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2018年09月18日

复合材料杆塔因何能在强台风中矗立不倒!

 

 

  2014年7月,来势汹汹的14级台风威马逊袭击广东。七万多根混凝土和金属杆塔不敌台风威力而倒塌,不仅造成惨重的财产损失,也让大片区域陷入停电。但令人惊奇的是,在台风中有一批塑料杆塔却始终矗立不倒,甚至在台风中轻微地“随风摇曳”。

  当然,能够抗击台风的塑料杆塔使用的不是普通塑料,而是巴斯夫研发的一种高强度、高韧性的聚氨酯复合材料。与普通杆塔相比,这种采用巴斯夫聚氨酯组合料Elastolit® 的新型杆塔可将抗风能力提升2.5倍。

  不仅如此,新型复合材料杆塔为空心的筒柱,重量仅为同类型杆塔的不到1/4——普通杆塔的重量通常在1100公斤,而复合材料杆塔仅为250公斤,可以人工搬运和安装。在安装间距方面,这种轻型聚氨酯复合材料杆塔的安装间距能达到120米,而普通杆塔的安装间距最多不超过50米。

 

不倒的秘密

  看似不易产生创新的杆塔,其“不倒”的秘密在于制造材料的彻底改变。传统杆塔主要依靠自身的重量深扎进地面,从而起到支撑作用。但遇到超出平常的台风,这种过于纯粹的“刚性”则失去了抵抗力,相反兼具“刚性”和“柔韧性”的杆塔才能在更强的台风中矗立不倒。新型塑料杆塔就是兼备这两种品质的玻璃纤维和聚氨酯通过缠绕工艺制成的复合体。 

  “巴斯夫对于重造杆塔的启发主要来自于本土市场的需求,这是一项由巴斯夫中国本土研发团队主导完成的创新。”巴斯夫亚太特性材料部门高级经理韩玮博士说,“当然,我们的全球研发部门在此之前已经在玻纤和聚氨酯材料复合方面的积累了丰富的经验。”

  聚氨酯是一种多才多艺的高分子材料,它的特点是重量轻且可调范围非常广——既可以做得很硬,也可以很软,两个看似表面特征截然不同的东西很可能在本质上都是聚氨酯产品。玻璃纤维的特点是强度极高,但如果没有树脂类粘合剂将它们粘合起来,其强度无法发挥。

  玻纤聚氨酯复合后则可以兼具两种物质本身的特性,将强度和柔韧性完美的结合在一起,达到了“1加1大于2”的效果。“事实上,玻纤聚氨酯复合材料不仅兼具强度和韧性,耐冲击、耐腐蚀、抵抗紫外线的能力非常好。”韩玮说,在巴斯夫,玻纤聚氨酯复合材料已经有广泛应用,比如做成汽车外饰件替代传统的金属制品。


 

得益于复合材料电线杆,安徽黄山地区的电力抢修时间大幅缩短。图为几名电力施工人员正在运输新型电线杆。

  安徽黄山地区是典型的山区地带,多山环绕,地势险要,要在这里架设电线杆并非易事。曾在安徽电力设计院工作30余年的董翘男对此深有感触。

  一根传统的水泥电线杆重达1200公斤,需要几十名工人一起搬运上山,而十多米的杆在道路拐弯时摆尾幅度很大,运输过程中稍有不慎就有可能砸到搬运人的脚。近年来山区年轻劳动力大量流失,电力系统架设也面临着“招工难”的问题。

  而在寒冬腊月,导线上的积雪与冰霜容易产生不平衡力将传统电线杆折断。“由于施工困难,抢修时间往往很长。以前在黄山,断电一个星期的事情常有发生。”董翘男说。

  施工难、抢修难仅是一方面,水泥电线杆的生命周期也不长。一般而言,气候环境较好地区的水泥杆可使用20年。“目前国内约有5到10亿根电线杆,然而,高达50%的杆都是‘带病运行’。”董翘男说。水泥是一种脆性材料,在经历了3-5年的高温、寒冬后,表面易开裂。当雨水、雪水深入杆体,腐蚀内部的钢筋,水泥杆就容易倒塌。在一些极端环境,如盐碱地、河滩湿地中,其使用寿命则更短。

 

上下游合作 共育创新

  为了应对这一挑战,自2010年起,巴斯夫便开始探索将聚氨酯材料引入电力行业。这是一项基于本土市场需求并由中国本土研发团队主导完成的创新。为了深入了解中国市场的情况,巴斯夫特性材料部门建筑行业团队邀请了拥有30年行业经验的董翘男作为项目顾问。在董翘男看来,解决这一问题的突破口在于电杆新材料的开发与应用,而巴斯夫凭借其研发部门在聚氨酯复合材料领域积累的丰富经验,正有改变这一行业的能力。由董翘男创立的安徽汇科恒远复合材料有限公司便与巴斯夫展开了在复合材料电线杆开发上的合作,涉及研发、生产、市场等多方面。这一合作确保了优质可靠的产品应用于电力行业,并保障了电力供应的安全。

