輸電鐵塔角鋼的低溫沖擊韌性試驗研究

石 強 王燁迪 江文強,* 安利強

(1.國網內蒙古東部電力有限公司經濟技術研究院,呼和浩特 010020;2.華北電力大學機械工程系,保定 071003)

0 引 言

隨著我國電網建設的推進,越來越多的超特高壓輸電線路通過寒冷地區,這些地區冬季最低溫度可能達到-45 ℃。低溫很容易引起輸電鐵塔角鋼的低溫冷脆破壞,近年來國內發生多起由于低溫環境引起的輸電鐵塔倒塔事故[1-2],事故的發生會導致電力系統癱瘓,嚴重影響社會的正常生產和生活秩序。因此,研究輸電線路鐵塔材料的低溫力學性能,防止鐵塔結構發生低溫脆斷,提出鐵塔材料的選材原則,這對于超特高壓輸電線路工程中具有重要意義。

輸電鐵塔用鋼在常溫下一般有良好的塑性和韌性,但隨著溫度的降低,鋼材的塑性和韌性會不斷變差,近年來,大量文獻針對鋼材的低溫力學性能進行了研究。清華大學的林云、王元清等[3-6]對14 mm的Q460C高強鋼進行了低溫拉伸、沖擊韌性、三點彎曲試驗,發現隨著溫度的降低,Q460C鋼材的強度升高,塑性降低,在低于-40.7 ℃時,Q460C極易從韌性向脆性轉變而發生脆斷。之后,他們又對四種不同厚度的Q345B鋼板進行了低溫力學性能試驗,結果發現隨溫度的降低,厚板的屈服強度和抗拉強度增大而斷面收縮率減小;由鋼板表面至中心,橫向試樣的斷面收縮率呈下降趨勢;隨鋼板厚度的增加,Z向試樣的斷面收縮率逐漸減小,且小于橫向試樣的斷面收縮率。廖小偉等[7]對輸電鐵塔用鋼,進行了試驗研究,將試驗結果對比分析,評價了鋼管和角鋼鋼材的塑性指標,給出了鋼管和角鋼鋼材的韌脆轉變溫度。Liu等[8-9]在以上試驗的基礎上增加了焊接接頭的對比,得到了在焊接接頭熱影響區比基本材料更容易發脆的結論。

大量文獻對鋼材的低溫力學性能進行了研究,并指出鋼材的低溫力學性能與材質、截面形狀及厚度等因素有關,然而目前針對輸電鐵塔角鋼Q420C低溫力學性能的研究卻相對較少,也缺乏對不同規格和厚度的角鋼低溫力學性能進行系統的研究。本文主要針對超特高壓輸電鐵塔中常用的Q345B、Q420C材質角鋼及其焊接接頭,通過低溫沖擊試驗,研究不同材質、不同規格角鋼的低溫沖擊性能,分析低溫對輸電鐵塔角鋼力學性能的影響規律,為低溫地區輸電鐵塔的合理選材提供依據。

1 試驗概述

本文試驗主要研究Q345B和Q420C材質角鋼及其焊接接頭的低溫力學性能,采用的試驗標準為GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》[10],具體試驗清單如表1所示。

表1輸電鐵塔角鋼低溫沖擊試驗

Table 1 Low temperature impact tests of the transmission tower angle steel

試驗的鋼材類型包括Q345B塔材、Q420C塔材、Q345B焊接接頭以及Q420C焊接接頭。加工沖擊試樣時,采用的角鋼型號分別為L125×12、L140×14、L160×16(分別記為12 mm、14 mm和16 mm),焊接板材厚度分別為12 mm、14 mm、16 mm。試驗時采用的溫度包括:室溫,-10 ℃(Q345B角鋼),-20 ℃,-45 ℃,-60 ℃ (Q345B焊接接頭、Q420C角鋼及其焊接接頭),共計完成了144個試樣的低溫沖擊試驗。

如圖1和圖2所示為沖擊試樣的取樣位置圖和沖擊試樣的幾何尺寸圖。沖擊試樣的加工及取樣參考標準為《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》(GB/T 2975—1998)[11]。如圖3所示為沖擊試驗完成后的試樣破壞情況圖。

圖1 沖擊試樣取樣位置Fig.1 Location of impact specimens

圖2 沖擊試樣幾何尺寸(單位:mm)Fig.2 Geometric parameters of impact specimens (Unit:mm)

