輸電線路大規格高強度鋼材低溫力學性能研究

劉生昊 徐 斐 王燁迪

（1、國網青海省電力公司建設公司，青海 西寧810000 2、電建武漢鐵塔有限公司，湖北 武漢430010）

1 概述

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[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、制造和應用等相關問題進行了調研，發現在全國范圍內9 條線路工程的建設中進行試點，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，最后統計約節省工程造價560 萬元[3]。

2 高強鋼應用參數研究

2.1 鋼材性能參數比較

鋼材的強度設計值，根據《GB 50545-2010 110kV～750kV架空輸電線路設計規范》[4]，應按表1 的規定確定。如表1 所示，可以直觀的看出Q235 碳素結構鋼、Q345 和Q420 低合金高強鋼的強度設計值和不同鋼材之間的提升比例。

2.2 四種塔型的理論經濟性比較

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用Q420 高強鋼的經濟效益。綜合這四種塔型的計算比較結果[3]，見表2。

如表2 可知，隨著鐵塔的荷載和主材規格的增大，應用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。

表1 鋼材強度設計值

表2 四種塔型計算比較結果

3 高強鋼焊接力學性能試驗研究

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，所以應用較為廣泛。而《GB50661-2011 鋼結構焊接規范》[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/T 228-2002》、《GB/T 13239-2006 》為拉伸試驗參考標準；《GB/T 229-2007》為沖擊試驗參考標準；《GB/T 2975-1998》為試驗試樣的加工取樣參考標準。

3.2 拉伸試驗結果分析

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 可以發現，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現，焊接會破壞高強鋼的強度。

3.3 沖擊試驗結果分析

本文研究沖擊功和溫度關系的函數為Boltzmann 函數，表達式為式（1）

y=A1-A21+e（t-t0）/Δt+A2 （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 代表韌脆轉變溫度（℃），Δt反映韌脆轉變速率（℃）。

圖1 強度變化曲線

將Q420B 母材和焊接接頭的試驗結果根據Boltzmann 函數進行分析，如圖2 所示。

圖2 沖擊試驗結果

如圖2 所示，隨著溫度的降低，兩種材質的角鋼的沖擊功值會降低，同時可以發現，到達韌脆轉變溫度點之后，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。

4.1 質量控制工藝

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。

4.2 焊后冷裂紋防止措施工藝

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。

5 結論

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。