輸電鐵塔主材角鋼的低溫拉伸和沖擊試驗(yàn)

江文強(qiáng)， 安利強(qiáng)， 王燁迪， 石 強(qiáng)

(1.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系 保定，071003) (2.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 呼和浩特，010020)

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.05.028

輸電鐵塔主材角鋼的低溫拉伸和沖擊試驗(yàn)

江文強(qiáng)1， 安利強(qiáng)1， 王燁迪1， 石 強(qiáng)3

(1.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系 保定，071003) (2.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 呼和浩特，010020)

低溫會(huì)影響輸電鐵塔鋼材的力學(xué)性能，容易導(dǎo)致塔材的脆性斷裂事故，危及鐵塔乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的安全。筆者針對(duì)Q345B和Q420C高強(qiáng)度鋼材角鋼及其焊接接頭，通過低溫拉伸試驗(yàn)和夏比沖擊試驗(yàn)，研究了不同材質(zhì)、不同厚度角鋼及其焊接接頭的低溫力學(xué)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Q345B角鋼和焊接接頭、Q420C角鋼和焊接接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為-2.59，-15.28，-32.33和-6.76 ℃，低溫會(huì)使4種鋼材的的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有所提高，在-45℃的高寒地區(qū)的輸電鐵塔，選擇Q420C角鋼可以滿足設(shè)計(jì)要求，但是應(yīng)該盡量避免對(duì)Q420C進(jìn)行焊接處理。

輸電鐵塔； 主材角鋼； 低溫； 拉伸試驗(yàn)； 沖擊試驗(yàn)

引 言

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的不斷完善，越來越多的超特高壓輸電線路必須通過寒冷地區(qū)，尤其是在東北地區(qū)，冬季氣溫低，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，部分地區(qū)的年極端最低氣溫可達(dá)-45 ℃，甚至更低[1]。由于輸電線路鐵塔暴露在大氣環(huán)境之中，容易受到覆冰、大風(fēng)、導(dǎo)線脫冰等靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和沖擊載荷的影響[2-4]，一旦設(shè)計(jì)和施工不當(dāng)，在寒冷地區(qū)運(yùn)行的超特高壓輸電線路，就容易出現(xiàn)角鋼低溫冷脆破壞事故。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自1988～2013年，國內(nèi)由低溫環(huán)境引起的累計(jì)倒塔事故多達(dá)數(shù)十余次[5]。

為了加工運(yùn)輸方便，輸電鐵塔主材通常由多段角鋼通過螺栓連接而成，在螺栓孔加工過程中大多采用的是沖孔加工工藝。螺栓孔沖孔加工時(shí)，容易在孔壁周圍產(chǎn)生微裂紋形成裂紋源。一旦溫度低于角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，在外載荷作用下，微裂紋容易不斷擴(kuò)展，從而導(dǎo)致螺栓連接節(jié)點(diǎn)破壞和輸電線路倒塔事故的發(fā)生。主材是輸電鐵塔的關(guān)鍵部件，一旦發(fā)生低溫冷脆破壞，就會(huì)不可避免的導(dǎo)致整塔倒塌事故的發(fā)生，從而危及整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此研究輸電線路鐵塔主材角鋼的低溫力學(xué)性能，防止鐵塔結(jié)構(gòu)發(fā)生低溫冷脆破壞，給出鐵塔材料的選材依據(jù)，這對(duì)于超特高輸電線路工程具有重要意義。