圖3 試驗完成后的沖擊試樣Fig.3 Impact specimens after the test

2 鋼材的溫度特性

韌脆轉變溫度是衡量鋼材脆性轉變傾向的重要指標,工程中常常將其作為防止低溫脆斷的重要判據,它決定了鋼材的應用范圍。因此了解輸電鐵塔角鋼的韌脆轉變溫度不僅對于預測其低溫斷裂行為有著重要的作用,同時也可以為輸電線路工程設計提供依據。

目前確定鋼材的韌脆轉變溫度的常用方法有以下幾種[12-14]:

方法1:鋼材的吸收沖擊功值降低至正常吸收功的50%～60%時所對應的溫度。

方法2:吸收沖擊功值降至某一特定的、所允許的最低沖擊吸收功值時,所對應的溫度。

方法3:最大與最小吸收沖擊功值求平均值,取其平均值所對應的溫度。

方法4:斷口中晶狀斷面率達到50%時,所對應的溫度。

在確定韌脆轉變溫度之前,首先需要對試驗數據進行擬合,大量的試驗與文獻實踐表明[15-19],采用形如式(1)的Boltzmann函數對沖擊功和溫度的關系進行回歸分析時,具有較好的相關性和較小的殘差,而且函數各參數的物理意義明確,可以很好地描述沖擊功與溫度之間的關系。

Boltzmann函數的表達式為

(1)

從圖4可以看出,當試驗溫度t→+∞時,則沖擊功A→A2,它相當于擬合曲線的上平臺;當試驗溫度t→-∞時,則沖擊功A→A1,它相當于擬合曲線的下平臺;當t→t0時,則A→(A1+A2)/2,它符合第三種方法所確定的韌脆轉變溫度。其中,t2=t0+2Δt表示上拐點轉變溫度,t1=t0-2Δt表示下拐點轉變溫度,ΔT=4Δt表示轉變溫度區間。t0和Δt表征了材料的溫度特性,Δt與材料特性有關,它反映了韌脆轉變速率,Δt越小,轉變溫度區的跨越溫度范圍越窄,材料就越容易由塑性向脆性轉變。

3 試驗結果分析

如圖5所示為本文研究的Q345B和Q420C角鋼和焊接接頭的低溫沖擊試驗結果。從圖中可以看出,兩種材質的角鋼和焊接接頭,其沖擊功都隨著溫度的降低而降低,并且達到某個溫度點后,隨著溫度的降低其沖擊功值迅速下降。

圖4 Boltzmann函數Fig.4 Boltzmann function

如圖5(a)所示為12 mm、14 mm、16 mm厚度Q345B角鋼,在室溫、-10 ℃、-20 ℃、-45 ℃時對應的沖擊功結果。將三種厚度的Q345B角鋼,對四種不同溫度下的12個沖擊試驗結果用Boltzmann函數進行擬合,其結果如圖5(a)所示。

同樣道理,分別對Q420C角鋼、Q345B焊接接頭、Q420C焊接接頭的沖擊試驗結果進行擬合,其結果分別如圖5(b)-圖5(c)所示。

根據韌脆轉變溫度的確定方法1和方法3,本文將擬合的12個Boltzmann函數的結果進行了整理,從而得到鋼材的吸收沖擊功值降低至正常吸收功的50%～60%時所對應的溫度(方法1)以及最大與最小吸收沖擊功值的平均值所對應的溫度(方法3),結果匯總如表2所示。

由表2可以看出,根據方法1確定的Q345B角鋼韌脆轉變溫度范圍為-3.74 ℃～-0.30 ℃;Q420C角鋼韌脆轉變溫度范圍為-36.53 ℃～-31.32 ℃;Q345B焊接韌脆轉變溫度范圍為-17.95 ℃～-13.40 ℃;Q420C焊接韌脆轉變溫度范圍為-10.58 ℃～-3.65 ℃。而根據方法3確定的韌脆轉變溫度恰好都處于方法1確定韌脆轉變溫度范圍之內,可見兩種方法得到的韌脆轉變溫度基本一致。下面以方法3確定的韌脆轉變溫度值為例進行分析。

從表2可以看出,對于Q345B角鋼,在厚度分別為12 mm、14 mm和16 mm時,其韌脆轉變溫度分別為-1.51 ℃、-5.04 ℃和-1.22 ℃,這與文獻中得到Q345B角鋼的韌脆轉變溫度-3.94 ℃基本一致[7]。

