高強度鋼材低溫力學性能研究

蔣軍 宋威

【摘要】特高壓輸電線路鐵塔采用高強鋼，不僅可以提高鐵塔的承載能力，而且還可以增加生產制造的經濟性。從750kV輸變電工程中選取高強鋼Q420B為研究對象，對其母材和焊接接頭，分別進行了低溫拉伸試驗和沖擊試驗研究，發現焊后的力學性能會劣化。高強鋼焊接工藝的高要求，無形之中增加了生產制造單位的成本，給鐵塔公司帶來了挑戰，迫切的需要在高強鋼的焊接工藝上“提質增效”。

【關鍵詞】輸電鐵塔;高強鋼;低溫;力學性能

1概述

2020年，在我國南方各省，突然爆發了大雪災，由于覆冰造成的塔身偏重和鋼材強度不足等原因，導致輸電鐵塔的大規模倒塌，造成大面積的停電，不僅給人民生活帶來極大的不便，還對我國的經濟建設造成了極大的損失。說明我國迫切的需要增強輸變電技術的研究，來提高我國鐵塔的制造質量和制造水平。為了加強鐵塔承載能力，同時減輕塔重、特高壓輸電線路鐵塔的塔材采用低合金高強鋼，如Q345、Q420和Q460等鋼材，可以加強鐵塔的承載能力、減輕鐵塔的重量、節省鐵塔鋼材的消耗，從而提高經濟效益。

2高強鋼應用參數研究

2.1鋼材性能參數比較

鋼材的強度設計值，根據《GB50545-2010110kV～750kV架空輸電線路設計規范》[4]，應按表1的規定確定。如表1所示，可以直觀的看出Q235碳素結構鋼、Q345和Q420低合金高強鋼的強度設計值和不同鋼材之間的提升比例。

2.2四種塔型的理論經濟性比較

本文選取了四種常用塔型作為例塔，分別為：500kV和750kV直線角鋼塔及其耐張角鋼塔。采用的鋼材分別為Q345鋼和Q420鋼來進行計算，通過塔材的消耗的重量以及鋼材的價格比較，得出在特高壓鐵塔上應用Q420高強鋼的經濟效益。綜合這四種塔型的計算比較結果，見表2。如表2可知，隨著鐵塔的荷載和主材規格的增大，應用Q420高強鋼的塔材耗量和成本價都有所降低。所以在特高壓輸電線路中合理的應用高強鋼，不僅通過可以減少鐵塔的重量、延長鐵塔的使用壽命，帶來經濟效益，還可以通過減小線路走廊、縮小占地面積，從而帶來社會效益。

3高強鋼焊接力學性能試驗研究

3.1試驗概述

高強鋼強度提高，其焊接性也隨之變差。Q345低合金高強鋼的強度適中、焊接性極佳，所以應用較為廣泛。而《GB50661-2011鋼結構焊接規范》中將Q420劃分為較難焊接金屬，Q460劃分為難焊接金屬。本項目來源于德令哈（托索）750kV輸變電工程，故針對Q420B鋼材進行試驗研究。其中《GB/T228-2002》、《GB/T13239-2006》為拉伸試驗參考標準;《GB/T229-2007》為沖擊試驗參考標準;《GB/T2975-1998》為試驗試樣的加工取樣參考標準。

3.2拉伸試驗結果分析

首先，將同一種試驗鋼材，在相同試驗條件下的得到的抗拉強度和屈服強度結果取平均值，然后，得到Q420B母材和焊接接頭的抗拉強度和屈服強度，在40℃、20℃、0℃、-20℃和-40℃的強度變化曲線，如圖1所示。由圖1可以發現，兩種鋼材的抗拉強度和屈服強度都隨著溫度的降低而升高。通過拉伸試驗可以很直觀的發現，焊接會破壞高強鋼的強度。3.3沖擊試驗結果分析本文研究沖擊功和溫度關系的函數為Boltzmann函數，表達式為式（1）y=A1-A21+e（t-t0）/Δt+A2（1）其中：函數y為沖擊功（J）;A1、A2分別為上下平臺能（J）;t0和Δt表征了材料的溫度特性，t0代表韌脆轉變溫度（℃），Δt反映韌脆轉變速率（℃）。將Q420B母材和焊接接頭的試驗結果根據Boltzmann函數進行分析，如圖2所示。如圖2所示，隨著溫度的降低，兩種材質的角鋼的沖擊功值會降低，同時可以發現，到達韌脆轉變溫度點之后，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℃五個溫度點，Q420B焊接接頭的沖擊功值的平均值都比其母材低，說明焊接會破壞高強鋼的韌性。

4高強鋼焊接加工工藝研究

輸電鐵塔對塔材的焊接工藝要求很高，不僅需要焊材與母材具有相當的強度、韌性和塑性，還需要其焊后裂紋率低，不出現層狀撕裂現象。通過對高強鋼在輸電線路工程中的應用情況進行調研，發現鐵塔塔材的冷加工工藝，對于高強鋼和普通鋼區別不大，并且高強鋼的剪切、制彎、火曲和打孔等主要加工工藝可以滿足要求;但是在高強鋼的焊接塔材過程中，避免冷裂紋和層狀撕裂等現象的加工技術能力有所欠缺，所以高強鋼的焊接加工工藝需進一步完善。

4.1質量控制工藝

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鋼焊接接頭的良好焊接質量。在高強鋼加工及焊接時，必須對每個工序做好記錄，并且對每一道工序加強質量控制、焊接過程的管理和結果的檢驗。

4.2焊后冷裂紋防止措施工藝

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

5結論

根據輸電線路工程中，鐵塔的設計和實際生產情況，優化高強鋼的焊接加工工藝，加強各工序的質量控制，來保證焊后冷裂紋防止措施工藝的實施，可以保障高強鋼在鐵塔應用中的可靠性和安全性。在工業制造中，自動化焊接技術可以降低勞動強度、提高焊接效率，在保證焊接質量的基礎上，推廣自動化焊接技術將成為制造工業現代化發展的必然趨勢。

參考文獻

[1]何長華.高強冷彎型鋼在輸電鐵塔上應用可行性的探討[J].鋼結構，2004（5）：35-37.

[2]梁浩.Q420高強鋼在輸電線路鐵塔上的應用研究[J].上海電力，2009（4）：298-303.

基金項目：江蘇省高校自然科學基金面上項目，低溫環境下高強鋼低匹配接頭疲勞韌脆轉變機制及壽命預測

1、蔣軍，大學本科，講師，高級技師，研究方向為工業機器人應用技術、數控機床維修技術。

2、宋威，博士，講師，工程師，研究方向為缺口構件力學及可靠性分析、增材制造及焊接結構服役安全與壽命評估。