低溫區(qū)輸電鐵塔用Q420高強(qiáng)角鋼試驗研究

劉洪義，劉育彤，薜麗娜

(中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021)

0 引言

近年來，國內(nèi)高電壓等級、長距離、大容量的輸電線路越來越多，輸電桿塔承受的荷載越來越大，對輸電鐵塔用鋼和服役可靠性的要求也越來越高。我國寒冷地區(qū)面積較大，尤其是在冬季，北方部分區(qū)域溫度較低，而重要輸電通道內(nèi)的輸電線路可能橫貫不同氣候條件的地區(qū)，Q420高強(qiáng)鋼在低溫寒冷地區(qū)工程中的采用量越來越大。因此，研制輸電鐵塔用低合金高強(qiáng)度角鋼已成為重要課題，加強(qiáng)對于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的低溫韌性研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

鋼材因低溫冷脆而產(chǎn)生的破壞不僅與材料本身的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、晶粒尺寸和組織類型等內(nèi)部因素相關(guān)，還與施載速度、應(yīng)力集中、缺口類型和規(guī)格大小等外部因素相關(guān)。本文開展低溫區(qū)輸電鐵塔用Q420高強(qiáng)角鋼試驗研究，以期從試驗層面對Q420角鋼的低溫性能進(jìn)行研究。

1 我國輸電鐵塔用鋼狀況

我國輸電線路用鋼在2000年以前主要以Q235和Q345為主，這主要是受制于當(dāng)時我國鋼鐵企業(yè)的冶煉和軋制技術(shù)與裝備水平。隨著我國鋼鐵企業(yè)冶煉和軋制技術(shù)裝備的提高，國家電網(wǎng)公司相繼提出在全行業(yè)試點(diǎn)使用Q420B以及Q460B的鋼材強(qiáng)度級別升級的項目。經(jīng)過幾年的運(yùn)行，自2007年開始，Q420和Q460高強(qiáng)鋼得以在我國推廣應(yīng)用，至此，我國的輸電鐵塔進(jìn)入了高強(qiáng)鋼時代。根據(jù)工程統(tǒng)計，特高壓工程鐵塔設(shè)計中Q420角鋼約占鐵塔總重40%左右。

我國北方很多地區(qū)冬季低溫在-20 ℃以下，極端最低氣溫甚至達(dá)到-40 ℃以下。尤其是東北地區(qū)，屬于寒溫帶和寒帶氣候，具有氣溫低、溫差大等特征，低溫的持續(xù)時間長；每年低溫出現(xiàn)時間一般達(dá)到3個月至6個月，大、小興安嶺地區(qū)的年平均氣溫都在0℃以下。東北地區(qū)最冷月溫度在-10～-30 ℃之間，大興安嶺地區(qū)各地極端最低溫度的多年平均值大多在-40 ℃左右，而極值可達(dá)-45 ℃。鋼材在常溫下能夠表現(xiàn)出良好的性能，在極低溫度下卻具有脆化的傾向，這一冷脆現(xiàn)象一直伴隨著鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程。加上輸電線路用角鋼通常都要開出大量的螺絲孔，而且受力方向沿著掛點(diǎn)位置呈現(xiàn)出橫向撕裂受力，沿螺絲孔位置的脆性斷裂傾向也將增加。

2 國內(nèi)外輸電鐵塔用鋼低溫性能比較

總結(jié)國內(nèi)外輸電鐵塔常用結(jié)構(gòu)鋼及其低溫性能，如表1所示。日本、歐美等發(fā)達(dá)國家或地區(qū)的輸電鐵塔用鋼，在極低溫度地區(qū)均提出了韌性指標(biāo)。美國和加拿大用的角鋼和鋼管的牌號均為GR50和GR65，相當(dāng)于我國的Q460C；俄羅斯西伯利亞某輸油管線用鋼K60，都要求-40 ℃夏比V型缺口沖擊試驗，沖擊功不低于100 J，其鐵塔用角鋼強(qiáng)度為578 MPa，接近我國的Q590C。

表1 國內(nèi)外輸電鐵塔常用結(jié)構(gòu)鋼及其低溫性能

雖然國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]規(guī)定了Q235及Q345具有A、B、C、D四個等級，但是我國鋼鐵企業(yè)目前大都還不具備提供D、E兩個級別的鐵塔用鋼。特別是近年來Q420和Q460兩個強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼得到應(yīng)用，鋼材強(qiáng)度的變高也增加了材料的脆性。

3 韌脆轉(zhuǎn)變溫度確定

我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》、GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》按照鋼中的S、P含量及不同溫度下的沖擊吸收能量要求，將結(jié)構(gòu)類鋼材分成不同的質(zhì)量等級，其中：Q235、Q345和Q420級鋼的最低沖擊吸收能量分別為27 J、34 J和34 J。根據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》規(guī)定，以沖擊吸收能量達(dá)到某一特定值時的溫度做為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。對Q345和Q420鋼材，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為沖擊吸收能量達(dá)到34 J時的溫度。考慮工程運(yùn)行經(jīng)驗，可以采用沖擊能量達(dá)到鋼材規(guī)定值60%～70%(即21 J左右)時所對應(yīng)的溫度作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度[2]。在該溫度下，桿塔構(gòu)件還有一定的防脆斷能力，該溫度可以理解為結(jié)構(gòu)最低使用溫度。

