低溫環境下桿塔材質選擇及應用研究

華北電力大學（北京） 北京 100000

正文：

1、現階段鐵塔設計使用鋼材現狀

2010年6月以來，中國電力科學研究院對北方（包括東北、華北、西北）地區500kV及以上輸電線路的設計應用情況進行 了調研，主要成果有：

（1）目前已投入運行的500kV線路桿塔鋼材基本為Q235B和Q345B兩種。

（2）已投運的750kV線路：由中南院設計的拉西瓦-官亭輸電線路（官亭側）桿塔主材為Q345B級鋼材；官亭-西寧輸電線路（官古段）桿塔主材部分使用了Q420B級鋼材。由寧夏院設計的銀川東-黃河π接黃河變工程和賀蘭山-黃河（棗園南段）工程使用的均為Q420B角鋼。以上幾條線路均處在嚴寒地區和寒冷地區的交界地帶。

（3）1000kV線路：晉東南-南陽-荊門輸電線路桿塔主材為Q345B和Q420B級鋼材。

（4）由東北院設計的慶云-雞西500kV輸電線路和七慶方500kV雙回路線路使用了Q420C級角鋼。

（5）在調研的已投運項目中，均未出現過倒塔和塔材失效事故。

2、影響鋼材低溫冷脆的因素

2.1、化學成分的影響

降低含碳量有利于提高鋼材的低溫韌性，在一般含量范圍，每增加0.01%的碳，將提高冷脆轉變溫度（1～2）℃。同時，降低碳含量還可改善鋼材的焊接性，但過低的含碳量會造成鋼材強度降低。為此，一般提高錳含量，當錳含量低于1.5%時，一般每增加0.01%的錳，將降低冷脆轉變溫度0.5℃左右。此外，磷含量增加0.01%，冷脆轉變溫度會提高（4～7）℃，硫含量在（0.02～0.04）%范圍內，對冷脆轉變溫度影響不大，但易形成夾雜，影響鋼材的性能，因此，對低溫用鋼的硫、磷含量應進行更嚴格的控制。

2.2、冶煉工藝、脫氧方法的影響

電爐煉鋼與轉爐煉鋼相比，鋼材的雜質含量、硫、磷含量均較低，低溫用鋼應采用電爐冶煉，必要時還應進行爐外精煉。脫氧方式不同使得鋼有沸騰鋼和鎮靜鋼之分，沸騰鋼成分偏析較嚴重，且鋼錠中氣孔、夾雜物等較多，疏松也較嚴重，因此，低溫用鋼均為鎮靜鋼，如低合金高強度結構鋼（GB/T1591 中的鋼種）均為鎮靜鋼。

2.3、制造加工的影響

在鐵塔制造中，如切削、剪切下料、沖孔加工，會在構件表面形成切口或微裂紋，在低溫下工作的構件脆性破壞首先會從這些地方開始，并迅速擴展，從而給鐵塔運行帶來很大的安全隱患。這種影響與材質類別、構件厚度有關。此外，焊接后在焊件表面形成的咬邊、焊縫成形不良、未焊透等缺陷，以及焊接殘余應力等，都會給低溫運行構件帶來不利影響。因此，對于高寒地區運行的輸電鐵塔，其制造質量要求應更高，對焊接工藝（如預熱、后熱、焊材選擇、工藝控制）應進行更嚴格的控制。同時，在鐵塔安裝中，如在北方地區冬季施工，應避免沖擊荷載的作用，還應盡量避免再加工，特別應避免焊接作業，因為低溫焊接需要采取更多的特殊措施，才能保證焊接質量。

2.4、應力集中的影響

低溫下工作的構件，發生脆性破壞時，大多發生在應力集中的部位。為此，開孔設計、尖銳或大曲率的孔角設計應盡可能避免，或進行補強。構件截面不宜突變，焊縫不要重疊、約束不宜過多等，在設計中都應引起注意。

2.5、鋼材強度及構件厚度的影響

鋼材的低溫冷脆不僅與其工作溫度有關，還與鋼材強度等級和構件厚度有關。但隨鋼材強度等級的提高，同樣工作溫度、受力載荷下，構件的安全厚度隨之減小。

3、給低溫地區塔桿設計的幾點建議

數值計算、傳統設計方法等各方面的探索，給出以下幾點低溫地區設計建議：

（1）本工程途經內蒙、河北、天津、山東、江蘇等地區，錫盟出線段約20km最低氣溫達到-40℃，其他區段最低氣溫為-35～-15℃之間。

（2）送電線路桿塔結構可按不屬于“直接承受動力荷載且需進行疲勞驗算的結構”考慮。

（3）所有桿塔的鋼材均應滿足不低于B級鋼的質量要求。當最低溫度不高于-40℃時，Q235、Q345焊接構件和Q420鋼材質量等級應滿足不低于C級鋼的質量要求，Q460鋼材質量等級應滿足不低于D級鋼的質量要求，螺栓孔采用鉆孔工藝；當最低溫度不高于-30℃時，Q460鋼材質量等級不低于C級。

（4）所有對接焊縫不得低于二級焊縫。

（5）導地線掛點不宜采用高強鋼。

（6）鋼構件的制作和加工過程采取合理的技術措施，盡量避免在構件內部或表面造成缺陷和裂紋，構件內部應避免形成尖角造成應力集中；焊接時采用合理工藝以降低構件內部的殘余應力，并保證焊接質量以減少焊接熱影響對鋼材韌性的影響。