鋼材在常溫下有良好的塑性和韌性，但隨著溫度的降低，鋼材的塑性和韌性會(huì)不斷變差，并且鋼材的低溫力學(xué)性能與其材質(zhì)、截面形狀及厚度等因素有關(guān)。王元清等[6-10]對(duì)4種不同厚度的高強(qiáng)鋼板Q345B進(jìn)行了低溫力學(xué)性能試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨溫度的降低，鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大而斷面收縮率減小。隨鋼板厚度的增加，z向試樣的斷面收縮率逐漸減小，且小于橫向試樣的斷面收縮率。另外，還針對(duì)Q460C高強(qiáng)鋼板進(jìn)行了低溫拉伸、沖擊韌性和3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了Q460C鋼板的低溫力學(xué)性能。Liu等[11-12]在以上試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了焊接接頭的對(duì)比試驗(yàn)研究。學(xué)者們針對(duì)鋼材的低溫力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究，然而針對(duì)輸電鐵塔主材用角鋼，特別是高強(qiáng)度鋼材角鋼的研究還不完善，從而影響了高強(qiáng)鋼在低溫地區(qū)的推廣和應(yīng)用。筆者主要針對(duì)Q345B，Q420C高強(qiáng)度主材角鋼及其焊接接頭，通過低溫拉伸和沖擊試驗(yàn)，研究不同材質(zhì)、不同規(guī)格厚度角鋼的低溫力學(xué)性能，分析低溫對(duì)輸電鐵塔主材角鋼力學(xué)性能的影響規(guī)律，為低溫地區(qū)輸電鐵塔的合理選材提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概述

本試驗(yàn)主要研究Q345B和Q420C主材角鋼及其焊接接頭的低溫力學(xué)性能，低溫拉伸試驗(yàn)參考的標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T 228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》[13]和《GB/T 13239-2006金屬材料低溫拉伸試驗(yàn)方法》[14]，低溫沖擊試驗(yàn)采用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T 2009-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[15]，試樣的加工及取樣參考標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T 2975-1998鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》[16]。試樣的幾何尺寸如圖1所示，試驗(yàn)完成后結(jié)果如圖2所示。

圖1 試樣幾何尺寸(單位：mm)Fig.1 Geometric parameters of specimens(unit: mm)

圖2 試樣試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Specimens after test

低溫拉伸試驗(yàn)的材質(zhì)類型包括Q345B角鋼、Q345B焊接接頭、Q420C角鋼和Q420C焊接接頭。選用的主材角鋼規(guī)格分別為L(zhǎng)125×12，L140×14，L160×16(分別記為12，14和16 mm)，選用的焊接板材厚度分別為12，14，16 mm。試驗(yàn)溫度包括室溫(20 ℃)，-10，-20，-45 ℃，共計(jì)完成了144個(gè)試樣的拉伸試驗(yàn)。低溫沖擊試驗(yàn)的鋼材類型、角鋼型號(hào)和焊接板材厚度與拉伸試驗(yàn)相同，試驗(yàn)時(shí)采用的溫度分別為室溫(20 ℃)，-10 ℃(Q345B角鋼)，-20，-45，-60 ℃(Q345B焊接接頭、Q420C角鋼及其焊接接頭)，共計(jì)完成了144個(gè)試樣的沖擊試驗(yàn)。具體試驗(yàn)清單如表1所示。

表1 沖擊試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)清單

2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度指標(biāo)

如圖3所示分別為Q345B角鋼、Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接4種材質(zhì)，在20，-10，-20和-45 ℃ 4種不同溫度下，抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化曲線，圖中抗拉強(qiáng)度為同一鋼材，在相同試驗(yàn)條件下3個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

圖3 抗拉強(qiáng)度Fig.3 Tensile strength

從圖3(a)可以看出，12 mmQ345B角鋼，在20 ℃(常溫)時(shí)，抗拉強(qiáng)度為566.67 MPa，在-10，-20，-45 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別為574.50，588.33，609.67 MPa，可見在低溫環(huán)境下，Q345B角鋼的抗拉強(qiáng)度是有所提高的。14和16 mm的Q345B角鋼也有相同的規(guī)律。

