輸電線鐵塔鋼材的低溫力學和沖擊韌性試驗

王元清，廖小偉，張子富2，劉希月，邢海軍2

（1.土木工程安全與耐久教育部重點實驗室（清華大學），100084北京；2.中國電力科學研究院，100192北京）

輸電線鐵塔鋼材的低溫力學和沖擊韌性試驗

王元清1，廖小偉1，張子富2，劉希月1，邢海軍2

（1.土木工程安全與耐久教育部重點實驗室（清華大學），100084北京；2.中國電力科學研究院，100192北京）

為選擇合適的輸電線鐵塔鋼材，防止桿塔因構件發生低溫脆性斷裂引起的破壞，通過系列室溫和低溫條件下的單軸拉伸和沖擊試驗，研究了輸電線鐵塔用Q345B、Q420B、Q460C鋼管和Q345B、Q420B角鋼鋼材的力學性能和沖擊韌性；通過對比分析，評價了鋼管和角鋼鋼材的塑性指標；利用Boltzmann函數曲線擬合，得到了鋼管和角鋼鋼材的韌－脆轉變溫度.結果表明：鋼材的屈服強度和抗拉強度隨溫度的降低而增大，其塑性指標均能滿足規范要求；鋼材夏比沖擊功值隨溫度降低而減小，Q345B鋼管和角鋼鋼材的韌脆轉變溫度較高，抗低溫冷脆性能較差，結合拉伸和沖擊試驗結果，建議在寒冷地區優先采用Q420B鋼管，不宜采用Q345B角鋼.

輸電線鐵塔；鋼材；低溫；力學性能；沖擊韌性；選材原則

隨著中國經濟和工業的迅猛發展，促進了電力工業的長足發展，而電網建設的快速發展需要更高電壓等級的輸電技術，如±1 100 kV輸電線路.目前，中國直流線路運行的最高電壓等級為±800 kV，其輸電線路的桿塔設計、荷載組合已有相應的設計規程，并有相對豐富的工程設計經驗.盡管如此，當電壓等級由±800 kV升到±1 100 kV后，線路桿塔的尺寸和荷載都發生了很大變化，現有設計理念是否合適尚有待進一步研究［1－2］.

在輸電線桿塔材料方面，已有研究表明，在極端冰雪災害天氣下和冬季寒冷地區，鐵塔結構很容易引起低于屈服應力的低溫冷脆破壞［3－5］.因此，研究輸電線路桿塔材料的低溫力學和韌性性能，防止鐵塔結構發生低溫脆斷，尤其是對高電壓等級重載荷輸電線路的建設，提出桿塔材料的選材原則在工程和經濟上具有重要意義.

清華大學王元清老師課題組針對Q345、Q460、Q960以及鐵路鋼軌等鋼材展開了系列的低溫拉伸、沖擊和斷裂韌性的試驗研究［6－12］，結果表明鋼材的斷后伸長率、斷面收縮率、沖擊韌性和斷裂韌性等指標均隨溫度的降低而減少，并提出了相應鋼材的抗脆斷選材和設計方法［13－14］.常建偉等［15］通過試驗研究了Q460角鋼的斷裂韌性，指出隨著溫度的降低Q460角鋼的斷裂韌性下降.楊富堯等［16］進行了Q235、Q345、Q420角鋼鋼材的室溫拉伸和低溫沖擊韌性的性能測試試驗.盡管如此，以往研究大多集中在結構用鋼厚板或鋼軌材料，而對鋼管和角鋼材料的研究較少，針對輸電線鐵塔常用鋼管和角鋼鋼材仍然缺乏系統的低溫力學和沖擊韌性試驗對比和分析.

本文主要針對輸電線鐵塔常用的 Q345B、Q420B和Q460C鋼管和Q345B、Q420B角鋼鋼材，進行系列溫度下的單軸拉伸試驗和沖擊韌性試驗，研究鋼管和角鋼鋼材的低溫力學性能，評價其低溫塑性性能儲備；利用曲線擬合得到了鋼管和角鋼鋼材的韌－脆轉變溫度，通過對比分析提出寒冷地區輸電線鐵塔的選材建議，從而為發展±1100 kV高壓輸電線鐵塔的選材原則提供參考，另一方面也為鋼管和角鋼鋼材積累了低溫力學和沖擊韌性數據.

1 試驗概述

根據GB／T 228—2002［17］和GB／T 1329—2006［18］的規定對Q345B、Q420B、Q460C鋼管和Q345B、Q420B角鋼鋼材分別在20、－10、－30和－50℃的條件下，進行單軸靜力拉伸試驗，測得了鋼材的屈服強度fy、極限抗拉強度fu、斷后伸長率A和斷面收縮率Z等力學性能指標.然后，根據GB／T 229—2007［19］的規定在20、0、－10、－20、－30和－50℃的溫度條件下，進行了Q345B、Q420B、Q460C鋼管和Q345B、Q420B角鋼鋼材的夏比V型缺口沖擊韌性試驗，測得每個試驗點下的沖擊功值Akv.其中，拉伸和沖擊試驗的每個試驗點進行3個相同試樣的試驗.

