大規格高強度鋼材低溫力學性能研究

李姍姍 楊權

摘 要：2008年，在我國南方各省，突然爆發了大雪災，由于覆冰造成的塔身偏重和鋼材強度不足等原因，導致輸電鐵塔的大規模倒塌，造成大面積的停電，不僅給人民生活帶來極大的不便，還對我國的經濟建設造成了極大的損失[1]。說明我國迫切的需要增強輸變電技術的研究，來提高我國鐵塔的制造質量和制造水平。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、節省鐵塔鋼材的消耗，從而提高經濟效益。

關鍵詞：輸電鐵塔;高強鋼;低溫;力學性能;焊接工藝

引言

輸電線路是電力系統的大動脈，在保障民生和經濟社會發展等方面發揮著重要作用。為了避免供電系統被破壞，輸電線路應當安裝相應的防護設施。在雷雨天氣時，高壓雷電流會破壞電力設備與輸電線路穩定運行，所以提高輸電線路的耐雷水平十分必要。

1國內現狀

架空輸電線路跨越高速鐵路需同時滿足電力行業和鐵路行業的相關規范、規程要求，現行架空輸電線路設計規范和高速鐵路技術規程均未對輸電線路跨越高鐵設計安全可靠性進行明確規定，致使各種跨越高鐵的輸電線路的安全可靠性參數要求不統一?，F行的架空輸電線路設計規范《110kV～750kV架空輸電線路設計規范》（GB50545-2010）自2010年實施，該版本為電力部門總結2008年雪災經驗教訓，廣泛征求多方意見，經過深入研究，由《110kV～500kV架空送電線路設計技術規程》（DL/T5092-1999）發展而來。新舊標準在影響架空輸電線路結構安全的主要因素氣象條件（風荷載、覆冰荷載）的取值上有所不同，在線路結構重要性系數取值上也不同，高速鐵路技術規范則在跨越高速鐵路的輸電線路可靠性方面也未進行具體的規定。因此，本文綜合電網和鐵路行業相關規范及規定文件，研究電力線路跨越高速鐵路安全運行影響力的評價標準體系。目前，中國鐵路上海局集團有限公司管轄范圍內跨越高鐵輸電線路均按該標準體系進行設計，至今均運營良好，在惡劣天氣中未發生倒塔、斷線等事故。

2導線的性能研究

2.1導線的電氣性能

在進行導線選擇時，電氣性能應作為重要選擇條件。電氣性能越好，意味著它的載流量越大，載流量的大小直接影響電力輸送能力及輸電效率，所以要選擇承載能力強的導線。載流量大的導線即便線路發生事故，也不會出現較大的安全問題。在電網運行中，也要充分考慮到電能對導線過載流量的影響，特別要考慮天氣變化對導線電氣性能的影響。核算導線技術參數時，導線的耐熱性和抗寒性要充分考慮，溫差過大都可能對導線產生不良影響，要在最大程度上確保導線線路能夠適應周圍溫度的變化及環境的變化，使導線的使用壽命最大限度延長。

2.2導線的機械特性

對不同導線的機械特性進行比較分析時，能夠發現桿塔與導線弧垂的重量有著緊密的關系。這就需要通過進一步分析導線的弧垂性來判斷導線的性能是否良好。在高溫條件下，導線的自重、拉力、鋁鋼截面等因素也要作為參考的標準。比如在40℃的條件下，計算導線弧垂時要觀察記錄其最小的弧垂。還要計算導線的風偏角，一般在平均風速27m/s的情況下，導線的垂直荷載是最小的。這時需要采用塔型的設計，降低風偏角的大小，并對塑形指標Kv值做好對應記錄。導線的機械特性主要包括弧垂、荷載、風偏角、過載能力等。從弧垂特性看，中強度全鋁合金絞線無疑是最好的，剩余的導線弧垂特性差異不大;從水平荷載來看，所有導線基本相同;從垂直荷載來看，鋁合金芯鋁絞線是垂直荷載偏小的;從順線張力來看，鋁合金芯鋁絞線也是最小的。

