低溫環(huán)境下桿塔材質(zhì)選擇及應(yīng)用研究

華北電力大學(xué)（北京） 北京 100000

正文：

1、現(xiàn)階段鐵塔設(shè)計(jì)使用鋼材現(xiàn)狀

2010年6月以來，中國電力科學(xué)研究院對(duì)北方（包括東北、華北、西北）地區(qū)500kV及以上輸電線路的設(shè)計(jì)應(yīng)用情況進(jìn)行 了調(diào)研，主要成果有：

（1）目前已投入運(yùn)行的500kV線路桿塔鋼材基本為Q235B和Q345B兩種。

（2）已投運(yùn)的750kV線路：由中南院設(shè)計(jì)的拉西瓦-官亭輸電線路（官亭側(cè)）桿塔主材為Q345B級(jí)鋼材；官亭-西寧輸電線路（官古段）桿塔主材部分使用了Q420B級(jí)鋼材。由寧夏院設(shè)計(jì)的銀川東-黃河π接黃河變工程和賀蘭山-黃河（棗園南段）工程使用的均為Q420B角鋼。以上幾條線路均處在嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的交界地帶。

（3）1000kV線路：晉東南-南陽-荊門輸電線路桿塔主材為Q345B和Q420B級(jí)鋼材。

（4）由東北院設(shè)計(jì)的慶云-雞西500kV輸電線路和七慶方500kV雙回路線路使用了Q420C級(jí)角鋼。

（5）在調(diào)研的已投運(yùn)項(xiàng)目中，均未出現(xiàn)過倒塔和塔材失效事故。

2、影響鋼材低溫冷脆的因素

2.1、化學(xué)成分的影響

降低含碳量有利于提高鋼材的低溫韌性，在一般含量范圍，每增加0.01%的碳，將提高冷脆轉(zhuǎn)變溫度（1～2）℃。同時(shí)，降低碳含量還可改善鋼材的焊接性，但過低的含碳量會(huì)造成鋼材強(qiáng)度降低。為此，一般提高錳含量，當(dāng)錳含量低于1.5%時(shí)，一般每增加0.01%的錳，將降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度0.5℃左右。此外，磷含量增加0.01%，冷脆轉(zhuǎn)變溫度會(huì)提高（4～7）℃，硫含量在（0.02～0.04）%范圍內(nèi)，對(duì)冷脆轉(zhuǎn)變溫度影響不大，但易形成夾雜，影響鋼材的性能，因此，對(duì)低溫用鋼的硫、磷含量應(yīng)進(jìn)行更嚴(yán)格的控制。

2.2、冶煉工藝、脫氧方法的影響

電爐煉鋼與轉(zhuǎn)爐煉鋼相比，鋼材的雜質(zhì)含量、硫、磷含量均較低，低溫用鋼應(yīng)采用電爐冶煉，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行爐外精煉。脫氧方式不同使得鋼有沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之分，沸騰鋼成分偏析較嚴(yán)重，且鋼錠中氣孔、夾雜物等較多，疏松也較嚴(yán)重，因此，低溫用鋼均為鎮(zhèn)靜鋼，如低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（GB/T1591 中的鋼種）均為鎮(zhèn)靜鋼。

2.3、制造加工的影響

在鐵塔制造中，如切削、剪切下料、沖孔加工，會(huì)在構(gòu)件表面形成切口或微裂紋，在低溫下工作的構(gòu)件脆性破壞首先會(huì)從這些地方開始，并迅速擴(kuò)展，從而給鐵塔運(yùn)行帶來很大的安全隱患。這種影響與材質(zhì)類別、構(gòu)件厚度有關(guān)。此外，焊接后在焊件表面形成的咬邊、焊縫成形不良、未焊透等缺陷，以及焊接殘余應(yīng)力等，都會(huì)給低溫運(yùn)行構(gòu)件帶來不利影響。因此，對(duì)于高寒地區(qū)運(yùn)行的輸電鐵塔，其制造質(zhì)量要求應(yīng)更高，對(duì)焊接工藝（如預(yù)熱、后熱、焊材選擇、工藝控制）應(yīng)進(jìn)行更嚴(yán)格的控制。同時(shí)，在鐵塔安裝中，如在北方地區(qū)冬季施工，應(yīng)避免沖擊荷載的作用，還應(yīng)盡量避免再加工，特別應(yīng)避免焊接作業(yè)，因?yàn)榈蜏睾附有枰扇「嗟奶厥獯胧?，才能保證焊接質(zhì)量。

2.4、應(yīng)力集中的影響

低溫下工作的構(gòu)件，發(fā)生脆性破壞時(shí)，大多發(fā)生在應(yīng)力集中的部位。為此，開孔設(shè)計(jì)、尖銳或大曲率的孔角設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能避免，或進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。構(gòu)件截面不宜突變，焊縫不要重疊、約束不宜過多等，在設(shè)計(jì)中都應(yīng)引起注意。

2.5、鋼材強(qiáng)度及構(gòu)件厚度的影響

鋼材的低溫冷脆不僅與其工作溫度有關(guān)，還與鋼材強(qiáng)度等級(jí)和構(gòu)件厚度有關(guān)。但隨鋼材強(qiáng)度等級(jí)的提高，同樣工作溫度、受力載荷下，構(gòu)件的安全厚度隨之減小。

3、給低溫地區(qū)塔桿設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議

數(shù)值計(jì)算、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法等各方面的探索，給出以下幾點(diǎn)低溫地區(qū)設(shè)計(jì)建議：

（1）本工程途經(jīng)內(nèi)蒙、河北、天津、山東、江蘇等地區(qū)，錫盟出線段約20km最低氣溫達(dá)到-40℃，其他區(qū)段最低氣溫為-35～-15℃之間。

（2）送電線路桿塔結(jié)構(gòu)可按不屬于“直接承受動(dòng)力荷載且需進(jìn)行疲勞驗(yàn)算的結(jié)構(gòu)”考慮。

（3）所有桿塔的鋼材均應(yīng)滿足不低于B級(jí)鋼的質(zhì)量要求。當(dāng)最低溫度不高于-40℃時(shí)，Q235、Q345焊接構(gòu)件和Q420鋼材質(zhì)量等級(jí)應(yīng)滿足不低于C級(jí)鋼的質(zhì)量要求，Q460鋼材質(zhì)量等級(jí)應(yīng)滿足不低于D級(jí)鋼的質(zhì)量要求，螺栓孔采用鉆孔工藝；當(dāng)最低溫度不高于-30℃時(shí)，Q460鋼材質(zhì)量等級(jí)不低于C級(jí)。

（4）所有對(duì)接焊縫不得低于二級(jí)焊縫。

（5）導(dǎo)地線掛點(diǎn)不宜采用高強(qiáng)鋼。

（6）鋼構(gòu)件的制作和加工過程采取合理的技術(shù)措施，盡量避免在構(gòu)件內(nèi)部或表面造成缺陷和裂紋，構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)避免形成尖角造成應(yīng)力集中；焊接時(shí)采用合理工藝以降低構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并保證焊接質(zhì)量以減少焊接熱影響對(duì)鋼材韌性的影響。