330kV線路轉角塔塔腳板角鋼開裂原因分析

田革燊，秦 睿，楊景建，李 軍，蔣 菲

(1.國網甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730030；2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

330kV線路轉角塔塔腳板角鋼開裂原因分析

田革燊1，秦 睿2，楊景建2，李 軍2，蔣 菲2

(1.國網甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730030；2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

采用應力校核、斷口檢驗、機械性能試驗、掃描電鏡微觀分析、化學成分分析等方法，分析了鐵塔塔腳板開裂原因：因角鋼2個邊與底座加強筋板角焊縫端部存在焊接裂紋，造成原始焊接裂紋處起裂并向深度方向及兩側緩慢疲勞擴展，在低溫大風等極端氣候條件下，角鋼2個邊的二次裂紋失穩快速擴展并匯集，最終形成貫穿型韌性開裂。最后，提出了全面加強對塔腳板焊接質量的監督檢查工作的建議。

輸電線路；轉角塔；塔腳板；Q420鋼；韌性開裂

0 引言

在架空輸配電線路中，鐵塔的應用十分廣泛。作為連接塔身與基礎的關鍵支撐部件，塔腳板的質量水平直接決定了鐵塔的安全、穩定和可靠運行。在現有的加工技術條件下，塔腳板焊接全部采用人工電弧焊方式，因此焊接人員的業務技能、工作經驗、責任心對塔腳板的焊接加工質量會產生直接影響。不同的塔型、不同位置的塔腳板，在運行中承受的拉、壓、切等應力狀況也不相同。在各種載荷的綜合作用下，轉角塔的外角側塔腳板在運行中主要承受拉伸和彎曲應力。因此，對轉角塔的外角側塔腳板而言，焊接質量的優劣對其及整個鐵塔的安全可靠更加重要。

現介紹西北地區某330kV輸電線路轉角塔運行中發生的塔腳板角鋼開裂事件，通過對鐵塔運行真實環境工況與鐵塔設計強度條件進行校核、開展塔腳板綜合試驗檢測，以分析查找塔腳板角鋼開裂的真實原因，為全面開展同類問題的排查處理提供科學依據。

1 鐵塔簡介

該塔采用3A1-JC4塔型，呼稱高24m，右轉87°00′03″，小號側檔距為173m，大號側檔距為409m，2014年11月帶電投運。鐵塔設計運行條件為：海拔 1770—2034m，覆冰厚度 5mm，基準風速27m/s，最低氣溫-30℃。2016年2月，巡視發現鐵塔外角側塔腳板主材角鋼出現貫穿型開裂，并立即對鐵塔失效塔腳板進行更換。

失效塔腳板的設計參數：材質Q420，型號∠160mm×14mm，材料牌號Q420B，角接焊縫設計資料為Q420/14mm板與Q420/∠160mm×14mm角鋼T型對接焊縫。

2 事件調查內容

針對該塔為大角度轉角塔，兩側檔距相差較大，事發前當地曾出現罕見低溫天氣等多種因素，對塔腳板的失效原因主要從氣象條件、強度校核、取樣檢測、斷口分析和能譜分析方面進行調查。

2.1 氣象條件

經查閱當地氣象部門氣象監測數據，顯示截至事發當日，該地區近30年來監測到的最大風速為19.0m/s，最低氣溫為-29.1℃。查閱該塔投運后的2個冬季氣象監測數據，發現該地區出現的最大風速和最低氣溫分別為2016年2月初的18.1m/s和 -23.9℃。

2.2 強度校核

依據該塔的施工圖設計說明書、鐵塔及基礎明細表和前后耐張段的平斷面圖及機電施工圖、鐵塔及基礎配置情況等資料，對該塔設計技術情況進行全面的復核分析。從結構受力計算、撓度、材質等方面，對該塔實際使用情況和設計情況進行了以下對比分析。