確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度的方法較多，結(jié)果也較分散，以夏比V型缺口試驗沖擊功21 J對應(yīng)的溫度作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度已被國際工程界廣泛認(rèn)可。美國土木工程協(xié)會(American Society of Civil Engineers，ASCE)在 ASCE/SEI 48—11《Design of Steel Transmission Pole Structures》[3]中關(guān)于鋼材的規(guī)定也按21J取值。

因此，本文參考國內(nèi)外的有關(guān)規(guī)定并結(jié)合工程實(shí)際，將以21 J為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行韌脆轉(zhuǎn)變溫度的確定。

4 Q420角鋼的低溫性能分析

為了準(zhǔn)確分析Q420角鋼在低溫下的性能，選取Q420B級鋼∠140×12 mm、∠200×24 mm、∠250× 30 mm、∠300×26 mm及Q420C級鋼∠140×12 mm、∠180×16 mm、∠200×20 mm、∠200×24 mm共計8種角鋼，進(jìn)行低溫夏比沖擊試驗研究。

4.1 Q420B級角鋼的低溫性能分析

根據(jù)Q420B級角鋼的低溫沖擊性能試驗結(jié)果，繪制4種規(guī)格的韌脆轉(zhuǎn)變曲線，如圖1所示。本次試驗取沖擊吸收能量達(dá)到21 J時對應(yīng)的試驗溫度作為韌脆轉(zhuǎn)變點(diǎn)，∠140×12 mm、∠200×24 mm、∠250×30 mm和∠300×26 mm這4種角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變點(diǎn)對應(yīng)的試驗溫度分別為 -25.6 ℃、-33.5 ℃、-51.7 ℃和 -53.8 ℃。

圖1 不同規(guī)格Q420B試驗角鋼低溫韌性對比結(jié)果

材料的組織決定了材料性能。本次試驗選取的∠250×30 mm和∠300×26 mm這2種大規(guī)格角鋼組織較均勻細(xì)小，從而表現(xiàn)出較好的沖擊韌性，決定材料組織的因素有很多，例如煉鋼時各種元素含量的控制如S、P等，以及軋制過程中溫度的控制等，都會影響材料的組織。圖1清晰反映了4種規(guī)格Q420B角鋼的韌性差異，∠250×30 mm和∠300×26 mm這2種規(guī)格的韌性差異不大，并且其沖擊吸收功高于另外2種規(guī)格的角鋼，而規(guī)格為∠140×12 mm的角鋼表現(xiàn)出較低的沖擊韌性。

4.2 Q420C級角鋼的低溫性能分析

根據(jù)Q420C級角鋼的低溫沖擊性能試驗結(jié)果，分析得到各試驗規(guī)格的韌脆轉(zhuǎn)變曲線，如圖2所示。從圖2可知，規(guī)格為∠200×20 mm的Q420C角鋼的低溫沖擊韌性較低，以沖擊吸收能量21J作為韌脆轉(zhuǎn)變的功值，規(guī)格為∠200×20 mm的Q420C角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-30.0 ℃，遠(yuǎn)低于其它三個 規(guī) 格；∠140×12 mm、 ∠180×16 mm和∠200×24 mm這3種規(guī)格的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為-54.6 ℃、-52.3 ℃和-45.8 ℃。同一質(zhì)量等級的角鋼，造成這種差異關(guān)鍵在于組織形貌的差異。

圖2 不同規(guī)格Q420C試驗角鋼低溫韌性對比結(jié)果

由試驗可知，規(guī)格為∠140×12 mm的Q420C角鋼的基體組織為沿軋制方向的條帶狀珠光體與鐵素體分布，并且軋制變形程度較大。金屬材料本身存在一定數(shù)量的位錯，在塑性變形過程中，位錯不斷增殖，位錯密度增加。在熱加工過程中，各種可變性的夾雜物和脆性相會沿著變形方向被拉長，有些脆性相會因為軋制過程受力而被破碎，呈點(diǎn)狀或線狀分布，削弱了對性能的有害作用。規(guī)格為∠180×16 mm的Q420C角鋼組織軋制變形較小，但因其鐵素體含量較高，仍然表現(xiàn)出了良好的韌性。另外，由于∠180×16 mm角鋼比∠200×24 mm角鋼的組織細(xì)小，故∠180×16 mm角鋼在沖擊能量為21 J時的溫度更低。圖2清晰反映了4種規(guī)格Q420C角鋼的韌性差異，∠140×12 mm角鋼表現(xiàn)出了優(yōu)異的沖擊性能，而∠200×20 mm角鋼則因組織不均勻造成韌性低于其它3種規(guī)格；另外2種規(guī)格角鋼的沖擊功值差異不大。

