輸電線路高強(qiáng)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(qiáng)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(jì)性。從德令哈（托索）750kV輸變電工程中選取高強(qiáng)鋼Q420B為研究對(duì)象，對(duì)其母材和焊接接頭，分別進(jìn)行了低溫拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)焊后的力學(xué)性能會(huì)劣化。高強(qiáng)鋼焊接工藝的高要求，無(wú)形之中增加了生產(chǎn)制造單位的成本，給鐵塔公司帶來(lái)了挑戰(zhàn)，迫切的需要在高強(qiáng)鋼的焊接工藝上“提質(zhì)增效”。
關(guān)鍵詞：輸電鐵塔；高強(qiáng)鋼；低溫；力學(xué)性能；焊接工藝
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(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)《GB50545-2010110kV~750kV架空輸電線路設(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)減小線路走廊、縮小占地面積，從而帶來(lái)社會(huì)效益。
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/T228-2002》、《GB/T13239-2006》為拉伸試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)；《GB/T229-2007》為沖擊試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)；《GB/T2975-1998》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，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（℃）。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。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(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)。
參考文獻(xiàn)
[1]何長(zhǎng)華.高強(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng).Q420高強(qiáng)鋼在輸電線路鐵塔中的焊接應(yīng)用[J].中國(guó)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(guó)網(wǎng)青海省電力公司建設(shè)公司
