330kV線路轉(zhuǎn)角塔塔腳板角鋼開裂原因分析

田革燊，秦 睿，楊景建，李 軍，蔣 菲

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730030；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

330kV線路轉(zhuǎn)角塔塔腳板角鋼開裂原因分析

田革燊1，秦 睿2，楊景建2，李 軍2，蔣 菲2

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730030；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

采用應(yīng)力校核、斷口檢驗、機械性能試驗、掃描電鏡微觀分析、化學(xué)成分分析等方法，分析了鐵塔塔腳板開裂原因：因角鋼2個邊與底座加強筋板角焊縫端部存在焊接裂紋，造成原始焊接裂紋處起裂并向深度方向及兩側(cè)緩慢疲勞擴展，在低溫大風等極端氣候條件下，角鋼2個邊的二次裂紋失穩(wěn)快速擴展并匯集，最終形成貫穿型韌性開裂。最后，提出了全面加強對塔腳板焊接質(zhì)量的監(jiān)督檢查工作的建議。

輸電線路；轉(zhuǎn)角塔；塔腳板；Q420鋼；韌性開裂

0 引言

在架空輸配電線路中，鐵塔的應(yīng)用十分廣泛。作為連接塔身與基礎(chǔ)的關(guān)鍵支撐部件，塔腳板的質(zhì)量水平直接決定了鐵塔的安全、穩(wěn)定和可靠運行。在現(xiàn)有的加工技術(shù)條件下，塔腳板焊接全部采用人工電弧焊方式，因此焊接人員的業(yè)務(wù)技能、工作經(jīng)驗、責任心對塔腳板的焊接加工質(zhì)量會產(chǎn)生直接影響。不同的塔型、不同位置的塔腳板，在運行中承受的拉、壓、切等應(yīng)力狀況也不相同。在各種載荷的綜合作用下，轉(zhuǎn)角塔的外角側(cè)塔腳板在運行中主要承受拉伸和彎曲應(yīng)力。因此，對轉(zhuǎn)角塔的外角側(cè)塔腳板而言，焊接質(zhì)量的優(yōu)劣對其及整個鐵塔的安全可靠更加重要。

現(xiàn)介紹西北地區(qū)某330kV輸電線路轉(zhuǎn)角塔運行中發(fā)生的塔腳板角鋼開裂事件，通過對鐵塔運行真實環(huán)境工況與鐵塔設(shè)計強度條件進行校核、開展塔腳板綜合試驗檢測，以分析查找塔腳板角鋼開裂的真實原因，為全面開展同類問題的排查處理提供科學(xué)依據(jù)。

1 鐵塔簡介

該塔采用3A1-JC4塔型，呼稱高24m，右轉(zhuǎn)87°00′03″，小號側(cè)檔距為173m，大號側(cè)檔距為409m，2014年11月帶電投運。鐵塔設(shè)計運行條件為：海拔 1770—2034m，覆冰厚度 5mm，基準風速27m/s，最低氣溫-30℃。2016年2月，巡視發(fā)現(xiàn)鐵塔外角側(cè)塔腳板主材角鋼出現(xiàn)貫穿型開裂，并立即對鐵塔失效塔腳板進行更換。

失效塔腳板的設(shè)計參數(shù)：材質(zhì)Q420，型號∠160mm×14mm，材料牌號Q420B，角接焊縫設(shè)計資料為Q420/14mm板與Q420/∠160mm×14mm角鋼T型對接焊縫。

2 事件調(diào)查內(nèi)容

針對該塔為大角度轉(zhuǎn)角塔，兩側(cè)檔距相差較大，事發(fā)前當?shù)卦霈F(xiàn)罕見低溫天氣等多種因素，對塔腳板的失效原因主要從氣象條件、強度校核、取樣檢測、斷口分析和能譜分析方面進行調(diào)查。

2.1 氣象條件

經(jīng)查閱當?shù)貧庀蟛块T氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，顯示截至事發(fā)當日，該地區(qū)近30年來監(jiān)測到的最大風速為19.0m/s，最低氣溫為-29.1℃。查閱該塔投運后的2個冬季氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)出現(xiàn)的最大風速和最低氣溫分別為2016年2月初的18.1m/s和 -23.9℃。

2.2 強度校核

依據(jù)該塔的施工圖設(shè)計說明書、鐵塔及基礎(chǔ)明細表和前后耐張段的平斷面圖及機電施工圖、鐵塔及基礎(chǔ)配置情況等資料，對該塔設(shè)計技術(shù)情況進行全面的復(fù)核分析。從結(jié)構(gòu)受力計算、撓度、材質(zhì)等方面，對該塔實際使用情況和設(shè)計情況進行了以下對比分析。

