一种适用于高压输电线路的新型防坠脚钉的研制

0引言

在输电线路角钢塔维护和检修过程中,高空作业人员面临着许多类型的安全风险,其中攀登上下杆塔的过程风险最大,历年已出现多次人员伤亡事件。高空作业人员在上下杆塔过程中,可能出现打滑、疏忽、磕碰、体力不支等情况,在各类不可预测状况发生时,若防坠措施不到位,将产生人人都不愿面对的后果。

现有防坠落装置均存在局限性。目前国内有多种登塔防坠装置,例如防坠轨道、防坠器、防坠绳等,但防坠轨道并没有大范围安装,工作人员在安装防坠器、防坠绳装置时,也需要登塔,第一位登塔作业的人员同样存在很大的安全风险^[1]。

在杆塔具备防坠轨道、防坠器、防坠绳等设施的情况下,作业人员往往仅依靠其中一种设施的单一防护能力进行登塔,同样存在一定的安全隐患,一旦防坠措施失效、卡死,人员上下塔作业时将失去防护措施。

目前,各省老旧杆塔占比较大,半数超高压线路杆塔没有安装防坠轨道,新建输电线路杆塔也只在杆塔全高达到一定高度后才进行安装^[2],作业人员上下杆塔很大程度上依靠脚钉攀爬,即使人员使用双钩安全带,也只能与塔材形成连接,且杆塔某些部位并不适合悬挂双钩安全带,如:横担连接处、塔材较宽或凸出处等(图1)。人员在高空作业时,有可能会失去双钩安全带保护,产生极大风险。

1研制意义及思路

1.1 研制意义

输电线路脚钉是现有的一种输电线路杆塔攀登装置,用于人员上下杆塔检修、维护时,手脚攀登、抓握,适用于钢管塔、角钢塔,通常位于杆塔四条塔腿之一,钢筋制作,由螺栓固定于杆塔主材塔腿上。

由于高压输电线路检修作业存在杆塔高、环境区别大、人员个体差异等因素,高空登塔作业时,若无保护攀登,将产生极大的安全风险,也不符合安规规定^[3]。对于高空作业人员尤其是新参加工作或经验缺乏者,设计一种防坠落脚钉装置能够很好地解决其登塔、下塔过程中的心理、身体困难,保障人员安全。

1.2 研制思路

1)寻找最适宜的防滑纹路且满足基本攀登手握能力,具有可靠防滑性能;2)设计合理的新型脚钉结构,双钩安全带与脚钉连接部位应安全便捷可靠,人员使用方便;3)在塔腿上任意部位作业时,工具包或重物也能够悬挂于脚钉上,且有可靠、便捷的安全措施,避免高空坠物;4)改造后的脚钉不会对人员工作习惯产生影响;5)承载力验算;6)尺寸符合人员手部、足部尺寸,不会造成安全隐患^[4]。

2新型脚钉各部位设计

2.1传统脚钉尺寸测量

经过对500 kV输电线路实地测量,细化脚钉参数,数据如表1所示。

测量后,根据数据对脚钉进行模拟图绘制,如图2所示,500 kV脚钉平直部分长度120 mm,弯曲部分尺寸37 mm×35 mm,脚钉截面直径为14 mm。

2.2 防滑纹路选取

在光圆钢筋制作而成的脚钉表面打磨一层防滑纹路,参考目前1 000 kV洪台一线的杆塔脚钉,脚钉与手脚接触部分制作交叉纹路,相较于无纹路脚钉,减少了侧滑,增加了摩擦性,是最优选择的纹路,此设计使新型脚钉满足基本攀登手握能力,具有防滑性能。

2.3新型脚钉轮廓结构

针对脚钉结构的选择,提出三种方案,对原本脚钉结构进行改良,但在外观上存在一点差异。三种方案简介:方案一仅改造脚钉的末端,形成弯钩状;方案二在原有脚钉改造脚钉末端的基础上,附加一个圆环,能够悬挂双钩安全带;方案三在方案二的基础上,将圆环改为方环。最终确定选用方案三,此设计使新型脚钉能与双钩安全带进行可靠连接,且人员手握、脚踩均不受影响,具有防坠功能。

2.4尾端挂钩防脱设计

在脚钉末端弯挂钩处打孔,直径6 mm(末端挂钩不受力,打孔不影响脚钉整体承载力),作业人员随身携带销钉,当有需要时,将工具包或重物放置于弯钩内侧,插入销钉,形成稳定安全措施,防止工具包或重物坠落。取出工具包或重物时,需拔出销钉。销钉每隔10 m塔高预留一个,此设计功能完备,不易损,成本很低。

2.5 附加环设计

附加环最终设计尺寸为内宽100 mm,高80 mm,方环可以容纳人的脚部踩放、手部抓握,对初学登塔作业者产生极大的助力;解决方环尺寸过小的问题,使作业人员也能够用脚踩,丰富了人员登塔作业方式,降低了人员体力消耗。

