輸電線(xiàn)路大規(guī)格高強(qiáng)度鋼材低溫力學(xué)性能研究

劉生昊 徐 斐 王燁迪

（1、國(guó)網(wǎng)青海省電力公司建設(shè)公司，青海 西寧810000 2、電建武漢鐵塔有限公司，湖北 武漢430010）

1 概述

2008 年，在我國(guó)南方各省，突然爆發(fā)了大雪災(zāi)，由于覆冰造成的塔身偏重和鋼材強(qiáng)度不足等原因，導(dǎo)致輸電鐵塔的大規(guī)模倒塌，造成大面積的停電，不僅給人民生活帶來(lái)極大的不便，還對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成了極大的損失[1]。說(shuō)明我國(guó)迫切的需要增強(qiáng)輸變電技術(shù)的研究，來(lái)提高我國(guó)鐵塔的制造質(zhì)量和制造水平。

為了加強(qiáng)鐵塔承載能力，同時(shí)減輕塔重、特高壓輸電線(xiàn)路鐵塔的塔材采用低合金高強(qiáng)鋼，如Q345、Q420 和Q460 等鋼材，可以加強(qiáng)鐵塔的承載能力、減輕鐵塔的重量、節(jié)省鐵塔鋼材的消耗，從而提高經(jīng)濟(jì)效益[2]。

本文項(xiàng)目來(lái)源于德令哈（托索）750kV 輸變電工程，故針對(duì)Q420 高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)、制造和應(yīng)用等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在全國(guó)范圍內(nèi)9 條線(xiàn)路工程的建設(shè)中進(jìn)行試點(diǎn)，其中包括：武北～錫東南π 接入錫西南線(xiàn)路、500kV 遼吉線(xiàn)路、750kV 蘭州東～寧東線(xiàn)路等。

這些輸電線(xiàn)路工程的共計(jì)長(zhǎng)度為964km，其中有9800 噸角鋼鋼材和938 噸鋼板鋼材采用的是Q420 高強(qiáng)鋼，最后統(tǒng)計(jì)約節(jié)省工程造價(jià)560 萬(wàn)元[3]。

2 高強(qiáng)鋼應(yīng)用參數(shù)研究

2.1 鋼材性能參數(shù)比較

鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，根據(jù)《GB 50545-2010 110kV～750kV架空輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，應(yīng)按表1 的規(guī)定確定。如表1 所示，可以直觀的看出Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼、Q345 和Q420 低合金高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和不同鋼材之間的提升比例。

2.2 四種塔型的理論經(jīng)濟(jì)性比較

本文選取了四種常用塔型作為例塔，分別為：500kV 和750kV 直線(xiàn)角鋼塔及其耐張角鋼塔。

采用的鋼材分別為Q345 鋼和Q420 鋼來(lái)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)塔材的消耗的重量以及鋼材的價(jià)格比較，得出在特高壓鐵塔上應(yīng)用Q420 高強(qiáng)鋼的經(jīng)濟(jì)效益。綜合這四種塔型的計(jì)算比較結(jié)果[3]，見(jiàn)表2。

如表2 可知，隨著鐵塔的荷載和主材規(guī)格的增大，應(yīng)用Q420 高強(qiáng)鋼的塔材耗量和成本價(jià)都有所降低。所以在特高壓輸電線(xiàn)路中合理的應(yīng)用高強(qiáng)鋼，不僅通過(guò)可以減少鐵塔的重量、延長(zhǎng)鐵塔的使用壽命，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，還可以通過(guò)減小線(xiàn)路走廊、縮小占地面積，從而帶來(lái)社會(huì)效益。

表1 鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

表2 四種塔型計(jì)算比較結(jié)果

3 高強(qiáng)鋼焊接力學(xué)性能試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)概述

高強(qiáng)鋼強(qiáng)度提高，其焊接性也隨之變差。Q345 低合金高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度適中、焊接性極佳，所以應(yīng)用較為廣泛。而《GB50661-2011 鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》[5]中將Q420 劃分為較難焊接金屬，Q460 劃分為難焊接金屬。

本項(xiàng)目來(lái)源于德令哈（托索）750kV 輸變電工程，故針對(duì)Q420B 鋼材進(jìn)行試驗(yàn)研究。其中《GB/T 228-2002》、《GB/T 13239-2006 》為拉伸試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)；《GB/T 229-2007》為沖擊試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)；《GB/T 2975-1998》為試驗(yàn)試樣的加工取樣參考標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