3提升輸電線路大規格高強度鋼材低溫力學性能的策略

3.1提升設計方案的質量

根據高壓輸電線路施工需求，明確電氣設計要點和關鍵部位，做好常見故障的應對防御工作，制定出可行性較高的設計方案。例如，根據以往經驗來看，高壓輸變電桿是比較容易發生故障的部位，所以在設計高壓輸變電桿時，需要落實設計檢驗工作，充分考慮桿塔的機械性和絕緣性，優選控桿塔建筑材料。同時，結合桿塔建設的外部環境，如：氣候條件、水文條件對桿塔安裝的影響，合理規劃桿塔布局，既要控制桿塔建設成本，又要保障桿塔建設質量。在設計架空線路的路徑選擇時，也需要結合施工現場環境，如：地理環境、交通布局等，不能一味模仿以往的設計方案，應該落實具體問題具體分析工作方針，才能保障后期設計落實的有效性。例如，如果高壓輸電線路施工場所為平地區域，可以先考慮交通布局、社會因素。如果施工場所為山地丘陵、高山峻嶺，就應該優先考慮地理因素，克服地勢險峻的施工困難。此外，“抗冰”是高壓輸電線路電氣設計的要點，也是高壓輸電線路的常見故障問題。因此，為了提升高壓輸電線路的輸電安全性，做好抗冰預防和防御工作非常必要，這也是提升電氣設計方案可行性的關鍵。

3.2高強鋼焊接加工工藝

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的強度、韌性和塑性，還需要其焊后裂紋率低，不出現層狀撕裂現象。通過對高強鋼在輸電線路工程中的應用情況進行調研，發現鐵塔塔材的冷加工工藝，對于高強鋼和普通鋼區別不大，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象的加工技術能力有所欠缺，所以高強鋼的焊接加工工藝需進一步完善。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量控制、焊接過程的管理和結果的檢驗。雖然高強鋼有良好的力學性能，但是由于低合金高強鋼的碳當量偏高，使其焊后冷裂紋、熱裂傾向和再熱裂紋出現概率增加。這種焊接劣化現象對高強鋼在輸電線路工程中的應用推廣極為不利。

3.3重視前期勘測工作

為了提升高壓輸電線路電氣設計的科學性，落實前期勘察勘測工作，掌握高壓輸電線路施工現場的各項數據，如：氣候條件、地質環境等等，為電氣設計提供參考和依據。例如，設計人員在進行電氣設計時，必須先進行施工周圍地區勘測，分析電氣線路路徑設計方案，了解施工區域的特殊情況，并將其考慮到設計方案中，合理運用和配置人力物力資源，方能獲得最大的效益。同時，根據高壓輸電線路施工場所，調查類似環境區域的常見問題，在原有設計方案基礎上，實現針對性優化設計。

結束語

根據輸電線路工程中，鐵塔的設計和實際生產情況，優化高強鋼的焊接加工工藝，加強各工序的質量控制，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用中的可靠性和安全性。在工業制造中，自動化焊接技術可以降低勞動強度、提高焊接效率，在保證焊接質量的基礎上，推廣自動化焊接技術將成為制造工業現代化發展的必然趨勢。

參考文獻：

[1]許順德，陳義.空間受限地區高壓架空輸電線路鋼管桿基礎優化設計[J].南方能源建設，2018，5（S1）：157-160.

[2]曲以楠.輸電線路桿塔結構優化設計分析[J].中國新技術新產品，2018（24）：116-117.

[3]劉煜，劉立琪.電力系統中高壓電纜輸電線路設計問題[J].通信電源技術，2018，35（12）：86-87.

[4]盧霽明，龔小燕.±800kV特高壓直流輸電線路防雷接地設計淺議[J].云南電力技術，2018，46（06）：51-53.

[5]李佳雨.高壓輸電線路電氣設計中存在問題及對策[J].現代物業（中旬刊），2018（12）：31.

（中國核電工程有限公司鄭州分公司 ?河南 ?鄭州 ?450000）