輸電線路高強度鋼材低溫力學(xué)性能

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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(chǎn)制造的經(jīng)濟性。從德令哈（托索）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(fā)現(xiàn)焊后的力學(xué)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(chǎn)制造單位的成本，給鐵塔公司帶來了挑戰(zhàn)，迫切的需要在高強鋼的焊接工藝上“提質(zhì)增效”。

關(guān)鍵詞：輸電鐵塔；高強鋼；低溫；力學(xué)性能；焊接工藝

1概述

2008年，在我國南方各省，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極大的不便，還對我國的經(jīng)濟建設(shè)造成了極大的損失[1]。說明我國迫切的需要增強輸變電技術(shù)的研究，來提高我國鐵塔的制造質(zhì)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(jié)省鐵塔鋼材的消耗，從而提高經(jīng)濟效益[2]。本文項目來源于德令哈（托索）750kV輸變電工程，故針對Q420高強鋼的生產(chǎn)、制造和應(yīng)用等相關(guān)問題進行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在全國范圍內(nèi)9條線路工程的建設(shè)中進行試點，其中包括：武北~錫東南π接入錫西南線路、500kV遼吉線路、750kV蘭州東~寧東線路等。這些輸電線路工程的共計長度為964km，其中有9800噸角鋼鋼材和938噸鋼板鋼材采用的是Q420高強鋼，最后統(tǒng)計約節(jié)省工程造價560萬元[3]。

2高強鋼應(yīng)用參數(shù)研究

2.1鋼材性能參數(shù)比較

鋼材的強度設(shè)計值，根據(jù)《GB50545-2010110kV~750kV架空輸電線路設(shè)計規(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低合金高強鋼的強度設(shè)計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(yīng)用Q420高強鋼的經(jīng)濟效益。綜合這四種塔型的計算比較結(jié)果[3]，見表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(yīng)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(jīng)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(xué)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(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(biāo)準(zhǔn)；《GB/T229-2007》為沖擊試驗參考標(biāo)準(zhǔn)；《GB/T2975-1998》為試驗試樣的加工取樣參考標(biāo)準(zhǔn)。3.2拉伸試驗結(jié)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(jié)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，焊接會破壞高強鋼的強度。

3.3沖擊試驗結(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（℃）。將Q420B母材和焊接接頭的試驗結(jié)果根據(jù)Boltzmann函數(shù)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(zhì)的角鋼的沖擊功值會降低，同時可以發(fā)現(xiàn)，到達韌脆轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)膹姸?、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。通過對高強鋼在輸電線路工程中的應(yīng)用情況進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)鐵塔塔材的冷加工工藝，對于高強鋼和普通鋼區(qū)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(xiàn)象的加工技術(shù)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(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鋼焊接接頭的良好焊接質(zhì)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(zhì)量控制、焊接過程的管理和結(jié)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(xué)性能，但是由于低合金高強鋼的碳當(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)象對高強鋼在輸電線路工程中的應(yīng)用推廣極為不利。

5結(jié)論

根據(jù)輸電線路工程中，鐵塔的設(shè)計和實際生產(chǎn)情況，優(yōu)化高強鋼的焊接加工工藝，加強各工序的質(zhì)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(yīng)用中的可靠性和安全性。在工業(yè)制造中，自動化焊接技術(shù)可以降低勞動強度、提高焊接效率，在保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上，推廣自動化焊接技術(shù)將成為制造工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢。

參考文獻

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

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

[3]李植長.Q420高強鋼在輸電線路鐵塔中的焊接應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016（15）：95-96.

作者：劉生昊 徐斐 王燁迪 單位：國網(wǎng)青海省電力公司建設(shè)公司