輸電鐵塔主材角鋼的低溫拉伸和沖擊試驗

江文強， 安利強， 王燁迪， 石 強

(1.華北電力大學機械工程系 保定，071003) (2.國網內蒙古東部電力有限公司經濟技術研究院 呼和浩特，010020)

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.05.028

輸電鐵塔主材角鋼的低溫拉伸和沖擊試驗

江文強1， 安利強1， 王燁迪1， 石 強3

(1.華北電力大學機械工程系 保定，071003) (2.國網內蒙古東部電力有限公司經濟技術研究院 呼和浩特，010020)

低溫會影響輸電鐵塔鋼材的力學性能，容易導致塔材的脆性斷裂事故，危及鐵塔乃至整個電力系統的安全。筆者針對Q345B和Q420C高強度鋼材角鋼及其焊接接頭，通過低溫拉伸試驗和夏比沖擊試驗，研究了不同材質、不同厚度角鋼及其焊接接頭的低溫力學性能。結果發現，Q345B角鋼和焊接接頭、Q420C角鋼和焊接接頭的韌脆轉變溫度分別為-2.59，-15.28，-32.33和-6.76 ℃，低溫會使4種鋼材的的抗拉強度和屈服強度均有所提高，在-45℃的高寒地區的輸電鐵塔，選擇Q420C角鋼可以滿足設計要求，但是應該盡量避免對Q420C進行焊接處理。

輸電鐵塔； 主材角鋼； 低溫； 拉伸試驗； 沖擊試驗

引 言

隨著我國電網建設的不斷完善，越來越多的超特高壓輸電線路必須通過寒冷地區，尤其是在東北地區，冬季氣溫低，持續時間長，部分地區的年極端最低氣溫可達-45 ℃，甚至更低[1]。由于輸電線路鐵塔暴露在大氣環境之中，容易受到覆冰、大風、導線脫冰等靜態、動態和沖擊載荷的影響[2-4]，一旦設計和施工不當，在寒冷地區運行的超特高壓輸電線路，就容易出現角鋼低溫冷脆破壞事故。據不完全統計，自1988～2013年，國內由低溫環境引起的累計倒塔事故多達數十余次[5]。

為了加工運輸方便，輸電鐵塔主材通常由多段角鋼通過螺栓連接而成，在螺栓孔加工過程中大多采用的是沖孔加工工藝。螺栓孔沖孔加工時，容易在孔壁周圍產生微裂紋形成裂紋源。一旦溫度低于角鋼的韌脆轉變溫度，在外載荷作用下，微裂紋容易不斷擴展，從而導致螺栓連接節點破壞和輸電線路倒塔事故的發生。主材是輸電鐵塔的關鍵部件，一旦發生低溫冷脆破壞，就會不可避免的導致整塔倒塌事故的發生，從而危及整個電力系統的安全穩定運行。因此研究輸電線路鐵塔主材角鋼的低溫力學性能，防止鐵塔結構發生低溫冷脆破壞，給出鐵塔材料的選材依據，這對于超特高輸電線路工程具有重要意義。

鋼材在常溫下有良好的塑性和韌性，但隨著溫度的降低，鋼材的塑性和韌性會不斷變差，并且鋼材的低溫力學性能與其材質、截面形狀及厚度等因素有關。王元清等[6-10]對4種不同厚度的高強鋼板Q345B進行了低溫力學性能試驗研究，結果發現隨溫度的降低，鋼材的屈服強度和抗拉強度增大而斷面收縮率減小。隨鋼板厚度的增加，z向試樣的斷面收縮率逐漸減小，且小于橫向試樣的斷面收縮率。另外，還針對Q460C高強鋼板進行了低溫拉伸、沖擊韌性和3點彎曲試驗，研究了Q460C鋼板的低溫力學性能。Liu等[11-12]在以上試驗的基礎上增加了焊接接頭的對比試驗研究。學者們針對鋼材的低溫力學性能進行了大量研究，然而針對輸電鐵塔主材用角鋼，特別是高強度鋼材角鋼的研究還不完善，從而影響了高強鋼在低溫地區的推廣和應用。筆者主要針對Q345B，Q420C高強度主材角鋼及其焊接接頭，通過低溫拉伸和沖擊試驗，研究不同材質、不同規格厚度角鋼的低溫力學性能，分析低溫對輸電鐵塔主材角鋼力學性能的影響規律，為低溫地區輸電鐵塔的合理選材提供依據。

