輸變電鐵塔用高強(qiáng)度低合金鈮釩鋼板失效分析

王浩杰

（南京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，江蘇 南京 210019）

輸變電鐵塔是輸變電工程的主要鋼結(jié)構(gòu)，它在使用過程中除了承受電纜重力的作用、鐵塔自身的重力以外，天氣情況如：刮大風(fēng)、下雪、低溫等因素都會影響鐵塔壽命。因此，鐵塔用鋼除要有足夠的強(qiáng)度要求以外，還要求材料具有強(qiáng)韌性、良好的塑性、加工性能以及耐低溫的性能。國家某重點(diǎn)輸變電工程從日本進(jìn)口了一批鋼板。在檢驗(yàn)過程中，鐵塔主要承載用鋼板材料的一塊試樣在拉伸試驗(yàn)后其斷口處出現(xiàn)分層，同時(shí)裂紋向內(nèi)延伸（圖1）。此塊鋼板的材料標(biāo)準(zhǔn)號為ASTM AS72 GR65，規(guī)格為15x1750x5050mm，為結(jié)構(gòu)級高強(qiáng)度低合金鈮釩鋼。這樣的鋼材若在工程中使用，至由于材料內(nèi)部存在微觀缺陷，在一定的應(yīng)力作用下，就會在鋼結(jié)構(gòu)局部發(fā)生失效，從而導(dǎo)致整個鐵塔的失效，將會給國家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，我們及時(shí)將這一情況通知收貨方，對方高度重視并充分肯定了我4們的工作。同時(shí)，我們采用掃描電鏡等先進(jìn)測試儀器對上述試樣在拉伸后出現(xiàn)分層的原因。

1 材料類型是什么

鋼結(jié)構(gòu)廣泛地應(yīng)用于其自重輕、強(qiáng)度高、韌性好、抗震與抗壓防水以及抗風(fēng)與耐腐蝕防護(hù)性能優(yōu)越、工業(yè)大型電力系統(tǒng)裝配以及自動化領(lǐng)域應(yīng)用普及程度高；因其綜合利用率和經(jīng)濟(jì)效益顯著、造型美觀等諸多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在大型電力輸電系統(tǒng)電力裝配線路中已經(jīng)開始得到廣泛應(yīng)用。鐵塔礦區(qū)角鋼產(chǎn)品制造業(yè)主要生產(chǎn)經(jīng)營使用的主要類型角鋼鐵和原材料分別主要是優(yōu)質(zhì)型角鋼鐵和大型型角鋼，有長長方形橢圓角鋼、鋼板、扁平型鋼、圓鋼、鋼管、槽鋼等。型鋼的高質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材質(zhì)一般情況可以細(xì)分為5q235（普通復(fù)合碳素高質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合鋼）、Q345（普通碳素低合金高質(zhì)中質(zhì)低強(qiáng)度新型結(jié)構(gòu)復(fù)合鋼）、35號、45號高質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合鋼等，但隨著目前我國多條特高壓高速電力輸電線及電力連接線路二期建設(shè)項(xiàng)目的大批投入建設(shè)實(shí)施，q390、q420、q460等高質(zhì)低質(zhì)中強(qiáng)度新型結(jié)構(gòu)鋼材將逐漸被普遍廣泛生產(chǎn)采用。材料一般主要使用碳鋼q235（a3f）和碳鋼q345（16mn）兩種，低碳類型鋼的c%一般小于0.25%，q235的在0.12%～0.22%之間，屬于低質(zhì)高碳鋼。q345是一種低合金鋼（c＜0.2%）

2 表面防腐措施

建設(shè)中的電力線路鐵塔基本都需要是在野外，因?yàn)樗鼈儠苯邮艿介L期的陽光暴露，并且如果長時(shí)間的或者經(jīng)受各種惡劣氣候天氣的侵蝕影響，就可能會長期受到長一段時(shí)間的大氣腐蝕，而在長期受到野外大氣層的腐蝕以后，其經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重程度則可能會相當(dāng)?shù)膰?yán)重，甚至可能達(dá)到一半以上。但是，在建筑鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)中，對于涂層防腐的處理方法也主要有幾種：包括熱噴涂層鍍鋅、陰極腐蝕保護(hù)法、涂層涂鋅法以及熱噴水浸鍍層涂鋅法等。