2.2.1 整體受力校核

該塔在本工程條件作用下，整體受力滿足要求。拉腿主材應力達到鋼材強度設計值的64.2%，滿足構件強度要求。

2.2.2 設計性能校核

該塔在33m/s的設計最大風速作用下，塔身的整體受力滿足要求，拉腿主材所受拉應力達到鋼材強度設計值的75.3%，滿足構件強度要求。按照設計情況，滿足百年一遇風速的受力要求。

2.2.3 塔腳板角鋼性能校核

該塔塔腳板Q420角鋼的質量等級為B級，滿足DL/T5154—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》和GB50017—2003《鋼結構設計規范》等規程規范及近年來特高壓工程關于材質的質量等級要求，符合客運專線供電線路的重要性要求。

2.3 取樣檢測

2.3.1 宏觀檢查

角鋼2邊寬度的實測值為161.24/160.86mm，2個邊厚度的實測值為14.34/14.24mm，塔腳板與底座加強筋板角焊縫焊腳尺寸為13mm×13mm×8mm。樣品的實測值均符合GB/T2694—2010標準要求。

裂紋在角鋼脊部開口最寬，寬度最大值約2mm。由脊部向兩翼擴展，其開裂寬度逐步縮?。?，2號裂紋走向均經過加強筋板角焊縫上端熔合線及熱影響區；1號邊存在輕微的彎曲形變，2號邊無形變，其形貌如圖1所示。

圖1 裂紋宏觀形貌

1號裂紋長119mm，從脊部向邊側82mm的裂紋兩側母材無明顯形變；82—119mm范圍裂紋兩側母材表面向內收縮約0.5mm。2號裂紋長134mm，從脊部向邊側73mm的裂紋兩側母材無明顯形變；73—134mm范圍裂紋開口兩側母材表面向內收縮約1.0mm，其形貌見圖2，3所示。

圖2 1號裂紋

圖3 2號裂紋

上述現象表明裂紋末端在拉應力作用下存在明顯的收縮變形，如圖4，5所示。

圖4 1號裂紋尖端

圖5 2號裂紋尖端

對1，2號裂紋解剖，發現裂紋橫斷面呈鋸齒狀，并存在少量的二次裂紋。其中2號裂紋是2條裂紋分別由鋼材兩側外表面向內部擴展匯聚而成的，2條裂紋的斷裂面相互平行但不在一個平面，間距約1mm，如圖 6，7 所示。

圖6 1號裂紋橫斷面

圖7 2號裂紋橫斷面

在裂紋尖端附近母材表面，可用肉眼觀察到相互平行的微小裂紋，如圖8所示。通過滲透探傷檢測，裂紋顯示更為明顯，說明在裂紋前端材料受到較大的局部拉應力，從而產生了輕微變形。

圖8 裂紋前端微裂紋

2.3.2 材質檢測

對角鋼1，2號邊進行材質化學成分分析，在不同部位分別取樣，進行常溫拉伸、彎曲、沖擊及低溫沖擊試驗，試驗分析結果如表1—6所示。

表1 化學成分分析結果(質量分數) %

表2 光譜分析結果 %

表3 常溫拉伸試驗結果

表4 彎曲試驗結果

表6 夏比(V型)低溫沖擊試驗結果

由表1—6的數據可見，該塔腳板角鋼化學成分及常溫沖擊性能均符合GB/T1591—2008標準要求，而低溫沖擊試驗kV2(沖擊吸收能量)不合格。

2.4 斷口檢驗

沿著斷裂面將裂紋兩側角鋼分離后，可以看出整個斷裂面呈現纖維狀斷口特征，斷裂形式為韌性斷裂，如圖9所示。

圖9 裂紋斷裂面

2.4.1 1 號裂紋斷口

從1號裂紋斷裂面可見到起始于加強筋角焊縫邊緣的輻射狀山脊條紋，其匯聚點存在原始裂紋區，其表面存在紅褐色的腐蝕產物，深度約2mm，其余裂紋擴展區域斷裂面大部分表面呈灰色，具有金屬光澤，如圖10所示。在原始裂紋外表面側，因存在鍍鋅層未產生明顯的腐蝕現象，可見裂紋起始于原始裂紋。

