嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)金屬材質(zhì)探討

汪吉健

0 引言

目前，國內(nèi)建成投運的客運專線中，許多最低環(huán)境溫度僅在-40℃左右，例如哈大客運專線最低環(huán)境溫度-40℃、蘭新第二雙線最低環(huán)境溫度-41.5℃。在低溫環(huán)境下，隨著溫度降低，接觸網(wǎng)材料強度得到提高，但塑性及韌性逐漸降低，特殊情況下甚至出現(xiàn)脆性斷裂。

本文著重分析了高速鐵路接觸網(wǎng)所采用的主要金屬材料在低溫環(huán)境下的特性，并提出相關(guān)材質(zhì)選擇建議，以期為嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)研究、設(shè)計提供參考。

1 低溫對接觸網(wǎng)金屬零部件影響

1.1 金屬低溫機械特性

根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T 5144-2001）中的術(shù)語定義第 4.0.13條，嚴(yán)寒地區(qū)定義為最冷月平均溫度≤-10℃的地區(qū)。表1標(biāo)明了國內(nèi)最低溫度分布情況[1]。

由表1可得，國內(nèi)除廣東、廣西、福建及浙江沿海外，其余大部分均為嚴(yán)寒地區(qū)。

強度是材料抵抗變形與斷裂的能力；塑性是斷裂時材料總塑性變形程度；而韌性則是材料塑性變形和斷裂全過程中吸收能量的能力，它是強度和塑性的綜合表現(xiàn)。韌性包括斷裂韌性與沖擊韌性，其中斷裂韌性是反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的性能指標(biāo)，主要體現(xiàn)在裂紋擴展功大??；沖擊韌性是指材料塑性變形和斷裂全過程中吸收能量的能力，體現(xiàn)在裂紋形成功及裂紋擴展功大小[2]。

表1 中國最低溫度分布地區(qū)表

一般來說，在低溫環(huán)境下，金屬材料呈現(xiàn)如下機械特性：

（1）強度及塑性。大量試驗結(jié)果和研究證明，fy、fu隨溫度變化規(guī)律可近似為[3]

隨著溫度降低，強度升高，且fy增加速度要大于fu的增加速度。當(dāng)溫度降至某臨界點Ter時，屈服強度和極限強度相同，該點被定義為零塑性臨界溫度，即發(fā)生脆性斷裂的溫度。

（2）沖擊韌性。文獻[3]指出，沖擊韌性一般隨溫度降低而降低。但材料不同，降低速度不同。

（3）焊接。低溫除對金屬零部件材質(zhì)自身性能影響外，還對各金屬零部件連接方式有一定影響。文獻[4]提出低溫對采用焊接方式連接可能存在的影響包括焊接接頭冷卻速度增加，冷裂紋敏感性也增加；在低溫環(huán)境下用相同的熱源，相同的時間，不能達到應(yīng)有的預(yù)熱效果；焊接殘余應(yīng)力的作用加?。画h(huán)境溫度對焊工的操作帶來不利的影響。

1.2 接觸網(wǎng)主要金屬材料及其低溫特性

高速鐵路接觸網(wǎng)主要采用的金屬材料有銅合金、鋁合金及鋼材質(zhì)。

1.2.1 銅合金

銅合金主要應(yīng)用于接觸線、承力索等零部件。文獻[5]給出了銅及銅合金的低溫力學(xué)性能，見表2。由表2可知，銅合金材質(zhì)在溫度降低時，抗拉強度有所增加，沖擊韌性有所降低，但二者變化都非常小。因此，低溫對銅合金影響較小。

表2 銅及銅合金低溫力學(xué)性能表

1.2.2 鋁合金

鋁合金材質(zhì)主要應(yīng)用于腕臂、腕臂支撐定位器本體等。鋁合金具有獨特的物理、化學(xué)性能，它的外觀呈銀灰色，密度小，電阻率小，線脹系數(shù)大。由于鋁為面心立方結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無“延-脆”轉(zhuǎn)變，因而具有優(yōu)異的低溫韌性，在低溫下能保持良好的力學(xué)性能。

1.2.3 鋼材質(zhì)

鋼材主要應(yīng)用在支柱、硬橫梁等零部件。文獻[3]指出，鋼材質(zhì)隨溫度降低，呈現(xiàn)了不同機械特性。鋼結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)可分為屈服破壞與斷裂破壞。屈服破壞是由于零部件內(nèi)部部分應(yīng)力達到鋼材屈服強度后，同時承載能力達到極限，不能承受繼續(xù)增加的外荷載。隨著溫度降低，鋼材屈服強度與極限強度逐漸提高。在接觸網(wǎng)所受荷載不變時，溫度越低，距離屈服強度及極限強度越遠(yuǎn)，因此一般不會產(chǎn)生屈服破壞。