 

复合材料电线杆重量仅为传统电杆的1/6,极大地节省了人力。

 

  复合材料电线杆采用了巴斯夫的聚氨酯组合料Elastolit® 。在实际使用中,其优势得以充分展现:它强度大、韧性好,能有效抵御冰雪、大风、竹木倒伏等自然灾害侵袭;由于重量仅为传统电杆的1/6,它施工简单,两名工人即可完成从运输到安装的全过程。更加令人惊喜的是,它的使用寿命达到了50年以上。“复合材料电线杆大幅缩短了供电抢修的时间,降低了电杆的施工成本,为电力行业带来了一场深刻的变革。”董翘男点评道。

  对于熟悉电力行业但是对生产并不精通的董翘男来说,巴斯夫提供的帮助不仅在于原料供应。“巴斯夫还为我们引进设备供应商、提供制造指导等各个方面的帮助。”董翘男说。在建厂的起步阶段,巴斯夫甚至委派了技术人员驻厂指导生产制造。“巴斯夫在行业内深耕多年,积累了诸多可借鉴的实际经验。我们不止提供材料性能的支持,更与客户一起创造产品的更高附加值。”巴斯夫大中华区特性材料部门建筑行业销售经理杨啸堃说。

 

量体裁衣 应对电力行业多样化场景

  除了黄山地区,经常面临台风灾害的南方沿海城市与部分东南亚国家也从这种新型杆上获益。2014年7月,14级台风威马逊袭击广东,能在大风中屹立不倒的正是这种复合材料电线杆。由于在台风强袭下依旧表现良好,该复合材料电线杆已获得中国南方电网有限责任公司的认可。

 

2名电力施工人员正将传统水泥电线杆(前)替换为复合材料电线杆。


  这一局面来之不易。众所周知,电力行业对产品质量要求非常严苛,准入门槛很高,严格的产品实验和效果论证必不可少。得益于复合材料电线杆在南方多地的上佳表现,董翘男的汇科恒远正积极与国家电网公司接触,开拓多样地貌气候环境下的使用场景。目前,复合材料电线杆已在广东、云南、海南、新疆、西藏、湖南、湖北、安徽以及福建等地开展试点。

  使用场景的拓展给产品带来新的要求。“一杆符合所有场景”的情况显得过于理想化,售卖标准品的商业模式也没办法立足。“材料只有在实际应用中才能被挖掘出最大价值。因此,我们需要从电力行业的实际使用需求出发,从回答‘我们提供什么’转化为‘我们解决什么’。”杨啸堃说。

  比如,在新疆,电线杆需要面临的是抗强风沙的需求。“曾有同事在新疆吐鲁番亲眼见过被12级风沙侵袭后的电线杆,杆体千疮百孔,满是小洞。”杨啸堃说。针对这一场景,汇科恒远与巴斯夫展开深入讨论,双方发现,可以通过在杆体外增加保护层来抵御风沙。但当时缺少保护层供应商。于是,巴斯夫找到一家生产商,并邀请他们一起加入来完成适用于强风沙场景的产品开发。接下来,巴斯夫还将联合产业链各方,针对新疆极寒天气(零下60度)做出相关解决方案。

 

面向未来 跨行业的更多可能

  目前,复合电线杆的应用主要聚焦在低压配网领域,高压输网领域的应用还是一块处女地。高压输电塔架大多为钢结构,重量达几十吨,导致运输成本居高不下。在欧洲,针对轻量型塔架的研究已经展开。在挪威,本地的大学研究机构和巴斯夫就在合作研发新型复合材料的塔架。作为领先的化工公司,巴斯夫不仅能够提供原材料,还能在早期研发阶段提供CAE(Computer Aided Engineering,模拟仿真)技术,这种计算机辅助技术能模拟分析复杂工程和产品的结构力学性能,可以大大缩短研发时间。

  新型材料不但可以应用于电力行业,未来电信行业的商业想象空间也很大。5G网络是电信行业的未来发展趋势,自动驾驶、远程医疗的实现都依靠它。“要保证5G信号的传送速度,信号杆的设计可能会结合路灯照明和通信网络。传统水泥或金属材料对5G信号均会产生较强损耗,但复合材料杆就不存在这样的问题。”杨啸堃指出。目前,国内的电信设备供应商都在寻求新型材料信号杆,巴斯夫也积极响应。“我们希望能够凭借对行业的深入认识、从熟悉的使用场景入手,贡献绝佳的解决方案。”杨啸堃说。

来源:东莞市钰城树脂科技有限公司

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