從圖3(b)～(d)中可以看出，Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接在低溫環(huán)境下的抗拉強(qiáng)度也略有提高。但是隨溫度的降低，抗拉強(qiáng)度并非單調(diào)增加，如12 mm Q420C焊接，在20 ℃(常溫)時(shí)，抗拉強(qiáng)度為555.67 MPa，在-10，-20，-45 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別為547.67，580.33，573.00 MPa；16 mm Q420C焊接，在20 ℃(常溫)時(shí)，抗拉強(qiáng)度為595.33 MPa，在-10，-20，-45 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別為583.33，619.33，639.67 MPa。可見以上兩種厚度的Q420C焊接試樣，在-10 ℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度略低于常溫環(huán)境，但在-20和-45 ℃的抗拉強(qiáng)度仍高于常溫。總的來說，在-45 ℃的高寒地區(qū)上述四種鋼材的抗拉強(qiáng)度都會(huì)略有提高。

從圖3還可以看出，鋼材的厚度不同，其抗拉強(qiáng)度值也差異明顯，以Q345B角鋼為例，12，14，16 mm 3種不同厚度的Q345B角鋼，抗拉強(qiáng)度變化范圍分別為555.67～609.67 MPa，582.33～629.00 MPa和535.67～572.00 MPa，其中厚度為14 mm的Q345B角鋼抗拉強(qiáng)度最高，厚度為16 mm最低，不同厚度Q345B角鋼的抗拉強(qiáng)度最大差值在50 MPa左右?？梢婋m然厚度對(duì)鋼材抗拉強(qiáng)度影響比較顯著，但在12～16 mm這3個(gè)厚度規(guī)格中，并非厚度越薄鋼材的抗拉強(qiáng)度越高，厚度與抗拉強(qiáng)度的大小沒有確定性的關(guān)系。同樣的，可以看出Q345B焊接接頭、Q420C角鋼和焊接接頭也有相同的規(guī)律。

為了研究焊接對(duì)鋼材低溫拉伸力學(xué)性能的影響，將圖3(a)～(c)和圖3(b)(d)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，Q345B和Q420C的母材都比焊接接頭抗拉強(qiáng)度高，差值在50～100 MPa之間，說明焊接會(huì)降低鋼材的抗拉強(qiáng)度。

為了更好地研究低溫對(duì)屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的影響規(guī)律，將同一類鋼材在相同溫度下，對(duì)9個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)果取平均值。Q345B角鋼、Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接4種鋼材，在20，-10，-20和-45 ℃ 4種不同溫度下的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比隨溫度變化的曲線，如圖4所示。

圖4 強(qiáng)度指標(biāo)Fig.4 Strength index

從圖4(a)可以看出，在-45℃的高寒地區(qū)，上述4種鋼材的屈服強(qiáng)度都會(huì)有所提高，但屈服強(qiáng)度并非隨著溫度降低單調(diào)增加，這與抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律類似。從圖中還可以看出，Q420C焊接的屈服強(qiáng)度均低于其母材的屈服強(qiáng)度，而Q345B焊接的屈服強(qiáng)度則均高于其母材的屈服強(qiáng)度，可見在低溫條件下Q345B的焊接性能優(yōu)于Q420C。

從圖4(b)可看出，Q345B角鋼和焊接在20 ℃(常溫)時(shí)，屈強(qiáng)比分別為0.69和0.79，在-10，-20，-45 ℃時(shí)，屈強(qiáng)比分別為0.71，0.72，0.71和0.78，0.81，0.80。Q420C角鋼和焊接在20 ℃(常溫)時(shí)，屈強(qiáng)比分別為0.75和0.80，在-10，-20，-45 ℃時(shí)，屈強(qiáng)比分別為0.75，0.78，0.75和0.81，0.83，0.84?？梢娫诘蜏貤l件下，鋼材的屈強(qiáng)比略有提高，材料抵抗變形的能力變?nèi)?。同時(shí)從圖中還可以看出，Q345B和Q420C焊接接頭的屈強(qiáng)比都高于母材，說明焊接接頭抵抗變形能力更弱，低溫下更容易發(fā)生冷脆破壞。