斷裂破壞主要包括脆性斷裂和韌性斷裂。產(chǎn)生脆性斷裂的因素包括低溫、應(yīng)力集中、動荷載及焊接連接等。在上述因素中，低溫影響最為明顯。文獻[3]指出，對一些鋼材的相關(guān)研究表明，零塑性臨界溫度位于100K（-173.15℃）附近。目前，接觸網(wǎng)最低環(huán)境溫度（工作溫度）約為-40℃，遠(yuǎn)高于-173.15℃，因此如果沒有明顯的缺陷，發(fā)生脆性斷裂的可能性很小。

隨著溫度降低，鋼材的沖擊功逐漸降低，因此沖擊韌性下降非?？?。由圖1可知，鋼材焊縫沖擊韌性下降也非?？?，容易發(fā)生韌性斷裂。

圖1 16 Mn鋼焊縫低溫沖擊值示意圖

由上述分析可知，在接觸網(wǎng)金屬零部件中，鋼材質(zhì)受低溫環(huán)境影響較大，容易產(chǎn)生韌性斷裂。而銅合金及鋁合金材質(zhì)基本不受影響。

2 接觸網(wǎng)鋼材質(zhì)在低溫環(huán)境下應(yīng)用

2.1 接觸網(wǎng)荷載分析

接觸網(wǎng)所受荷載主要由3類組成，一是永久荷載，即靜荷載，比如重力、工作張力等；二是可變荷載，即動荷載，比如冰荷載、風(fēng)荷載；三是偶然荷載，比如地震、接觸網(wǎng)斷線等。偶然荷載是具有一旦出現(xiàn)其值很大且持續(xù)時間很短的荷載[6]，其效果可視為沖擊荷載。地震及接觸網(wǎng)斷線時，受到?jīng)_擊的鋼結(jié)構(gòu)件主要有鋼柱、硬橫梁、基礎(chǔ)螺栓等。

2.2 鋼材應(yīng)用相關(guān)規(guī)定

2.2.1 鋼材質(zhì)選用

接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)用鋼材一般為 Q235或 Q345。在沖擊性能上，Q235或Q345有如下要求：

（1）對焊接鋼材質(zhì)，當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于0℃但高于-20℃時，Q235鋼及Q345鋼應(yīng)具有0℃沖擊韌性的合格保證；當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于-20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有-20℃沖擊韌性合格保證。

（2）對非焊接鋼材質(zhì)，當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度不高于-20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0℃沖擊韌性的合格保證。

2.2.2 鋼材連接

（1）在工作溫度等于或低于-20℃地區(qū)，結(jié)構(gòu)宜采用螺栓連接。

（2）需采用焊接方式時，適用于較薄的板件結(jié)構(gòu)，同時宜采用低氫型焊條；對接焊縫應(yīng)焊透，質(zhì)量等級為一級。

2.3 Q235與Q345的對比分析

Q235為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，一般用于鋼結(jié)構(gòu)建筑、工程機械等工程結(jié)構(gòu)；Q345為低合金結(jié)構(gòu)鋼，一般用于較高荷載的結(jié)構(gòu)件，低溫韌性良好。

2.3.1強度對比[8]

由圖2可知，無論Q235還是Q345，其屈服強度與極限強度均隨溫度降低而逐漸升高，但無論什么溫度下，Q345屈服強度及極限強度均大于Q235相應(yīng)值。由圖3可知，隨著溫度降低，屈服強度提高速度大于極限強度。特別是 Q235，屈強比提高速度非常快，而Q345變化則相應(yīng)平緩得多。

圖2 Q235、Q345屈服與極限強度隨溫度變化圖

2.3.2 沖擊韌性對比

由圖4、圖5分析可知，Q235、Q345沖擊功均隨著溫度降低而降低。但Q345鋼材的沖擊功一般均大于Q235材質(zhì)。因此，在低溫環(huán)境下，Q345鋼材的韌性遠(yuǎn)優(yōu)于Q235鋼材。

圖4 Q345結(jié)構(gòu)鋼材沖擊功隨溫度變化圖

圖5 Q235結(jié)構(gòu)鋼材沖擊功隨溫度變化圖

2.3.3 不同厚度對比[7]