圖10 1號裂紋斷口形貌

1號裂紋斷裂面掃描電鏡形貌如圖11，12所示。在裂紋源處存在間距較小，呈波浪形疲勞輝紋及河流狀花樣，為韌性疲勞輝紋及塑性變形特征。裂紋擴展區表現為韌窩形態，韌窩底部存在第2相粒子，呈不規則的長條和圓粒狀顆粒，在大韌窩之間分布著無數小韌窩花樣。

圖11 裂紋擴展區韌窩SEM形貌(800×)

圖12 裂紋源SEM形貌(400×)

2.4.2 2 號裂紋斷口

2號裂紋在加筋板角焊縫端部處同樣存在原始裂紋區域，深度約1.5mm范圍內因有鍍層覆蓋未發生明顯銹蝕，而內部靠近裂紋擴展區域斷面表面銹蝕明顯，裂紋斷面存在35mm長臺階型斷裂面，如圖13，14所示。

圖13 2號裂紋斷口形貌

圖14 2號裂紋臺階型斷裂面

2.5 能譜分析

1號邊原始裂紋能譜線掃描分析結果顯示，在原始裂紋距表面深度340μm范圍內存在大量鋅元素，如圖15所示。

2號邊原始裂紋能譜線掃描分析結果顯示，在原始裂紋距表面深度1400μm范圍內也存在大量鋅元素，如圖16所示。

為驗證能譜分析結果的有效性，對臨近裂縫兩側角鋼再次擴大取樣3件，并對每件2次共6次不同位置進行能譜線掃描比對分析。檢測結果顯示，正常部位角鋼斷面鋅元素滲入深度全部在200—260μm范圍內，見表7和圖17。

圖15 1號邊原始裂紋線掃描能譜

表7 正常部位與裂紋斷面能譜分析對比表 μm

圖17 正常角鋼線掃描能譜

與塔腳板1，2號原始裂紋斷面鋅元素滲入深度 340μm 和 1400μm 范圍相比，原始裂紋斷面與正常部位斷面鋅元素滲入深度差距巨大，充分證明了原始裂紋斷面大量鋅元素滲入的電鏡掃描分析結果。

根據鐵塔制造廠家提供的質量證明書中塔腳板Q420B∠160mm×14mm型角鋼出廠鍍鋅檢測記錄顯示，鋅層厚度為127—130μm。由此判定，本次試驗檢測中正常部位角鋼斷面能譜線掃描鋅元素滲入深度為200—260μm，這應為鍍鋅層厚度與鋅鐵合金層厚度之和。

3 結果分析

3.1 應力分析

1號邊存在輕微的彎曲形變，2號邊無明顯形變，說明1號邊承受相對較大的拉應力。裂紋在角鋼脊部開口最寬，最大值約2mm。由脊部向兩翼擴展，開裂寬度逐步縮小，裂紋尖端附近母材上肉眼明顯可見相互平行的微小裂紋，說明該塔腳板受到較大的彎曲應力，并在角鋼脊部承受峰值拉應力。

3.2 斷口分析

1號裂紋斷口裂紋擴展區表現為韌窩形態，在大韌窩之間分布著無數小韌窩花樣，呈現明顯的韌性斷裂特征。裂紋源處表現為韌性疲勞輝紋及塑性變形特征，說明在裂紋起裂初期承受低應力高周期疲勞風載荷；疲勞裂紋擴展到一定階段，該裂紋受到突發載荷導致角鋼邊快速韌性撕裂。