2.2.1 整體受力校核

該塔在本工程條件作用下，整體受力滿足要求。拉腿主材應(yīng)力達到鋼材強度設(shè)計值的64.2%，滿足構(gòu)件強度要求。

2.2.2 設(shè)計性能校核

該塔在33m/s的設(shè)計最大風速作用下，塔身的整體受力滿足要求，拉腿主材所受拉應(yīng)力達到鋼材強度設(shè)計值的75.3%，滿足構(gòu)件強度要求。按照設(shè)計情況，滿足百年一遇風速的受力要求。

2.2.3 塔腳板角鋼性能校核

該塔塔腳板Q420角鋼的質(zhì)量等級為B級，滿足DL/T5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》和GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》等規(guī)程規(guī)范及近年來特高壓工程關(guān)于材質(zhì)的質(zhì)量等級要求，符合客運專線供電線路的重要性要求。

2.3 取樣檢測

2.3.1 宏觀檢查

角鋼2邊寬度的實測值為161.24/160.86mm，2個邊厚度的實測值為14.34/14.24mm，塔腳板與底座加強筋板角焊縫焊腳尺寸為13mm×13mm×8mm。樣品的實測值均符合GB/T2694—2010標準要求。

裂紋在角鋼脊部開口最寬，寬度最大值約2mm。由脊部向兩翼擴展，其開裂寬度逐步縮??；1，2號裂紋走向均經(jīng)過加強筋板角焊縫上端熔合線及熱影響區(qū)；1號邊存在輕微的彎曲形變，2號邊無形變，其形貌如圖1所示。

圖1 裂紋宏觀形貌

1號裂紋長119mm，從脊部向邊側(cè)82mm的裂紋兩側(cè)母材無明顯形變；82—119mm范圍裂紋兩側(cè)母材表面向內(nèi)收縮約0.5mm。2號裂紋長134mm，從脊部向邊側(cè)73mm的裂紋兩側(cè)母材無明顯形變；73—134mm范圍裂紋開口兩側(cè)母材表面向內(nèi)收縮約1.0mm，其形貌見圖2，3所示。

圖2 1號裂紋

圖3 2號裂紋

上述現(xiàn)象表明裂紋末端在拉應(yīng)力作用下存在明顯的收縮變形，如圖4，5所示。

圖4 1號裂紋尖端

圖5 2號裂紋尖端

對1，2號裂紋解剖，發(fā)現(xiàn)裂紋橫斷面呈鋸齒狀，并存在少量的二次裂紋。其中2號裂紋是2條裂紋分別由鋼材兩側(cè)外表面向內(nèi)部擴展匯聚而成的，2條裂紋的斷裂面相互平行但不在一個平面，間距約1mm，如圖 6，7 所示。

圖6 1號裂紋橫斷面

圖7 2號裂紋橫斷面

在裂紋尖端附近母材表面，可用肉眼觀察到相互平行的微小裂紋，如圖8所示。通過滲透探傷檢測，裂紋顯示更為明顯，說明在裂紋前端材料受到較大的局部拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生了輕微變形。

圖8 裂紋前端微裂紋

2.3.2 材質(zhì)檢測

對角鋼1，2號邊進行材質(zhì)化學(xué)成分分析，在不同部位分別取樣，進行常溫拉伸、彎曲、沖擊及低溫沖擊試驗，試驗分析結(jié)果如表1—6所示。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)) %

表2 光譜分析結(jié)果 %

表3 常溫拉伸試驗結(jié)果

表4 彎曲試驗結(jié)果

表6 夏比(V型)低溫沖擊試驗結(jié)果

由表1—6的數(shù)據(jù)可見，該塔腳板角鋼化學(xué)成分及常溫沖擊性能均符合GB/T1591—2008標準要求，而低溫沖擊試驗kV2(沖擊吸收能量)不合格。

2.4 斷口檢驗

沿著斷裂面將裂紋兩側(cè)角鋼分離后，可以看出整個斷裂面呈現(xiàn)纖維狀斷口特征，斷裂形式為韌性斷裂，如圖9所示。

圖9 裂紋斷裂面

2.4.1 1 號裂紋斷口

從1號裂紋斷裂面可見到起始于加強筋角焊縫邊緣的輻射狀山脊條紋，其匯聚點存在原始裂紋區(qū)，其表面存在紅褐色的腐蝕產(chǎn)物，深度約2mm，其余裂紋擴展區(qū)域斷裂面大部分表面呈灰色，具有金屬光澤，如圖10所示。在原始裂紋外表面?zhèn)龋虼嬖阱冧\層未產(chǎn)生明顯的腐蝕現(xiàn)象，可見裂紋起始于原始裂紋。