從表3可知，無論Q235還是Q345，隨著鋼材厚度增加，其抗拉、抗壓、抗彎、抗剪性能都有所下降。但在任意厚度，Q345機械性能均優(yōu)于Q235鋼材。

表3 Q235與Q345不同厚度機械特性對比分析表

由上述分析可知，在不同溫度環(huán)境、不同厚度情況下，Q345鋼材均表現(xiàn)出較 Q235更出色的機械特性，特別是在低溫沖擊韌性方面性能更優(yōu)。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)銅合金、鋁合金及鋼材質(zhì)低溫特性，嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)零部件盡可能采用銅合金或鋁合金，減少鋼材質(zhì)應(yīng)用。如腕臂、腕臂支撐、承力索座等采用鋁合金材質(zhì)，終端錨固線夾采用銅合金材質(zhì)等。具體見表4。

表4 嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)零部件材質(zhì)表

（2）表4所列的鋼材質(zhì)零部件均直接承受動荷載，并且支柱、硬橫梁、吊柱、基礎(chǔ)螺栓在地震及接觸網(wǎng)斷線時承受沖擊荷載，因此必須考慮沖擊功對零件影響。由第2.2節(jié)、第2.3節(jié)分析可知，建議在低溫工作環(huán)境下，一般選用沖擊韌性較好的Q345鋼材質(zhì)。同時，由于厚鋼材輥軋次數(shù)少、組織欠密，與薄鋼材相比，沖擊韌性較差。因此，在低溫條件下使用的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用較薄的鋼材。

（3）鋼材質(zhì)連接盡可能采用螺栓等非焊接連接方式。確需采用焊接（如H形鋼柱與底板連接）時，應(yīng)根據(jù)焊接環(huán)境、焊縫形式、連接鋼材型號等選用合適的焊接工藝及焊條，例如根據(jù)接觸網(wǎng)特點，焊縫等級應(yīng)確定為一級，焊條型號應(yīng)與主體金屬力學(xué)性能相適應(yīng)，且宜采用低氫型焊條等。

（4）腕臂底座、墜砣限制架等鋼材質(zhì)零部件僅承受靜荷載與動荷載，因此可不考慮沖擊韌性，但加工環(huán)境也應(yīng)該滿足文獻[7]相關(guān)規(guī)定，比如沖孔邊距、焊接環(huán)境等。

4 建議

（1）嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)在國內(nèi)尚無成熟的運營經(jīng)驗，相關(guān)研究才剛剛起步。建議有關(guān)部門對其進行專題立項研究，特別是進行現(xiàn)場模擬試驗以獲得大量可供采用的寶貴數(shù)據(jù)。同時，研究不能僅限于金屬材質(zhì)，應(yīng)進一步涵蓋接觸網(wǎng)所常用的瓷、硅橡膠等材質(zhì)。

（2）盡管Q345較Q235在沖擊韌性、屈服強度等方面有較大優(yōu)勢，國內(nèi)也在個別項目上進行了嘗試，但從應(yīng)用反饋情況看不甚理想。因此，建議加工廠家重點總結(jié)Q345材質(zhì)在冷、熱彎加工、焊接等方面的經(jīng)驗，確保滿足工程需要。

（3）目前，國內(nèi)在東北等地區(qū)，電力系統(tǒng)在鐵塔上已經(jīng)開始采用Q390及以上等級鋼材。國內(nèi)鐵路目前正在走出國門，走向世界，今后勢必碰到溫度更低的運營環(huán)境。因此除對Q345及Q235進行分析研究外，還應(yīng)盡快開展Q390及以上等級鋼材在接觸網(wǎng)應(yīng)用特性方面的研究。

[1]中鐵天津電氣化勘察設(shè)計院.接觸網(wǎng)設(shè)計手冊.北京：鐵道出版社，1983.

[2]于啟湛，丁成鋼，史春元.低溫用鋼的焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3]王元清，武延民，石永久，等.低溫對結(jié)構(gòu)鋼材主要力學(xué)性能影響的試驗研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2005，2，（1）：2，4.

[4]劉景風(fēng)，段斌，馬德志.新技術(shù)在國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接中的應(yīng)用[D].鋼結(jié)構(gòu)焊接國際論壇論文集，2006.

[5]宋小龍，安繼儒.新編中外金屬材料手冊[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[6]GB 50009-2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[7]GB 50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[8]武延民.鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的力學(xué)機理及其工程設(shè)計方法研究[D].北京：清華大學(xué)，2004. 收稿日期：2011-02-28