2.6 设计详图

新型脚钉保留了旧脚钉的传统攀爬、脚踩功能,增加防滑纹路,使脚钉具有更好的防滑性能;增加下部方环,作业人员在登塔、下塔过程中, 自身双钩安全带通过下部方环固定连接,随作业人员上下交替拆解、固定,形成可靠防坠措施;增加末端弯钩及销钉防脱装置,能够临时钩挂工具包、重物及各类绳索。新型脚钉设计图如图3所示。

2.7 实物制作

进行实物制作加工,实物尺寸按照图纸执行,为 HRB400钢筋材质加工,实物如图4所示。防坠脚钉制作后重量为1.82 kg,经检验,能够与双钩安全带可靠连接。在作业人员登塔、下塔过程中,防坠安全带、防坠脚钉静荷载达到15kN,安全带静拉力不小于20kN,装置已通过试验荷载100 kg、冲击距离1 m及冲击次数10次的试验。

3   使用方法及效果检验

1)高空作业人员在登塔、下塔过程中 ,将自身携带的双钩安全带与下部方环连接挂好 , 随作业人员上下交替拆解、固定 ,形成可靠的防坠措施 ,达到预期效果。

2)新型脚钉末端弯钩设置销钉防脱装置 ,销钉在预留的孔洞中随取随放 ,末端弯钩能够钩挂工具包及各类重物、绳索 。销钉与弯钩搭配 ,组成了一种牢固安全的悬挂系统。

传统脚钉悬挂双钩安全带及背包情况与新型防坠脚钉悬挂情况对比如图5所示。

新型脚钉不改变基本功能 ,且在杆塔上安装的间距也不改变,仅改变了结构,增加了功能的同时,不会对人员工作习惯产生影响,尺寸符合人体手部抓握及足部穿作业鞋后的尺寸,达到预定目标。

4承载力检验

脚钉钢材的抗拉强度、抗剪强度、抗弯强度均满足设计值,本脚钉结构主要计算焊缝强度,据GB 50017—2017《钢结构设计标准》^[5],全熔透对接焊缝或对接与角接组合焊缝应按下列公式进行强度计算:

式中:ρ为对接焊缝强度计算值;N为轴心拉力或轴心压力;l_w为焊缝长度;h_e为对接焊缝的计算厚度,在对接连接节点中取连接件的较小厚度,在T形连接节点中取腹板的厚度;⨍_wt为对接焊缝的抗拉设计值。

所设计的脚钉与下部附加方环焊缝为熔透对接 焊缝,焊条为E43型,主要受拉应力,经取值,作业人员体重及脚钉最大瞬时受力N≤1961.33N,l_w=16mm,h_e=14mm。

经计算ρ=N/(l_wh_e)≈8.76N/mm²,查阅GB 50017—2017《钢结构设计标准》^[5],对接焊缝的抗拉设计值⨍_wt=170 N/mm²,得出ρ≤⨍_wt,满足承载力要求。

5 应用效果

新建线路直接采用防坠脚钉即可,对运行线路则需改造、替换原脚钉为防坠脚钉,施工简单,无须停电。脚钉防坠落装置因其安全易用、简单轻便、成本低等特点广受现场欢迎,较容易在新旧线路上推广应用。

目前,已计划在500 kV某158基杆塔上共安装使用24834支防坠脚钉,按照每支脚钉批量制作费用20元算,需投资49.68万元,每基塔成本3144元。投资约为导轨式装置保守平均投资2万元/基的15.72%,相对导轨式可节省266.32万元。

若以超高压公司 目前已运行的上万基铁塔计算,使用导轨式装置,至少要投资约2亿元,而推广使用脚钉式防坠装置,总投资约为3千万元,可为公司至少节省约1.7亿元的资金。如推广到国网公司、全国输电线路,其经济效益将更加可观。

6结束语

在新建线路中应考虑将防坠落脚钉纳入线路及杆塔结构设计中,并共同计算投资比例。选择合理的防坠落脚钉装置不但能有效降低登塔安全风险,提高登塔人员登高安全性,也能有效减轻登塔人员作业强度。因此,深入研究杆塔防坠落脚钉装置的优化和应用,是每一个输电线路工作人员应该重视的课题。

[参考文献]

[1]彭向阳,周华敏,姚森敬.输电线路杆塔防坠落装置应用现状及展望[J].广东电力,2010,23(12):1-7.

[2]刘宝龙,李昌甫,陆文叁,等.攀登超(特)高压输电线路铁塔方法分析与防坠落措施探究 [J].红水河,2017,36(1):87-89.

[3]王伟,王彪,朱金猛,等.输电线路安全登塔工具的研发[J].中国设备工程,2021(3):247-248.

[4]王磊,许建清,金桂如.输电铁塔防误登智能脚钉研究与应用[J].农村电气化,2023(11):95-97.

[5]钢结构设计标准:GB 50017—2017[S].

2024年第18期第4篇