2.2 塑性指標(biāo)

圖5所示為Q345B角鋼、Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接4種鋼材，在室溫(20 ℃)，-10，-20和-45 ℃ 4種不同溫度下的斷后延伸率隨溫度變化曲線。圖中斷后延伸率為同一類鋼材，在相同條件下3個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

圖5 斷后延伸率Fig.5 Specimens elongation

從圖5(a)看出，室溫(20 ℃)時(shí)厚度為12 mm厚的Q345B角鋼斷后延伸率為31.67%，溫度降低到-45 ℃后斷后延伸率降至29.37%。同樣的室溫(20 ℃)時(shí)厚度為14和16 mm的Q345B角鋼的斷后延伸率分別為27.23%和34.00%，溫度降低到-45 ℃后斷后延伸率分別降至26.67%和32.00%?？梢娫诘蜏貤l件下，Q345B角鋼的斷后延伸率略有降低，塑性變差。

然而，從圖5(b)可以看出，在低溫條件下Q345B焊接接頭的斷后延伸率卻略有升高，塑性變好。室溫(20℃)時(shí)厚度為12，14和16 mm的Q345B焊接接頭斷后延伸率分別為25.87%，18.10%和25.63%，當(dāng)溫度降低到-45 ℃時(shí)其斷后延伸率分別增加至26.53%，23.30%和27.13%。

同理，從圖5(c)(d)可以看出，低溫使Q420C角鋼的斷后延伸率略有升高，塑性變好，12 mmQ420C焊接接頭的斷后延伸率略有升高，14和16 mm Q420C焊接接頭的斷后延伸率略有降低。

綜上，Q420C角鋼在低溫條件下的塑性變形能力優(yōu)于Q345B角鋼，而Q345B材質(zhì)在低溫下的焊接性能優(yōu)于Q420C。

3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析

本研究采用形如式(1)的Boltzmann函數(shù)對(duì)沖擊功和溫度的關(guān)系進(jìn)行回歸分析。大量的試驗(yàn)與實(shí)踐表明[17-19]，該方法具有較好的相關(guān)性和較小的殘差，而且函數(shù)各參數(shù)的物理意義明確，可以很好地描述沖擊功與溫度之間的關(guān)系。

Boltzmann函數(shù)的表達(dá)式為

(1)

其中：函數(shù)y為沖擊功(J)；A1，A2分別為上下平臺(tái)能(J)；t0和Δt表征了材料的溫度特性，t0為韌脆轉(zhuǎn)變溫度(℃)，Δt為韌脆轉(zhuǎn)變速率(℃)，Δt越小，轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的跨越溫度范圍越窄，材料就越容易由塑性向脆性轉(zhuǎn)變。

如圖6(a)所示為12，14，16 mm厚度Q345B角鋼，在20，-10，-20，-45 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的沖擊功結(jié)果。將相同厚度的Q345B角鋼，在4種不同溫度下的12個(gè)沖擊試驗(yàn)結(jié)果用Boltzmann函數(shù)進(jìn)行擬合，其結(jié)果如圖6(a)(c)所示。

同樣道理，分別對(duì)Q420C角鋼、Q345B焊接接頭、Q420C焊接接頭的沖擊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，其結(jié)果分別如圖6(b)～(d)所示。

圖6 低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Low temperature impact test results

從圖6中看出，兩種材質(zhì)的角鋼和焊接接頭，其沖擊功都隨著溫度的降低而降低，并且達(dá)到某個(gè)溫度點(diǎn)后，隨著溫度的降低其沖擊功值迅速下降。