1 試驗概述

本試驗主要研究Q345B和Q420C主材角鋼及其焊接接頭的低溫力學性能，低溫拉伸試驗參考的標準為《GB/T 228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法》[13]和《GB/T 13239-2006金屬材料低溫拉伸試驗方法》[14]，低溫沖擊試驗采用的試驗標準為《GB/T 2009-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》[15]，試樣的加工及取樣參考標準為《GB/T 2975-1998鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》[16]。試樣的幾何尺寸如圖1所示，試驗完成后結果如圖2所示。

圖1 試樣幾何尺寸(單位：mm)Fig.1 Geometric parameters of specimens(unit: mm)

圖2 試樣試驗結果Fig.2 Specimens after test

低溫拉伸試驗的材質類型包括Q345B角鋼、Q345B焊接接頭、Q420C角鋼和Q420C焊接接頭。選用的主材角鋼規格分別為L125×12，L140×14，L160×16(分別記為12，14和16 mm)，選用的焊接板材厚度分別為12，14，16 mm。試驗溫度包括室溫(20 ℃)，-10，-20，-45 ℃，共計完成了144個試樣的拉伸試驗。低溫沖擊試驗的鋼材類型、角鋼型號和焊接板材厚度與拉伸試驗相同，試驗時采用的溫度分別為室溫(20 ℃)，-10 ℃(Q345B角鋼)，-20，-45，-60 ℃(Q345B焊接接頭、Q420C角鋼及其焊接接頭)，共計完成了144個試樣的沖擊試驗。具體試驗清單如表1所示。

表1 沖擊試驗和拉伸試驗清單

2 拉伸試驗結果分析

2.1 強度指標

如圖3所示分別為Q345B角鋼、Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接4種材質，在20，-10，-20和-45 ℃ 4種不同溫度下，抗拉強度隨溫度的變化曲線，圖中抗拉強度為同一鋼材，在相同試驗條件下3個試樣試驗結果的平均值。

圖3 抗拉強度Fig.3 Tensile strength

從圖3(a)可以看出，12 mmQ345B角鋼，在20 ℃(常溫)時，抗拉強度為566.67 MPa，在-10，-20，-45 ℃時，抗拉強度分別為574.50，588.33，609.67 MPa，可見在低溫環境下，Q345B角鋼的抗拉強度是有所提高的。14和16 mm的Q345B角鋼也有相同的規律。

從圖3(b)～(d)中可以看出，Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接在低溫環境下的抗拉強度也略有提高。但是隨溫度的降低，抗拉強度并非單調增加，如12 mm Q420C焊接，在20 ℃(常溫)時，抗拉強度為555.67 MPa，在-10，-20，-45 ℃時，抗拉強度分別為547.67，580.33，573.00 MPa；16 mm Q420C焊接，在20 ℃(常溫)時，抗拉強度為595.33 MPa，在-10，-20，-45 ℃時，抗拉強度分別為583.33，619.33，639.67 MPa。可見以上兩種厚度的Q420C焊接試樣，在-10 ℃時的抗拉強度略低于常溫環境，但在-20和-45 ℃的抗拉強度仍高于常溫。總的來說，在-45 ℃的高寒地區上述四種鋼材的抗拉強度都會略有提高。

從圖3還可以看出，鋼材的厚度不同，其抗拉強度值也差異明顯，以Q345B角鋼為例，12，14，16 mm 3種不同厚度的Q345B角鋼，抗拉強度變化范圍分別為555.67～609.67 MPa，582.33～629.00 MPa和535.67～572.00 MPa，其中厚度為14 mm的Q345B角鋼抗拉強度最高，厚度為16 mm最低，不同厚度Q345B角鋼的抗拉強度最大差值在50 MPa左右。可見雖然厚度對鋼材抗拉強度影響比較顯著，但在12～16 mm這3個厚度規格中，并非厚度越薄鋼材的抗拉強度越高，厚度與抗拉強度的大小沒有確定性的關系。同樣的，可以看出Q345B焊接接頭、Q420C角鋼和焊接接頭也有相同的規律。