3 服役環(huán)境的要素有哪些

由于這類燃?xì)廨旊娬竞洼敋庀到y(tǒng)線路多數(shù)都完全是由企業(yè)橫跨不同供氣區(qū)域、長距離專業(yè)施工團(tuán)隊(duì)建設(shè)，運(yùn)行路段大氣環(huán)境惡劣，長期以來處于采用露天燃?xì)夤╇姺绞竭\(yùn)行，面臨各類惡劣天候氣象條件、大氣環(huán)境下的腐蝕。使用中的環(huán)境氣象條件測量巨大變化多樣，線路線的方向角和轉(zhuǎn)角條件巨大變化，氣象條件巨大變化差異，鐵塔建筑樓層樓的間距和鐵塔建筑主體高度的關(guān)系巨大變化。鐵塔上的承載力是主架所需要承受觀測到的各種重力自重、荷重、冰載、風(fēng)力、拉線時(shí)的軸向張力、彎力及旋轉(zhuǎn)軸向時(shí)的扭力。影響大氣環(huán)境因素鋼鐵廠內(nèi)大氣 環(huán)境銹蝕的因素影響環(huán)境因素很多， 主要影響因素其中包括的主要是影響鋼鐵自身的金屬化學(xué)成分、金相金屬組織以及影響鋼鐵廠內(nèi)大氣環(huán)境的相對濕度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、腐蝕性和酸性金屬介質(zhì)、結(jié)露、粉塵等。空氣中對于氧和so2的快速對流和具有腐蝕性的反應(yīng)發(fā)生過程同時(shí)地也具有反應(yīng)抑制劑和催化劑的產(chǎn)生作用。

4 有可能發(fā)生的失效類型是什么

輸變電站的鐵塔基體失效處理方式很多，主要表現(xiàn)有以下幾個主要方面：基體腐蝕或因大氣基體腐蝕、海水基體腐蝕或二者共同腐蝕造成的基體腐蝕缺陷破壞，鐵塔塔體腿材頂端基體裂紋腐蝕破壞，鐵塔塔材基體涂層金屬材料的涂層表面斷裂缺陷（包括重皮、折疊或隱性涂層折疊）腐蝕破壞，鋅鋼或鍍鋅涂層材料表面斷裂缺陷腐蝕破壞，塔材基體斷裂缺陷破壞，鐵塔基體倒塌缺陷破壞等等。

5 如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)確定失效的類型

5.1 現(xiàn)場調(diào)查

保護(hù)我國工業(yè)材料腐蝕檢測設(shè)備安全失效現(xiàn)場的一切確鑿證據(jù)，是我們不斷保證我國工業(yè)材料腐蝕檢測設(shè)備安全失效現(xiàn)場證據(jù)分析驗(yàn)證工作能夠得以順利有效地深入開展進(jìn)行的重要技術(shù)先決條件。要及時(shí)對使用相關(guān)腐蝕劑的設(shè)備以及失效現(xiàn)場設(shè)備情況及時(shí)進(jìn)行跟蹤調(diào)查取證，并及時(shí)采集聽取現(xiàn)場所有相關(guān)設(shè)備服役者和設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)相關(guān)負(fù)責(zé)人、操作者等技術(shù)人員詳細(xì)介紹現(xiàn)場設(shè)備情況，了解現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備服役者的設(shè)備使用條件，收集服役設(shè)備使用相關(guān)的一定專業(yè)技術(shù)背景以及條件相關(guān)信息（主要包括了例如所用塑料介質(zhì)和排水的質(zhì)量種類，溫度，壓力以及同時(shí)操作服役設(shè)備或工業(yè)運(yùn)輸排水管線的所用塑料材質(zhì)等，并且及時(shí)采集收取適量的關(guān)于相關(guān)設(shè)備腐蝕劑和失效設(shè)備產(chǎn)物）在需要利用相機(jī)觀察和數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查記錄時(shí)一般通過可用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行攝影、錄像、錄音和利用電腦文字繪圖及同時(shí)利用相機(jī)文字描述等多種技術(shù)方式進(jìn)行綜合分析進(jìn)行，應(yīng)特別注意現(xiàn)在利用相機(jī)觀察和數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查記錄的主要技術(shù)調(diào)查項(xiàng)目主要調(diào)查內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)。