1.1 試驗材料與試樣

試驗用輸電線塔架鋼管和角鋼材料由中國電力科學研究院提供，鋼管鋼材分 Q345B、Q420B和Q460C 3種，規格為 Φ610×20 mm；角鋼鋼材分Q345B和Q420B兩種，規格為∠300×20 mm.為了保證試驗結果的普適性，又由于試驗成本的限制，選擇鋼管和角鋼鋼材時，對比了4家主要的輸電線塔架鋼材的鋼材供應廠商，選取了一家具有代表性的鋼材供應廠商提供的鋼材作為本次試驗的對象.拉伸試樣為標準圓棒試驗，形狀和尺寸按照GB／T228—2002和GB／T 13239—2006加工制作，見圖1.標準的夏比V型缺口沖擊試樣，根據GB／T 229—2007加工制作，見圖2，其中拉伸和沖擊試樣都沿鋼材的軋制方向取樣.

圖1 標準圓棒拉伸試樣

圖2 標準夏比V型缺口沖擊試樣

1.2 試驗設備

拉伸和沖擊試驗都在清華大學航空航天學院力學實驗室進行，單軸靜力拉伸試驗在CSS－2220電子萬能試驗機上進行，見圖3.拉伸試樣的冷卻方式采用空氣和液氮的混合氣體，并由保溫箱、伺服閥和控制器保持溫度的穩定，該溫度控制設備調節溫度的精度為±1℃.沖擊試驗在SANS擺錘式沖擊試驗機上進行，試驗機標準打擊能量為300 J，見圖4，其中沖擊試樣的冷卻采用酒精和液氮的混合液體，然后將試樣浸泡在混合液體中恒溫不少于5 min.

圖3 電子萬能試驗機及配套低溫試驗設備

2 單軸拉伸試驗結果與分析

2.1 屈服強度和抗拉強度隨溫度變化規律

對 Q345B、Q420B、Q460C鋼管和 Q345B、Q420B角鋼鋼材在溫度點20、－10、－30和－50℃下的單軸拉伸試驗結果平均值見圖5、6.可以看出隨著溫度的降低，鋼管和角鋼鋼材的屈服強度和抗拉強度均逐漸增大.同強度等級的鋼管和角鋼鋼材相比，角鋼鋼材的屈服強度和抗拉強度均要高于鋼管鋼材.

圖4 擺錘式沖擊試驗機

圖5 屈服強度和抗拉強度隨溫度變化規律

2.2 不同鋼材塑性指標的對比分析

圖6給出了Q345B、Q420B、Q460C鋼管鋼材母材和Q345B、Q420B角鋼鋼材母材低溫拉伸力學性能指標（平均值）的對比分析.由圖6（a）可知，對鋼管鋼材而言，Q345B鋼管母材的屈強比最小，Q460C鋼管鋼材的屈強比與Q420B鋼管鋼材相當；對角鋼而言，Q345B鋼材的屈強比小于Q420B鋼材.總體來看，Q345B鋼管鋼材的屈強比要低于Q345B角鋼鋼材，而Q420B角鋼鋼材的屈強比要低于Q420B鋼管.

圖6 鋼管和角鋼鋼材力學性能指標對比分析

由圖6（b）可知，對鋼管鋼材而言，Q345B鋼管鋼材的斷后伸長率最大，其次是Q420B鋼材，Q460C鋼材的伸長率最低；對角鋼鋼材而言，Q345B鋼材的斷后伸長率大于Q420B鋼材.同等級鋼管與角鋼鋼材對比來看，Q345B鋼管鋼材的伸長率大于Q345B角鋼鋼材，而Q420B角鋼鋼材的伸長率要略大于Q420B鋼管，這一結論與屈強比的結果吻合.

由圖6（c）可知，Q460C鋼管鋼材與Q345B鋼管斷面收縮率很接近，Q420B鋼管鋼材的斷面收縮率最大，Q345B角鋼鋼材的斷面收縮率要大于Q420B角鋼.整體來看，Q345B角鋼的斷面收縮率要高于Q345B鋼管，Q420B鋼管斷面收縮率要高于Q420B角鋼.

另外，本次試驗的鋼管和角鋼鋼材的屈強比、伸長率和斷面收縮率3個指標對溫度的敏感性并不明顯，這與鋼厚板的低溫試驗結果不太一樣［6］.盡管如此，在不同溫度點下，3個指標均能滿足 GB／T 19879—2005《建筑結構用鋼板》的要求.從屈強比、伸長率和斷面收縮率的角度講，Q460C鋼管鋼材的低溫塑性性能要低于Q420B鋼管.