為了研究焊接對鋼材低溫拉伸力學性能的影響，將圖3(a)～(c)和圖3(b)(d)進行對比可以發現，Q345B和Q420C的母材都比焊接接頭抗拉強度高，差值在50～100 MPa之間，說明焊接會降低鋼材的抗拉強度。

為了更好地研究低溫對屈服強度和屈強比的影響規律，將同一類鋼材在相同溫度下，對9個試樣試驗結果取平均值。Q345B角鋼、Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接4種鋼材，在20，-10，-20和-45 ℃ 4種不同溫度下的屈服強度和屈強比隨溫度變化的曲線，如圖4所示。

圖4 強度指標Fig.4 Strength index

從圖4(a)可以看出，在-45℃的高寒地區，上述4種鋼材的屈服強度都會有所提高，但屈服強度并非隨著溫度降低單調增加，這與抗拉強度的變化規律類似。從圖中還可以看出，Q420C焊接的屈服強度均低于其母材的屈服強度，而Q345B焊接的屈服強度則均高于其母材的屈服強度，可見在低溫條件下Q345B的焊接性能優于Q420C。

從圖4(b)可看出，Q345B角鋼和焊接在20 ℃(常溫)時，屈強比分別為0.69和0.79，在-10，-20，-45 ℃時，屈強比分別為0.71，0.72，0.71和0.78，0.81，0.80。Q420C角鋼和焊接在20 ℃(常溫)時，屈強比分別為0.75和0.80，在-10，-20，-45 ℃時，屈強比分別為0.75，0.78，0.75和0.81，0.83，0.84。可見在低溫條件下，鋼材的屈強比略有提高，材料抵抗變形的能力變弱。同時從圖中還可以看出，Q345B和Q420C焊接接頭的屈強比都高于母材，說明焊接接頭抵抗變形能力更弱，低溫下更容易發生冷脆破壞。

2.2 塑性指標

圖5所示為Q345B角鋼、Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接4種鋼材，在室溫(20 ℃)，-10，-20和-45 ℃ 4種不同溫度下的斷后延伸率隨溫度變化曲線。圖中斷后延伸率為同一類鋼材，在相同條件下3個試樣試驗結果的平均值。

圖5 斷后延伸率Fig.5 Specimens elongation

從圖5(a)看出，室溫(20 ℃)時厚度為12 mm厚的Q345B角鋼斷后延伸率為31.67%，溫度降低到-45 ℃后斷后延伸率降至29.37%。同樣的室溫(20 ℃)時厚度為14和16 mm的Q345B角鋼的斷后延伸率分別為27.23%和34.00%，溫度降低到-45 ℃后斷后延伸率分別降至26.67%和32.00%。可見在低溫條件下，Q345B角鋼的斷后延伸率略有降低，塑性變差。

然而，從圖5(b)可以看出，在低溫條件下Q345B焊接接頭的斷后延伸率卻略有升高，塑性變好。室溫(20℃)時厚度為12，14和16 mm的Q345B焊接接頭斷后延伸率分別為25.87%，18.10%和25.63%，當溫度降低到-45 ℃時其斷后延伸率分別增加至26.53%，23.30%和27.13%。

同理，從圖5(c)(d)可以看出，低溫使Q420C角鋼的斷后延伸率略有升高，塑性變好，12 mmQ420C焊接接頭的斷后延伸率略有升高，14和16 mm Q420C焊接接頭的斷后延伸率略有降低。

綜上，Q420C角鋼在低溫條件下的塑性變形能力優于Q345B角鋼，而Q345B材質在低溫下的焊接性能優于Q420C。

3 沖擊試驗結果分析

本研究采用形如式(1)的Boltzmann函數對沖擊功和溫度的關系進行回歸分析。大量的試驗與實踐表明[17-19]，該方法具有較好的相關性和較小的殘差，而且函數各參數的物理意義明確，可以很好地描述沖擊功與溫度之間的關系。

Boltzmann函數的表達式為

(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為韌脆轉變溫度(℃)，Δt為韌脆轉變速率(℃)，Δt越小，轉變溫度區的跨越溫度范圍越窄，材料就越容易由塑性向脆性轉變。