（1）了解失效制造設(shè)備的產(chǎn)品名稱、尺寸、形狀、材料及廠牌號、制造設(shè)備廠家及全部的失效制造設(shè)備工藝操作歷史（主要了解設(shè)備冶煉、鑄造、加工、熱處理及機(jī)械裝配等工藝情況）、投入設(shè)備運(yùn)行時(shí)間日期、運(yùn)行管理記錄、維修管理記錄、工藝操作流程及設(shè)備操作管理規(guī)程等。

（2）主要分析這些失效部件應(yīng)用相關(guān)設(shè)備或部件相關(guān)應(yīng)用部件的各種整體外觀結(jié)構(gòu)和其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造應(yīng)用過程中的特征以及這些部件失效應(yīng)用相關(guān)設(shè)備部件和應(yīng)用設(shè)備腐蝕碎片的各種有害腐蝕性和有害外觀，如有害腐蝕物的附著物和其他各種腐蝕有害物質(zhì)痕跡生成物的定度分析定量收集以及一切可疑的有害的腐雜物和其他腐蝕物質(zhì)痕跡的定量分析收集觀察等。另外，當(dāng)我們使用科學(xué)肉眼已經(jīng)證明無法直接現(xiàn)場分析觀察不能檢測和找到各種常見腐蝕物的存在特征時(shí)，還有人認(rèn)為我們可以考慮通過直接采用紅外射線光學(xué)探針殺傷和現(xiàn)場分析觀察儀對金相分析進(jìn)行觀察等多種技術(shù)手段進(jìn)一步對各種常見腐蝕物的存在情況及其特征性狀進(jìn)行詳細(xì)地金相分析加以了解和現(xiàn)場分析觀察。

5.2 實(shí)驗(yàn)室分析

只有在極少數(shù)的特殊應(yīng)用情況下，通過現(xiàn)場和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用背景下對各種材料的硬度綜合測量分析后我們才能準(zhǔn)確分析得出這是冷熱源抗腐蝕控制系統(tǒng)材料失效的主要形成原因。大多數(shù)二次材料性質(zhì)失效失響試驗(yàn)技術(shù)案例都主要是根據(jù)必需通過根據(jù)現(xiàn)場材料調(diào)查取證和根據(jù)試驗(yàn)技術(shù)背景二次腐蝕工程材料的功能性質(zhì)失效綜合性能失效失響分析以及試驗(yàn)技術(shù)結(jié)果分析得出結(jié)論來進(jìn)一步進(jìn)行研究的并制定建立相關(guān)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的二次材料腐蝕工程材料性能失效性質(zhì)綜合失響分析技術(shù)試驗(yàn)實(shí)施計(jì)劃，確定進(jìn)一步研究開展二次腐蝕工程材料性質(zhì)失效綜合失響分析試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范試驗(yàn)的主要研究目的、內(nèi)容、方法和材料失效試驗(yàn)實(shí)施室的管理工作方式。失效物證試驗(yàn)材料部件和留在試樣上的殘留物上面的各種具有相比較強(qiáng)技術(shù)說服力的準(zhǔn)確取樣失效物證試驗(yàn)材料使用是十分有限的，因此進(jìn)行取樣失效試驗(yàn)前，須對準(zhǔn)確取樣失效試驗(yàn)物證材料使用項(xiàng)目和試樣測試材料順序、取樣失效試驗(yàn)材料部位、取樣失效試驗(yàn)處理方法及準(zhǔn)確試樣失效切割位置數(shù)量等幾個問題進(jìn)行均應(yīng)全面深入研究考慮，合理地深入研究如何確定各種試樣失效切割的準(zhǔn)確取樣地點(diǎn)和確定試樣的準(zhǔn)確切割位置、尺寸、數(shù)量和各種方法取樣試驗(yàn)方法。通常它所采用的數(shù)據(jù)分析技術(shù)手段主要有下列各項(xiàng)。