首先，將同一種試驗(yàn)鋼材，在相同試驗(yàn)條件下的得到的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度結(jié)果取平均值，然后，得到Q420B 母材和焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，在40℃、20℃、0℃、-20℃和-40℃的強(qiáng)度變化曲線(xiàn)，如圖1 所示。

由圖1 可以發(fā)現(xiàn)，兩種鋼材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都隨著溫度的降低而升高。通過(guò)拉伸試驗(yàn)可以很直觀的發(fā)現(xiàn)，焊接會(huì)破壞高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度。

3.3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析

本文研究沖擊功和溫度關(guān)系的函數(shù)為Boltzmann 函數(shù)，表達(dá)式為式（1）

y=A1-A21+e（t-t0）/Δt+A2 （1）

其中：函數(shù)y 為沖擊功（J）；A1、A2 分別為上下平臺(tái)能（J）；t0和Δt 表征了材料的溫度特性，t0 代表韌脆轉(zhuǎn)變溫度（℃），Δt反映韌脆轉(zhuǎn)變速率（℃）。

圖1 強(qiáng)度變化曲線(xiàn)

將Q420B 母材和焊接接頭的試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)Boltzmann 函數(shù)進(jìn)行分析，如圖2 所示。

圖2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

如圖2 所示，隨著溫度的降低，兩種材質(zhì)的角鋼的沖擊功值會(huì)降低，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，到達(dá)韌脆轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)之后，沖擊功值隨溫度的下降速度增加。

從圖2 中還可以看出，在40℃、20℃，0℃，-20℃、-40℃五個(gè)溫度點(diǎn)，Q420B 焊接接頭的沖擊功值的平均值都比其母材低，說(shuō)明焊接會(huì)破壞高強(qiáng)鋼的韌性。

4 高強(qiáng)鋼焊接加工工藝研究

輸電鐵塔對(duì)塔材的焊接工藝要求很高，不僅需要焊材與母材具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、韌性和塑性，還需要其焊后裂紋率低，不出現(xiàn)層狀撕裂現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)高強(qiáng)鋼在輸電線(xiàn)路工程中的應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)鐵塔塔材的冷加工工藝，對(duì)于高強(qiáng)鋼和普通鋼區(qū)別不大，并且高強(qiáng)鋼的剪切、制彎、火曲和打孔等主要加工工藝可以滿(mǎn)足要求；但是在高強(qiáng)鋼的焊接塔材過(guò)程中，避免冷裂紋和層狀撕裂等現(xiàn)象的加工技術(shù)能力有所欠缺，所以高強(qiáng)鋼的焊接加工工藝需進(jìn)一步完善。

4.1 質(zhì)量控制工藝

只有保證了焊接工藝的合理性和有效性，才能保證低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭的良好焊接質(zhì)量。在高強(qiáng)鋼加工及焊接時(shí)，必須對(duì)每個(gè)工序做好記錄，并且對(duì)每一道工序加強(qiáng)質(zhì)量控制、焊接過(guò)程的管理和結(jié)果的檢驗(yàn)。

4.2 焊后冷裂紋防止措施工藝

雖然高強(qiáng)鋼有良好的力學(xué)性能，但是由于低合金高強(qiáng)鋼的碳當(dāng)量偏高，使其焊后冷裂紋、熱裂傾向和再熱裂紋出現(xiàn)概率增加。這種焊接劣化現(xiàn)象對(duì)高強(qiáng)鋼在輸電線(xiàn)路工程中的應(yīng)用推廣極為不利。

5 結(jié)論

根據(jù)輸電線(xiàn)路工程中，鐵塔的設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)情況，優(yōu)化高強(qiáng)鋼的焊接加工工藝，加強(qiáng)各工序的質(zhì)量控制，來(lái)保證焊后冷裂紋防止措施工藝的實(shí)施，可以保障高強(qiáng)鋼在鐵塔應(yīng)用中的可靠性和安全性。在工業(yè)制造中，自動(dòng)化焊接技術(shù)可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高焊接效率，在保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上，推廣自動(dòng)化焊接技術(shù)將成為制造工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)。