1，2號角鋼邊的開裂均起源于加筋板與角鋼角焊縫端部的原始裂紋，在承受較大拉應力的條件下，1號裂紋由原始裂紋尖端應力集中點向內部及兩側擴展，最終貫穿整個斷面。2號裂紋斷面存在1個臺階，說明1號裂紋先擴展至2號邊靠近角鋼脊部，與2號裂紋匯集后形成35mm長的臺階型斷裂面。

3.3 二次裂紋成因分析

原始焊接裂紋尖端處應力集中系數k在1.8—3.0范圍內，此處峰值應力達到鋼材強度設計值的115.56%—192.6%，超出許可應力值。二次裂紋在原始焊接裂紋尖端處萌生并在風載等其他交變應力因素作用下緩慢疲勞擴展。而Q420B鋼碳當量相對較高，其在低溫運行工況下脆性明顯增加。從表5，6數據對可知，在-20℃運行工況下，Q420B鋼沖擊功僅為常溫運行工況的15.9%；事發前當地最低氣溫達到-23.9℃，較低的氣溫造成角鋼韌性明顯下降，導致角鋼抵抗變形和斷裂的能力大大降低。在低溫大風等極端氣候條件下，角鋼2個邊的二次裂紋失穩擴展并匯集，最終形成貫穿型韌性開裂。

4 結論及建議

4.1 調查分析結論

由于制造過程中焊前清理不徹底、層間溫度偏高及焊后角焊縫未完全打磨圓滑等原因，塔腳板角鋼主材2個邊與加筋板角焊縫端部產生了裂紋。熱鍍鋅時鋅液滲入裂紋斷面開口處，導致原始裂紋斷面與正常部位斷面鋅元素滲入深度差距巨大。因有鍍層覆蓋，深度約1.5mm范圍內未發生明顯銹蝕，但內部靠近裂紋擴展區域斷面表面銹蝕明顯。運行中受該塔腳所處大轉角塔外側位置影響，致使塔腳板長期承受了較大的拉應力，角鋼2個邊的二次裂紋從原始焊接裂紋處萌生并緩慢疲勞擴展，在低溫且突發大風工況下角鋼2個邊的二次裂紋快速擴展并匯集，最終形成貫穿型韌性開裂。

4.2 防范建議

相對Q345等鋼材而言，Q420和Q460鋼的焊接工藝難度大，焊接技術要求高，鐵塔生產企業首先要嚴格按照工藝及質量管理要求，遵守設計的焊接工藝、焊條材質等各項要求，規范加工施焊。同時應加強對塔腳板焊接質量的監督檢測，并對承受較大應力部位增加無損檢測比例。

對處于低溫大風等環境下、主材設計應力達到鋼材強度設計值33%以上的鐵塔，設計中應相應提高其鋼材的質量等級，確保在低溫環境下，鋼材的沖擊功不低于常溫設計值，以保障其有足夠的抵抗變形和斷裂的性能。

針對同一地域范圍內該廠家生產的同型號塔應用數量較大的實際情況，首先要及時安排開展塔腳板焊接裂紋排查，重點檢查塔腳板焊縫端部是否存在原始裂紋；同時，要在后續鐵塔施工過程中開展塔腳板安裝前的質量抽檢，及時發現和處理焊接裂紋等質量隱患，避免由于塔腳板焊接裂紋發現不及時造成的輸電線路倒塔等嚴重后果。

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2016-12-11；

2017-03-11。

田革燊(1974—)，男，高級工程師，主要從事電網企業質量監督管理工作，email：tiangs@gs.sgcc.com.cn。

秦睿(1967—)，男，高級工程師，主要從事金屬技術監督管理工作。

楊景建(1977—)，男，高級工程師，主要從事金屬監督檢驗、失效分析研究工作。

李軍(1981—)，男，高級工程師，主要從事金屬監督檢驗、失效分析研究工作。

蔣菲(1990—)，女，工程師，主要從事金屬監督檢驗、失效分析研究工作。