（1）使用宏觀光學(xué)觀察主要方法是憑借使用肉眼或其他簡單光學(xué)儀器，檢查具有腐蝕性能失效的零部件及其表面處理是否光滑、有無細(xì)微裂痕、有無化學(xué)腐蝕和其他腐蝕失效產(chǎn)物，記錄其裂痕大小、顏色及其形態(tài)和產(chǎn)物分布處理情況等。這種鑒定方法簡便、直觀，可以簡單化地確定冷熱腐蝕的各種類型。對于那些肉眼不能直接清晰看到的衛(wèi)浴設(shè)備或下水管道內(nèi)部織物表面，可通過采用局部內(nèi)窺鏡激光技術(shù)或者采用局部透鏡破壞等技術(shù)方式對其加以徹底檢查。

（2）材料微觀結(jié)構(gòu)組織現(xiàn)象分析主要方法是用大型金相顯微鏡、電子顯微鏡直接觀察材料腐蝕部件失效材料部件的顯微結(jié)構(gòu)組織，分析顯微組織對材料性能的直接影響，檢查熱壓鑄、鍛、焊和焊的熱處理等各種工藝方法是否恰當(dāng)，從而由此對材料的內(nèi)在腐蝕因素進(jìn)行分析從而導(dǎo)致的是發(fā)生材料腐蝕部件失效的主要原因。

（3）材料化學(xué)成分質(zhì)量分析主要方法是通過采用化學(xué)光譜法等手段測定具有腐蝕性零部件的化學(xué)材料質(zhì)量是否完全符合專業(yè)技術(shù)質(zhì)量要求，有的是無用量或錯誤的材料或是否出現(xiàn)化學(xué)成分質(zhì)量偏差，必要時(shí)候還可對其進(jìn)行微量元素化學(xué)分析或微量元區(qū)化學(xué)成分元素分析。

6 改進(jìn)的建議和措施

腐蝕系統(tǒng)失效的主要目標(biāo)不僅局限于及時(shí)了解腐蝕效率原因，更重要的是提出及時(shí)有效地防止腐蝕的措施和有效的預(yù)防方法。補(bǔ)救措施及其他防治措施在未來可能會被應(yīng)用于改變生產(chǎn)工藝及制造設(shè)備原材料的生產(chǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及改變設(shè)備生產(chǎn)、制造等方面的應(yīng)用。制造，生產(chǎn)，管理，等等。提出并研究采取正確保護(hù)措施，有利于減少發(fā)生設(shè)備腐蝕事故的概率，大大降低安檢和維修費(fèi)用，延長腐蝕設(shè)備或維護(hù)裝置正常生命周期。同時(shí)，不斷地從大量的典型類別和相似系統(tǒng)的案例統(tǒng)計(jì)分析提煉和積累了豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，也不斷地有利于有關(guān)補(bǔ)救措施或有效的預(yù)防方案。化學(xué)元素的質(zhì)量是影響鋼鐵塔水鍍鋅率直接的主要因素之一，設(shè)定鍍鋅組成時(shí)，一方面要考慮它的力學(xué)特性，另一方面要充分考慮到其他化學(xué)元素對鋼 鐵塔鍍鋅的直接作用；另外，鋼基及鋼型材的表面質(zhì)量也是鐵塔鋼鍍鋅率直接影響的主要因素之一，嚴(yán)格控制鐵塔鋼的抗氧化性及鋼水的純凈性，嚴(yán)格監(jiān)管鐵塔鋼的抗氧化度。軋制鐵塔過程中必須采用合適的初端加熱軋制溫度和終端冷軋軋制溫度，這些都可以是用于提高鐵塔表面質(zhì)量的必要控制手段。

7 結(jié)論

鋼板試樣拉伸后在試樣斷口處出現(xiàn)分層與鋼板中的夾雜物有關(guān)；鋼材中的夾雜物主要含有鈣、氧、硫、錳等元素，是鋼水欠純凈所致；帶有上述缺陷的鋼板應(yīng)用到實(shí)際工程中，在一定的應(yīng)力作用下鋼材內(nèi)部缺陷會形成微裂縫，從而導(dǎo)致整個鋼結(jié)構(gòu)失效。