4.3 斷口形貌分析

4.3.1 Q420B級熱軋角鋼的斷口形貌分析

分析試驗中的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)照片，發(fā)現(xiàn)4種規(guī)格的Q420B角鋼沖擊斷口出現(xiàn)撕裂棱與河流花樣并存的現(xiàn)象，少見韌窩帶，介于解理斷裂和韌窩斷裂之間，屬于準(zhǔn)解理斷裂。隨著試驗溫度的降低，韌窩帶逐漸消失，沖擊試樣斷口微觀形貌逐漸呈現(xiàn)放射花樣，轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?/p>

4.3.2 Q420C級熱軋角鋼的斷口形貌分析

分析試驗中的SEM照片，發(fā)現(xiàn)4種規(guī)格Q420C角鋼中的∠140×12 mm、∠180×16 mm角鋼的室溫沖擊斷口為韌窩狀，為典型韌性斷裂；隨著試驗溫度的降低，大量韌窩消失，轉(zhuǎn)變?yōu)樯倭克毫牙馀c河流花樣并存，少見韌窩帶，直至轉(zhuǎn)變?yōu)榉派錉罨樱D(zhuǎn)為脆性斷裂。∠200×20 mm和∠200×24 mm這2種規(guī)格Q420C角鋼室溫斷口形貌可見韌窩帶及撕裂棱，介于解理斷裂和韌窩斷裂之間，屬于準(zhǔn)解理斷裂。隨著試驗溫度的降低，韌窩帶逐漸消失，沖擊試樣斷口微觀形貌逐漸呈現(xiàn)放射花樣，轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?/p>

5 低溫區(qū)角鋼塔加工要求和工程應(yīng)用建議

5.1 低溫區(qū)角鋼塔加工要求

對于低溫區(qū)角鋼塔的加工工藝，建議如下：

1) Q420角鋼塔應(yīng)采用鉆孔工藝加工，并采用鋸切或熱切割工藝下料；

2)對于極端最低氣溫T低于-30℃，以及介于-30℃和-20℃的地區(qū)，Q235、Q345鋼材的最大剪切厚度和最大沖孔厚度，應(yīng)按表2執(zhí)行；

表2 Q235、Q345鋼材的最大剪切厚度和沖孔厚度要求

3)鐵塔構(gòu)件加工時角鋼、鋼板在剪切和沖孔、冷矯正和冷彎曲時，其工作地點(diǎn)最低環(huán)境溫度應(yīng)滿足表3的要求；

表3 工作地點(diǎn)最低環(huán)境溫度要求 ℃

4)對22#、25#大規(guī)格角鋼，應(yīng)盡量避免開合角和火曲加工，并避免進(jìn)行冷矯直、冷彎曲；

5)構(gòu)件制作時避免在構(gòu)件內(nèi)部或表面造成缺陷和裂紋，構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)避免形成尖角造成應(yīng)力集中。

5.2 低溫區(qū)角鋼塔工程應(yīng)用建議

根據(jù)試驗結(jié)果，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，總結(jié)Q420B和Q420C級角鋼的工程應(yīng)用建議如下：極端最低氣溫高于-40 ℃的低溫地區(qū)，建議選用不低于Q420B級鋼材；特殊區(qū)段桿塔優(yōu)先用Q420C鋼材；極端最低氣溫介于-50～-40 ℃之間的低溫地區(qū)，選用C級鋼材。

6 結(jié)語

本文研究低溫地區(qū)輸電鐵塔用Q420角鋼試驗情況，得到以下結(jié)論：

1)沖擊試驗表明，∠140×12 mm、∠200×24 mm、∠250×30 mm和∠300×26 mm這4種Q420B角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為-25.6 ℃、-33.5 ℃、-51.7 ℃和-53.8 ℃；∠140×12 mm、∠180×16 mm、∠200× 20 mm和∠200×24 mm這4種Q420C角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為 -54.6 ℃、-52.3 ℃、-30.0 ℃和 -45.8 ℃。同一質(zhì)量等級的角鋼，造成這種差異關(guān)鍵在于組織形貌的差異；

2) SEM斷口照片結(jié)果表明：Q420B、Q420C級角鋼室溫沖擊類型基本為韌性斷裂與準(zhǔn)解理斷裂的混合，且隨著沖擊試驗溫度的降低，韌窩逐漸減少，轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理斷裂及脆性斷裂；

3)工程采用的構(gòu)件應(yīng)從材質(zhì)選擇、結(jié)構(gòu)型式選擇、避免應(yīng)力集中、嚴(yán)控制作和加工安裝過程等方面采取技術(shù)措施，防止和消除鋼結(jié)構(gòu)低溫冷脆的發(fā)生；

4)極端最低氣溫高于-40 ℃的低溫地區(qū)，選用不低于Q420B級鋼材；特殊區(qū)段桿塔優(yōu)先Q420C鋼材；極端最低氣溫不高于-40 ℃且高于-50 ℃的低溫地區(qū)，選用C級鋼材。

5)低溫區(qū)輸電鐵塔用材應(yīng)特別注重低溫沖擊功的檢驗，優(yōu)選低溫性能優(yōu)異的鋼材。