圖10 1號裂紋斷口形貌

1號裂紋斷裂面掃描電鏡形貌如圖11，12所示。在裂紋源處存在間距較小，呈波浪形疲勞輝紋及河流狀花樣，為韌性疲勞輝紋及塑性變形特征。裂紋擴展區(qū)表現(xiàn)為韌窩形態(tài)，韌窩底部存在第2相粒子，呈不規(guī)則的長條和圓粒狀顆粒，在大韌窩之間分布著無數(shù)小韌窩花樣。

圖11 裂紋擴展區(qū)韌窩SEM形貌(800×)

圖12 裂紋源SEM形貌(400×)

2.4.2 2 號裂紋斷口

2號裂紋在加筋板角焊縫端部處同樣存在原始裂紋區(qū)域，深度約1.5mm范圍內(nèi)因有鍍層覆蓋未發(fā)生明顯銹蝕，而內(nèi)部靠近裂紋擴展區(qū)域斷面表面銹蝕明顯，裂紋斷面存在35mm長臺階型斷裂面，如圖13，14所示。

圖13 2號裂紋斷口形貌

圖14 2號裂紋臺階型斷裂面

2.5 能譜分析

1號邊原始裂紋能譜線掃描分析結(jié)果顯示，在原始裂紋距表面深度340μm范圍內(nèi)存在大量鋅元素，如圖15所示。

2號邊原始裂紋能譜線掃描分析結(jié)果顯示，在原始裂紋距表面深度1400μm范圍內(nèi)也存在大量鋅元素，如圖16所示。

為驗證能譜分析結(jié)果的有效性，對臨近裂縫兩側(cè)角鋼再次擴大取樣3件，并對每件2次共6次不同位置進行能譜線掃描比對分析。檢測結(jié)果顯示，正常部位角鋼斷面鋅元素滲入深度全部在200—260μm范圍內(nèi)，見表7和圖17。

圖15 1號邊原始裂紋線掃描能譜

表7 正常部位與裂紋斷面能譜分析對比表 μm

圖17 正常角鋼線掃描能譜

與塔腳板1，2號原始裂紋斷面鋅元素滲入深度 340μm 和 1400μm 范圍相比，原始裂紋斷面與正常部位斷面鋅元素滲入深度差距巨大，充分證明了原始裂紋斷面大量鋅元素滲入的電鏡掃描分析結(jié)果。

根據(jù)鐵塔制造廠家提供的質(zhì)量證明書中塔腳板Q420B∠160mm×14mm型角鋼出廠鍍鋅檢測記錄顯示，鋅層厚度為127—130μm。由此判定，本次試驗檢測中正常部位角鋼斷面能譜線掃描鋅元素滲入深度為200—260μm，這應(yīng)為鍍鋅層厚度與鋅鐵合金層厚度之和。

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

1號邊存在輕微的彎曲形變，2號邊無明顯形變，說明1號邊承受相對較大的拉應(yīng)力。裂紋在角鋼脊部開口最寬，最大值約2mm。由脊部向兩翼擴展，開裂寬度逐步縮小，裂紋尖端附近母材上肉眼明顯可見相互平行的微小裂紋，說明該塔腳板受到較大的彎曲應(yīng)力，并在角鋼脊部承受峰值拉應(yīng)力。

3.2 斷口分析

1號裂紋斷口裂紋擴展區(qū)表現(xiàn)為韌窩形態(tài)，在大韌窩之間分布著無數(shù)小韌窩花樣，呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂特征。裂紋源處表現(xiàn)為韌性疲勞輝紋及塑性變形特征，說明在裂紋起裂初期承受低應(yīng)力高周期疲勞風載荷；疲勞裂紋擴展到一定階段，該裂紋受到突發(fā)載荷導(dǎo)致角鋼邊快速韌性撕裂。

1，2號角鋼邊的開裂均起源于加筋板與角鋼角焊縫端部的原始裂紋，在承受較大拉應(yīng)力的條件下，1號裂紋由原始裂紋尖端應(yīng)力集中點向內(nèi)部及兩側(cè)擴展，最終貫穿整個斷面。2號裂紋斷面存在1個臺階，說明1號裂紋先擴展至2號邊靠近角鋼脊部，與2號裂紋匯集后形成35mm長的臺階型斷裂面。

