4)中，E为输电铁塔的弹性模量，f_y为输电铁塔的屈服强度；通过有限元法分析得到角钢构件双面腐蚀各达5％，该构件将不能维持继续使用，即构件达到腐蚀程度限值δ_lim，该输电铁塔采用等边角钢∟180×20，当腐蚀程度达到δ_lim＝5％时，即失效腐蚀厚度δ_lim＝1.0mm；

b、根据公式δ＝Atⁿ(1)计算出输电铁塔达到失效腐蚀厚度δ_lim时的服役时间t_max，式(1)中，A、n为常数，所述A表示输电铁塔第一年的腐蚀率，A的数值为0.02毫米～0.1毫米，具体A的数值根据公式A＝A(0)+∑A(i)X(i)(5)进行计算，式(5)中，X(i)为输电铁塔的化学成分百分比含量或者环境的平均温度，A(0)、A(i)的数值均通过直观定量结果的多元逐步回归统计方法获取；所述n表示腐蚀的发展趋势，n的数值为0.3～1.89，具体n的数值根据公式n＝n(0)+∑n(i)X(i)(6)进行计算，式(6)中，X(i)为输电铁塔的化学成分百分比含量或者环境的平均温度，n(0)、n(i)的数值均通过直观定量结果的多元逐步回归统计方法获取；针对本设计的研究对象，取A＝0.055，n＝0.73，然后，将失效腐蚀厚度δ_lim＝1.0mm带入式(1)，计算得到t_max＝53.15；

c、根据公式δ＝Atⁿ(1)计算出输电铁塔达到当前腐蚀厚度δ₀时的服役时间t₀，式(1)中，A＝0.055，n＝0.73(A、n的取值理由同步骤b)，实际检测输电铁塔当前腐蚀厚度δ₀＝0.74mm，将当前腐蚀厚度δ₀＝0.74带入式(1)，计算得到t₀＝35.19；

d、根据公式N_t＝t_max-t₀(2)计算出仅考虑腐蚀速率影响时输电铁塔的剩余使用寿命N_t：

N_t＝t_max-t₀＝53.15-35.19＝17.96

因此，对于此输电铁塔，若今后不进行任何维护措施，按照当前运行状况，其剩余使用年限仅为17.96年。

当输电铁塔环境比较恶劣时，铁塔构件厚度削弱量会变大。但鉴于以往检测结果，常规自然环境下，铁塔的腐蚀深度一般不会超过1mm。对于非常规自然环境下，若其腐蚀深度超过1mm时，应根据当地气候环境进行腐蚀模拟试验，通过对腐蚀数据的回归分析，将腐蚀模型中的参数A、n进行相应修正，以获得更准确的评估结果。

Claims (2)

1.一种基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法，其特征在于，该评估方法包括以下步骤：

a、通过有限元模型的建模分析，确定输电铁塔的失效腐蚀厚度δ_lim；

b、根据公式δ=Atⁿ（1）计算出输电铁塔达到失效腐蚀厚度δ_lim时的服役时间t_max，式（1）中，A、n为常数；

c、根据公式δ=Atⁿ（1）计算出输电铁塔达到当前腐蚀厚度δ₀时的服役时间t₀，式（1）中，A、n为常数，当前腐蚀厚度δ₀通过实际检测得出；

d、根据公式（2）计算出输电铁塔的剩余使用寿命N_t；

步骤a中，所述通过有限元模型的建模分析，确定输电铁塔的失效腐蚀厚度δ_lim是指：

首先，建立不同几何长细比λ的输电铁塔模型，采用有限元分析软件ANSYS分析得出输电铁塔受削弱后的极限稳定荷载P_u；

其次，根据公式（3）计算腐蚀后输电铁塔的稳定荷载的折减率ξ₁，式（3）中，P_u0为输电铁塔完好时的极限稳定荷载；

最后，根据上述计算结果，分别绘制出折减率ξ₁随正则化长细比λ_n的变化规律图和折减率ξ₁随腐蚀厚度δ的变化规律图，并通过两种变化规律图得出输电铁塔的失效腐蚀厚度δ_lim，其中，通过公式（4）将几何长细比λ替换为正则化长细比λ_n，式（4）中，E为输电铁塔的弹性模量，为输电铁塔的屈服强度；

步骤b与步骤c中，所述A表示输电铁塔第一年的腐蚀率，A的数值根据公式A=A(0)+∑A(i)X(i)（5）进行计算，式（5）中，X(i) 为输电铁塔的化学成分百分比含量或者环境的平均温度，A(0)、A(i) 的数值均通过直观定量结果的多元逐步回归统计方法获取；所述n表示腐蚀的发展趋势，n的数值根据公式n=n(0)+∑n(i)X(i)（6）进行计算，式（6）中，X(i) 为输电铁塔的化学成分百分比含量或者环境的平均温度，n(0)、n(i)的数值均通过直观定量结果的多元逐步回归统计方法获取。

2.根据权利要求1所述的一种基于腐蚀模型的输电铁塔剩余寿命评估方法，其特征在于：步骤b与步骤c中，所述A的数值为0.02毫米～0.1毫米，所述n的数值为0.3～1.89。