3 沖擊韌性試驗結果與分析

3.1 沖擊功隨溫度的變化規律

圖7給出了Q345B、Q420B、Q460C鋼管和Q345B、Q420B角鋼鋼材在溫度點20、0、－10、－20、－30和－50℃下的沖擊韌性試驗結果，可以看出，5種鋼材的沖擊功值均隨溫度的降低而降低，且在經歷某個溫度點后，鋼材沖擊功值迅速下降.

圖7 鋼管和角鋼鋼材沖擊功隨溫度的變化規律

3.2 韌－脆轉變溫度

韌脆轉變溫度是衡量材料低溫脆性的一個重要指標，其值越大，表明越容易發生韌脆轉變，鋼材抵抗低溫脆性越差.工程中，常將其作為防低溫斷裂的重要判據.沖擊功和溫度的關系曲線總體上呈S形，分為上平臺區、轉變區和下平臺區3個部分.大量試驗與實踐經驗表明，采用式（1）所示的Boltzmann函數對沖擊功和溫度的關系曲線進行回歸分析，具有較好相關性和較小殘差，且函數各參數物理意義明確，能很好地描述沖擊功與溫度之間的關系［20］.

式中：Akv為沖擊功（J）；A1、A2分別為下平臺能、上平臺能（J）；T為溫度變量；Tt為韌脆轉變溫度；Tr為轉變溫度區范圍，Tr越小，轉變溫度區的范圍越窄，材料越容易由韌性向脆性轉變.

如圖7所示，給出了5種鋼材的沖擊功隨溫度變化的Boltzmann函數擬合曲線，Q345B、Q420B、Q460C鋼管和Q345B、Q420B角鋼鋼材的韌脆轉變溫度分別為－10.14、－30.85、－27.67、－3.94和－16.48℃.可以看出Q345B鋼管和角鋼鋼材的韌脆轉變溫度較高，表現出了較低的抵抗低溫冷脆破壞能力；Q420B鋼管和角鋼、Q460C鋼管鋼材的韌脆轉變溫度較低，意味著較高的抵抗低溫冷脆破壞性能.

3.3 不同鋼材沖擊韌性的對比分析

由圖7（f）可以看出，Q420B鋼管和Q460C鋼管材料表現出了較高的沖擊功值，而Q345B鋼管和角鋼鋼材、Q420B角鋼鋼材的沖擊功值較低，意味著較差的沖擊韌性.鋼管和角鋼鋼材均能滿足GB／T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》中20℃和0℃時沖擊功≥34 J要求的規定；而DL／T5154—2002《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》對鋼材還提出了－40℃時沖擊功≥34 J的要求，基本只有Q420B鋼管鋼材能滿足要求.

另外，在韌脆溫度轉變點以后，Q460C鋼管表現出的沖擊功要小于Q420B鋼管，Q345B角鋼的沖擊功最低，Q420B鋼管鋼材仍然表現出較高的夏比沖擊功值.

4 結 論

1）鋼管和角鋼鋼材的屈服強度和抗拉強度都隨著溫度的降低而逐漸增加，且同強度等級的角鋼鋼材的屈服強度和抗拉強度均高于鋼管鋼材.

2）對鋼管鋼材而言，Q345B鋼管的屈強比、斷后伸長率等塑性指標最優，Q460C鋼管的塑性指標最差；對角鋼鋼材而言，Q345B角鋼屈強比、斷后伸長率和斷面收縮率等塑性指標要優于Q420B角鋼；就同強度等級的鋼管和角鋼鋼材而言，Q345B鋼管塑性指標要優于Q345B角鋼，Q420B角鋼塑性指標要優于Q420B鋼管.

3）隨著溫度的降低，5種鋼材的夏比沖擊功均減小，且鋼管鋼材的沖擊功值要高于角鋼鋼材；Q345B、Q420B、Q460C鋼管和Q345B、Q420B角鋼鋼材的韌脆轉變溫度分別為－10.14、－30.85、－27.67、－3.94和－16.48℃.

4）結合拉伸試驗和沖擊試驗結果，在寒冷地區宜優先采用Q420B鋼管，Q345B角鋼的韌脆轉變溫度最高，且試驗沖擊功值較低，不推薦采用.

［1］李正良，劉紅軍，張東英，等.Q460高強鋼在1000kV桿塔的應用［J］.電網技術，2008，32（24）：1－5.

［2］施菁華，秦慶芝，帥群，等.Q460特高壓雙回路鋼管塔真型試驗分析［J］.電力建設，2011，32（4）：29－33.