3.3 二次裂紋成因分析

原始焊接裂紋尖端處應(yīng)力集中系數(shù)k在1.8—3.0范圍內(nèi)，此處峰值應(yīng)力達到鋼材強度設(shè)計值的115.56%—192.6%，超出許可應(yīng)力值。二次裂紋在原始焊接裂紋尖端處萌生并在風載等其他交變應(yīng)力因素作用下緩慢疲勞擴展。而Q420B鋼碳當量相對較高，其在低溫運行工況下脆性明顯增加。從表5，6數(shù)據(jù)對可知，在-20℃運行工況下，Q420B鋼沖擊功僅為常溫運行工況的15.9%；事發(fā)前當?shù)刈畹蜌鉁剡_到-23.9℃，較低的氣溫造成角鋼韌性明顯下降，導(dǎo)致角鋼抵抗變形和斷裂的能力大大降低。在低溫大風等極端氣候條件下，角鋼2個邊的二次裂紋失穩(wěn)擴展并匯集，最終形成貫穿型韌性開裂。

4 結(jié)論及建議

4.1 調(diào)查分析結(jié)論

由于制造過程中焊前清理不徹底、層間溫度偏高及焊后角焊縫未完全打磨圓滑等原因，塔腳板角鋼主材2個邊與加筋板角焊縫端部產(chǎn)生了裂紋。熱鍍鋅時鋅液滲入裂紋斷面開口處，導(dǎo)致原始裂紋斷面與正常部位斷面鋅元素滲入深度差距巨大。因有鍍層覆蓋，深度約1.5mm范圍內(nèi)未發(fā)生明顯銹蝕，但內(nèi)部靠近裂紋擴展區(qū)域斷面表面銹蝕明顯。運行中受該塔腳所處大轉(zhuǎn)角塔外側(cè)位置影響，致使塔腳板長期承受了較大的拉應(yīng)力，角鋼2個邊的二次裂紋從原始焊接裂紋處萌生并緩慢疲勞擴展，在低溫且突發(fā)大風工況下角鋼2個邊的二次裂紋快速擴展并匯集，最終形成貫穿型韌性開裂。

4.2 防范建議

相對Q345等鋼材而言，Q420和Q460鋼的焊接工藝難度大，焊接技術(shù)要求高，鐵塔生產(chǎn)企業(yè)首先要嚴格按照工藝及質(zhì)量管理要求，遵守設(shè)計的焊接工藝、焊條材質(zhì)等各項要求，規(guī)范加工施焊。同時應(yīng)加強對塔腳板焊接質(zhì)量的監(jiān)督檢測，并對承受較大應(yīng)力部位增加無損檢測比例。

對處于低溫大風等環(huán)境下、主材設(shè)計應(yīng)力達到鋼材強度設(shè)計值33%以上的鐵塔，設(shè)計中應(yīng)相應(yīng)提高其鋼材的質(zhì)量等級，確保在低溫環(huán)境下，鋼材的沖擊功不低于常溫設(shè)計值，以保障其有足夠的抵抗變形和斷裂的性能。

針對同一地域范圍內(nèi)該廠家生產(chǎn)的同型號塔應(yīng)用數(shù)量較大的實際情況，首先要及時安排開展塔腳板焊接裂紋排查，重點檢查塔腳板焊縫端部是否存在原始裂紋；同時，要在后續(xù)鐵塔施工過程中開展塔腳板安裝前的質(zhì)量抽檢，及時發(fā)現(xiàn)和處理焊接裂紋等質(zhì)量隱患，避免由于塔腳板焊接裂紋發(fā)現(xiàn)不及時造成的輸電線路倒塔等嚴重后果。

1許雷雷，梁國興．承壓熱沖擊下壓力容器斷裂力學(xué)分析[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2014，48(11)：2076-2084．

2吳連生．機械裝備失效分析圖譜[M]．廣州：廣東科技出版社，1990.

3王威，王杜良，蘇三慶，等．鋼鐵材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件工作應(yīng)力的檢測方法及特點[J]．鋼結(jié)構(gòu)，2004，19(5)：43-46．

4國家能源局．DL/T5154—2012架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S]．北京：中國計劃出版社，2012．

5中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．GB50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]．北京：中國標準出版社，2003．

2016-12-11；

2017-03-11。

田革燊(1974—)，男，高級工程師，主要從事電網(wǎng)企業(yè)質(zhì)量監(jiān)督管理工作，email：tiangs@gs.sgcc.com.cn。

秦睿(1967—)，男，高級工程師，主要從事金屬技術(shù)監(jiān)督管理工作。

楊景建(1977—)，男，高級工程師，主要從事金屬監(jiān)督檢驗、失效分析研究工作。

李軍(1981—)，男，高級工程師，主要從事金屬監(jiān)督檢驗、失效分析研究工作。

蔣菲(1990—)，女，工程師，主要從事金屬監(jiān)督檢驗、失效分析研究工作。