圖5 低溫沖擊試驗結果Fig.5 Experimental results of cryogenic charpy impact

表2韌脆轉變溫度結果

Table 2 Ductile-brittle transition temperature results

同時從表2可以看出角鋼厚度對Q345B角鋼的韌脆轉變溫度和韌脆轉變速率影響不大,并且隨著厚度的增大,其韌脆轉變溫度并沒有明顯的增加或者減小的趨勢。同樣地,厚度對Q420C角鋼、Q345B焊接接頭和Q420C焊接接頭的影響也沒有明顯的規律,但厚度對Q420C角鋼和Q345B焊接接頭的韌脆轉變溫度影響較大,如14 mm厚Q345B焊接接頭的韌脆轉變溫度為-22.81 ℃,而12 mm和16 mm厚Q345B焊接接頭的韌脆轉變溫度則分別為-10.86 ℃和-12.17 ℃,其差異較為明顯。

因此可見,厚度對Q345B和Q420C輸電鐵塔角鋼的韌脆轉變溫度和韌脆轉變速率的影響沒有明顯規律,但從韌脆轉變溫度來看,Q345B的角鋼及其焊接接頭的厚度為14 mm厚時的低溫沖擊韌性最好,而Q420C的角鋼及其焊接接頭的厚度為12 mm時低溫沖擊韌性略優。

通過Q345B角鋼和Q420C角鋼的韌脆轉變溫度的對比可以發現,Q345B角鋼的平均韌脆轉變溫度為-2.59 ℃,而Q420C角鋼的韌脆轉變溫度為-32.33 ℃,可見Q420C抵抗低溫冷脆破壞的能力要遠優于Q345B。同理,通過對比Q345B焊接接頭和Q420C焊接接頭的韌脆轉變溫度可以發現,Q345B鋼材焊縫的耐低溫能力反而要優于Q420C鋼材。

通過對比Q345B角鋼和Q345B焊接接頭的韌脆轉變溫度可以發現,Q345B焊接接頭的韌脆轉變溫度為-15.28 ℃,低于Q345B角鋼的韌脆轉變溫度-2.59 ℃,這說明Q345B鋼材焊縫的耐低溫脆斷能力強于母材。相反,Q420C角鋼的韌脆轉變溫度為-32.33 ℃,而Q420C焊接接頭的韌脆轉變溫度為-6.76 ℃,可見Q420C鋼材焊縫的耐低溫冷脆能力要遠低于其母材。

在最不利的情況下,根據擬合曲線求得16 mm厚的Q345B角鋼在0 ℃的沖擊功吸收值為45J,所以不論厚度如何,Q345B和Q420C母材和焊材都滿足規范中20 ℃和0 ℃時沖擊功≥34J的規定[20]。但是當溫度達到-45 ℃時只有Q420C角鋼滿足沖擊功≥34J的要求。

綜上所述,厚度對Q345B和Q420C輸電鐵塔角鋼的韌脆轉變溫度和韌脆轉變速率有影響,但沒有明顯規律;Q345B角鋼鋼材的韌脆轉變溫度明顯高于Q420C角鋼,但是Q345B焊接接頭的韌脆轉變溫度卻高于Q420C焊接接頭;只有Q420C角鋼可用于-45 ℃低溫環境中且滿足規范要求。

4 結 論

本課題針對超特高壓輸電線路鐵塔中常用的Q345B和Q420C塔材及焊縫進行了低溫沖擊試驗,分析了它們的低溫沖擊力學性能,得到如下結論:

(1) 兩種材質角鋼和焊接接頭的沖擊功都隨著溫度的降低而降低,并且達到某個溫度點后,隨著溫度的降低其沖擊功值迅速下降。

(2) 厚度對Q345B和Q420C輸電鐵塔角鋼的韌脆轉變溫度和韌脆轉變速率有影響,但沒有明顯規律,其中Q345B的角鋼及其焊接接頭的厚度為14 mm厚時的低溫沖擊韌性最好,而Q420C的的角鋼及其焊接接頭的厚度為12 mm時低溫沖擊韌性略優。

(3) Q420C角鋼抵抗低溫冷脆破壞的能力要遠優于Q345B角鋼,并且可以用于-45 ℃的低溫環境。

(4) Q345B鋼材焊縫的耐低溫脆斷能力強于母材,Q420C鋼材焊縫的耐低溫冷脆能力要遠低于其母材,則Q345B的耐焊性優于Q420C鋼材。在低溫環境下,應該盡量避免對Q420C鋼材進行焊接處理。

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