如圖6(a)所示為12，14，16 mm厚度Q345B角鋼，在20，-10，-20，-45 ℃時對應的沖擊功結果。將相同厚度的Q345B角鋼，在4種不同溫度下的12個沖擊試驗結果用Boltzmann函數進行擬合，其結果如圖6(a)(c)所示。

同樣道理，分別對Q420C角鋼、Q345B焊接接頭、Q420C焊接接頭的沖擊試驗結果進行擬合，其結果分別如圖6(b)～(d)所示。

圖6 低溫沖擊試驗結果Fig.6 Low temperature impact test results

從圖6中看出，兩種材質的角鋼和焊接接頭，其沖擊功都隨著溫度的降低而降低，并且達到某個溫度點后，隨著溫度的降低其沖擊功值迅速下降。

將12個Boltzmann函數擬合曲線結果進行整理，從而得到如：下平臺值A1、上平臺值A2、脆韌轉變溫度t0、轉變溫度區Δt，匯總結果如表2所示。

從表2可以看出，對于Q345B角鋼，在厚度分別為12，14和16 mm時，其韌脆轉變溫度分別為-1.51，-5.04和-1.22 ℃，這與文獻[6]中得到Q345B角鋼的韌脆轉變溫度-3.94 ℃基本一致。

表2 Boltzmann函數擬合結果

通過對比在同一材質下，不同厚度的t0和Δt，可以發現厚度對Q345B角鋼、Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接的韌脆轉變溫度和韌脆轉變速率的有一定影響，但沒有明顯規律。從韌脆轉變溫度來看，Q345B角鋼及其焊接接頭，在厚度為14 mm厚時的低溫沖擊韌性最好，而Q420C角鋼及其焊接接頭，在厚度為12 mm時低溫沖擊韌性略優。

為了比較不同材質對沖擊韌性的影響，對同一材質下3種不同厚度的韌脆轉變溫度取平均值，從表2可以看出，Q345B角鋼、Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接接頭的韌脆轉變溫度分別為-2.59，-15.28，-32.33和-6.76 ℃。顯然，Q420C角鋼抵抗低溫冷脆破壞的能力要遠優于Q345B角鋼。同時，通過對比Q345B角鋼和Q345B焊接的韌脆轉變溫度可以發現，Q345B焊接接頭的耐低溫脆斷能力強于母材。相反，Q420C焊接接頭的耐低溫冷脆能力要遠低于其母材，甚至Q420C焊接接頭耐低溫脆斷的能力還不如Q345B焊接接頭。

在最不利的情況下，根據擬合曲線求得16 mm厚的Q345B角鋼在0 ℃的沖擊功吸收值為45 J，因此Q345B和Q420C母材和焊材都滿足規范[20]中20和0 ℃時沖擊功≥34 J的規定。但是當溫度達到-45 ℃時，只有Q420C角鋼滿足沖擊功≥34 J的要求。

4 結 論

1) 在-45 ℃的高寒地區，低溫會使4種鋼材的抗拉強度和屈服強度均有所提高。低溫條件下不同厚度鋼材的抗拉強度有差異，但并非厚度越薄鋼材的抗拉強度越高。

2) Q345B角鋼、Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接的韌脆轉變溫度分別為-2.59，-15.28，-32.33和-6.76 ℃，Q420C角鋼抵抗低溫冷脆破壞的能力要遠優于Q345B角鋼，在-45 ℃的高寒地區的輸電鐵塔，使用Q345B角鋼是不安全的，而Q420C角鋼可以滿足設計要求。

3) 焊接會降低Q420C角鋼的抗拉強度和屈服強度，使屈強比增大。在低溫條件下，焊接會極大地降低Q420C角鋼抵抗低溫脆斷的能力，因此在-45 ℃的高寒地區的輸電鐵塔，盡量避免對Q420C進行焊接。

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國家自然科學基金資助項目(51408221)；河北省自然科學基金資助項目(E2015502016)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2014ZD36)；國網內蒙古東部電力有限公司科技資助項目(SGMDJY00JSJS1500027)

2016-12-10；

2017-03-15

TH142

江文強，男，1980年5月生，博士、講師、碩士生導師。主要研究方向為電力設備強度與安全、輸電線路防災及抗災等。曾發表《Accurate modeling of joint effects in lattice transmission towers》(《Engineering Structures》2011,Vol.33,No.5)等論文。

E-mail：jwq1980@hotmail.com