［3］劉立國，鐘謙，徐勇.500kV柳桂線鐵塔覆冰破壞事故分析及建議［J］.武漢大學學報（工學版），2008，41（sup）：242－246.

［4］聶建波，潘峰，應建國.低溫環境下±800kV直流輸電鐵塔的強度設計［J］.電力建設，2012，33（11）：41－45.

［5］熊鐵華，梁樞果，吳海洋.某輸電線路鐵塔覆冰條件下的失效模式分析［J］.計算力學學報，2011，28（3）：468－478.

［6］WANG Yuanqing，LIU Xiyue，HU Zongwen，et al.Experimental study on mechanical properties and fracture toughness of structural thick plate and its butt weld along thickness and at low temperatures［J］.Fatigue＆Fracture of Engineering Materials and Structures，2013，36：1258－1273.

［7］王元清，胡宗文，石永久，等.結構鋼厚板低溫沖擊韌性試驗研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2010：31（9）：1179－1184.

［8］王元清，胡宗文，石永久，等.鋼結構厚板對接焊縫低溫沖擊韌性試驗研究［J］.鐵道科學與工程學報，2010，7（5）：1－5.

［9］王元清，林云，張延年，等.高強度鋼材Q460C低溫力學性能試驗［J］.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2011，27（4）：646－652.

［10］王元清，林云，張延年，等.高強度鋼材Q460C低溫沖擊韌性試驗研究［J］.工業建筑，2012，42（1）：8－12.

［11］王元清，劉希月，石永久.960MPa高強度鋼材對接焊縫的低溫斷裂韌性［J］.材料研究學報，2013，27（3）：237－246.

［12］WANG Yuanqing，ZHOU Hui，SHI Yongjiu，et al.Mechanical properties and fracture toughness of rail steels and thermite welds at low temperature［J］.International Journal of Minerals，Metallurgy and Materials，2012，19（5）：409－419.

［13］王元清，周暉，石永久，等.基于沖擊韌性的鋼結構厚板防止脆性斷裂的選材方法［J］.鋼結構，2011，26（7）：10－16.

［14］馮寶銳，王元清，石永久.低溫下鐵路鋼軌抗脆斷設計方法分析［J］.鐵道工程學報，2009，（3）：15－19.

［15］常建偉，徐德錄，張磊，等.輸電鐵塔用Q460角鋼低溫斷裂韌性研究［J］.熱加工工藝，2012，41（12）：38－40.

［16］楊富堯，李現兵，陳新，等.輸電鐵塔用角鋼的應用及低溫服役性能研究［J］.中國電機工程學報，2013，33（1）：117－122.

［17］GB／T 228—2002金屬材料室溫拉伸試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2002.

［18］GB／T 1329—2006金屬材料低溫拉伸試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2007.

［19］GB／T 229—2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［20］趙建平，張秀敏，沈士明.材料韌脆轉變溫度數據處理方法探討［J］.石油化工設備，2004，33（4）：29－32.

（編輯趙麗瑩）

Experimental study on mechanical properties and im pact toughness of steel for transm ission line towers at low tem peratures

WANG Yuanqing1，LIAO Xiaowei1，ZHANG Zifu2，LIU Xiyue1，XING Haijun2

（1.Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability（Tsinghua University），Ministry of Education，100084 Beijing，China；2.China Electric Power Research Institute，100192 Beijing，China）

In cold region，it is of great significance to select suitable steelmaterial in order to prevent the failure or collapse of transmission line tower，which results from the brittle fracture of construction member at low temperatures.A series of uniaxial tensile tests and Charpy impact testswere performed to investigate themechanical properties and impact toughness of materials of steel tube（Q345B，Q420B，Q460C）and angle iron（Q345B，Q420B）.The plastic indices of steel tube and angle ironmaterialswere evaluated through comparison and analysis.The Boltzmann function was employed to conduct curve fitting for impact energy versus temperature，obtaining the ductile-brittle transition temperatures.Results indicate that the yield strength and ultimate tensile strength increase with the decrease of temperature，and all the plastic indices can meet the prescribed requirement.Charpy impact energy increases as the temperature reduces.Besides，the ductile-brittle transition temperatures of Q345B steel tube and Q345B angle iron are relatively high，indicating the poor resistance ability of cold brittleness failure.Based on the results of tensile tests and impact tests，it is suggested that priority should be given to the adoption of Q420B steel tube，and Q345B angle iron is inadvisable.

transmission line tower；steel；low temperature；mechanical properties；impact toughness；principle of steel selection

TU391

A

0367－6234（2015）12－0070－05

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.12.012

2014－09－17.

國家自然科學基金（51378289）；高等學校博士學科點專項科研基金（20130002110085）；國家電網公司科技項目（GCB17201300166）.

王元清（1963—），男，教授，博士生導師.

王元清，wang-yq＠mail.tsinghua.edu.cn.