將12個(gè)Boltzmann函數(shù)擬合曲線結(jié)果進(jìn)行整理，從而得到如：下平臺(tái)值A(chǔ)1、上平臺(tái)值A(chǔ)2、脆韌轉(zhuǎn)變溫度t0、轉(zhuǎn)變溫度區(qū)Δt，匯總結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，對(duì)于Q345B角鋼，在厚度分別為12，14和16 mm時(shí)，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為-1.51，-5.04和-1.22 ℃，這與文獻(xiàn)[6]中得到Q345B角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度-3.94 ℃基本一致。

表2 Boltzmann函數(shù)擬合結(jié)果

通過對(duì)比在同一材質(zhì)下，不同厚度的t0和Δt，可以發(fā)現(xiàn)厚度對(duì)Q345B角鋼、Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和韌脆轉(zhuǎn)變速率的有一定影響，但沒有明顯規(guī)律。從韌脆轉(zhuǎn)變溫度來看，Q345B角鋼及其焊接接頭，在厚度為14 mm厚時(shí)的低溫沖擊韌性最好，而Q420C角鋼及其焊接接頭，在厚度為12 mm時(shí)低溫沖擊韌性略優(yōu)。

為了比較不同材質(zhì)對(duì)沖擊韌性的影響，對(duì)同一材質(zhì)下3種不同厚度的韌脆轉(zhuǎn)變溫度取平均值，從表2可以看出，Q345B角鋼、Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為-2.59，-15.28，-32.33和-6.76 ℃。顯然，Q420C角鋼抵抗低溫冷脆破壞的能力要遠(yuǎn)優(yōu)于Q345B角鋼。同時(shí)，通過對(duì)比Q345B角鋼和Q345B焊接的韌脆轉(zhuǎn)變溫度可以發(fā)現(xiàn)，Q345B焊接接頭的耐低溫脆斷能力強(qiáng)于母材。相反，Q420C焊接接頭的耐低溫冷脆能力要遠(yuǎn)低于其母材，甚至Q420C焊接接頭耐低溫脆斷的能力還不如Q345B焊接接頭。

在最不利的情況下，根據(jù)擬合曲線求得16 mm厚的Q345B角鋼在0 ℃的沖擊功吸收值為45 J，因此Q345B和Q420C母材和焊材都滿足規(guī)范[20]中20和0 ℃時(shí)沖擊功≥34 J的規(guī)定。但是當(dāng)溫度達(dá)到-45 ℃時(shí)，只有Q420C角鋼滿足沖擊功≥34 J的要求。

4 結(jié) 論

1) 在-45 ℃的高寒地區(qū)，低溫會(huì)使4種鋼材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有所提高。低溫條件下不同厚度鋼材的抗拉強(qiáng)度有差異，但并非厚度越薄鋼材的抗拉強(qiáng)度越高。

2) Q345B角鋼、Q345B焊接、Q420C角鋼和Q420C焊接的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為-2.59，-15.28，-32.33和-6.76 ℃，Q420C角鋼抵抗低溫冷脆破壞的能力要遠(yuǎn)優(yōu)于Q345B角鋼，在-45 ℃的高寒地區(qū)的輸電鐵塔，使用Q345B角鋼是不安全的，而Q420C角鋼可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3) 焊接會(huì)降低Q420C角鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，使屈強(qiáng)比增大。在低溫條件下，焊接會(huì)極大地降低Q420C角鋼抵抗低溫脆斷的能力，因此在-45 ℃的高寒地區(qū)的輸電鐵塔，盡量避免對(duì)Q420C進(jìn)行焊接。

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國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408221)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2015502016)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014ZD36)；國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司科技資助項(xiàng)目(SGMDJY00JSJS1500027)

2016-12-10；

2017-03-15

TH142

江文強(qiáng)，男，1980年5月生，博士、講師、碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備強(qiáng)度與安全、輸電線路防災(zāi)及抗災(zāi)等。曾發(fā)表《Accurate modeling of joint effects in lattice transmission towers》(《Engineering Structures》2011,Vol.33,No.5)等論文。

E-mail：jwq1980@hotmail.com