寒冷地區(qū)輸電線路金具材料的試驗研究與選擇

王寶東，姜喜全，陳 平，溫中華，楊青坤，路永清，柏立芳

(四平線路器材廠，吉林 四平 136001)

輸電線路金具主要由金屬材料制成，隨著溫度的降低，大多數(shù)金屬材料的屈服強度有所增加，而韌性下降。當溫度降到某一臨界溫度時，沖擊韌性急劇下降，會突然發(fā)生脆斷，且斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性很大［1］。近年來，隨著中國電網(wǎng)建設的不斷加強，金具材料的低溫韌性問題越來越受到人們的關注。我國北方地區(qū)冬季最低溫度可達到－50℃，為確保輸電線路的安全運行，開展低溫金具性能研究非常必要。本文通過對不同寒冷地區(qū)使用的金具進行調(diào)研，并結(jié)合對7種金屬材料的力學性能試驗，對寒冷地區(qū)輸電線路金具材料進行了研究與選擇。

1 常用金具材料的低溫特性及試驗

制造輸電線路金具材料很多，有碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、可鍛鑄鐵、鑄鋼、純鋁以及鋁合金等。由金屬材料的特性可知，鋁、鋁合金及可鍛鑄鐵制造的金具在低溫條件下運行沒有問題，而碳素結(jié)構(gòu)鋼及其合金材料在低溫條件下使用就要考慮溫度對材料的影響了。

通過對材料進行初選，對常用輸電線路金具使用的不同碳素鋼及合金鋼材料的抗拉強度、延伸率、沖擊韌性3種力學性能進行了試驗，其中抗拉強度σb、延伸率δ5試驗分別在0℃和－50℃條件下進行，沖擊韌性試驗分別選取 20、0、－20、－35、－50、－65℃條件下進行。

1.1 抗拉強度、延伸率機械性能試驗

選用 35CrMo、35、Q235A、40Cr、Q345B、ZL102、1050A 7種材料在0℃和－50℃條件下進行試棒抗拉強度、延伸率試驗，結(jié)果見表1。

a.各種材料抗拉強度(σb)－50℃試驗值均高于0℃的試驗值，且本次試驗0℃及－50℃試驗值均高于GB/T 1591—2008《低合金高濃度結(jié)構(gòu)鋼》要求。

表1 試棒抗拉強度、延伸率試驗結(jié)果

b.各種材料延伸率(δ5)0℃及－50℃的試驗值 相差甚少，且均大于GB/T 1591—2008要求值。

1.2 沖擊韌性試驗

沖擊韌性的優(yōu)劣用試驗的沖擊吸收功的大小來表示，試驗所選用的試塊缺口通常有V形和U形，此次試驗選用V形缺口的試塊。不同溫度下各種材料的試塊沖擊韌性試驗結(jié)果見表2。

表2 不同試驗溫度下沖擊吸收功Akv平均值 J

a.Q345C及Q345B隨著溫度的降低，沖擊功值有所下降，表現(xiàn)出一定的低溫脆性，Q345C及Q345B均具備有較高的沖擊韌性，而且Q345C比Q345B更高。Q345C及Q345B試驗所得各溫度下的沖擊吸收功遠大于GB/T 1591—2008標準規(guī)定的要求，在一定的低溫范圍內(nèi)使用Q345C及Q345B是安全的。

b.Q235B與Q235C隨著溫度的降低，沖擊功值明顯下降，呈現(xiàn)了清晰的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，且低溫脆性特征十分明顯，在－35℃以下沖擊功值已低于GB/T 1591—2008標準規(guī)定的要求。Q235B與Q235C二者的沖擊韌性相差不大而以Q235C較好，尤其在－50～－20℃范圍內(nèi)，這一優(yōu)勢更加明顯，Q235C與Q235B相比，更適合在－20℃以下的低溫地區(qū)使用。

c.Q235及Q345鋼的低溫沖擊試驗與現(xiàn)行有關標準相對應問題。對低溫用Q235及Q345鋼材的選擇，有關規(guī)程規(guī)定早已有明確要求。GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》第 3.3.4條規(guī)定:“對需要驗算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材亦應具有常溫沖擊韌性的合格保證。當結(jié)構(gòu)工作溫度不高于0℃但高于－20℃時，Q235鋼和Q345鋼應具有0℃沖擊韌性的合格保證?！眹译娋W(wǎng)公司頒布的《輸電線路全壽命周期設計建設技術導則(試行)》第7.7.7條規(guī)定:當極端最低氣溫低于－40℃時，Q235、Q345焊接構(gòu)件質(zhì)量等級應滿足不低于C級鋼的質(zhì)量要求，螺栓孔采用鉆孔工藝。由以上兩規(guī)程規(guī)定所述要求，以及所做Q235及Q345鋼材的沖擊韌性試驗結(jié)果，在一定的低溫范圍內(nèi)可以使用Q345C及Q345B。

d.35CrMo與40Cr兩種鋼材的沖擊吸收功均隨試驗溫度的下降而下降，但下降速度緩慢，表現(xiàn)其低溫脆性轉(zhuǎn)變不明顯，35CrMo和40Cr在低溫情況下(0℃以下)的沖擊韌性試驗值均大于Q235C，兩種材料均可用于低溫金具制造。但35CrMo、40Cr的抗沖擊性能受到熱處理技術水平影響較大，采用該材料制造產(chǎn)品時的生產(chǎn)工藝相對復雜。

e.35號鋼低溫沖擊韌性較差，不適應在寒冷低溫地區(qū)使用。

2 目前金具材料的適用性分析

2.1 鋁及鋁合金

純鋁主要用于制造有導電性能要求的金具，如壓縮型耐張線夾等。當采用鑄造方法時，材料牌號選用Al99.5，當選用鋁合金型材時，材料代號選用1050A。鋁合金材料多用于懸垂線夾、間隔棒等，要求具有一定的抗拉強度。電力金具材料選用鋁合金為鋁硅系鋁合金，使用的合金代號為ZL102、ZL104和ZL101A。通過前面的低溫特性分析可知這些材料在普通地區(qū)及寒冷地區(qū)均可使用。

2.2 可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵是金具應用較早的一種材料，如97定型金具產(chǎn)品XGU型懸垂線夾、NLD型耐張線夾等均使用該材料，牌號為KTH-330-08，韌脆轉(zhuǎn)變溫度可達－63.96℃，在普通地區(qū)及寒冷地區(qū)均可使用。

2.3 鋼及鋼合金

鋼及鋼合金在金具產(chǎn)品中應用較多，尤其是連接金具幾乎采用的都是鋼或鋼合金。球頭掛環(huán)類產(chǎn)品采用的材料有Q235A、40、40Cr，U型掛環(huán)等鍛件采用的材料有Q235A、35、35CrMo，板件類產(chǎn)品材料選用Q235A和Q345B。通過前面的低溫特性及試驗分析可知，鋼及鋼合金材料僅適合在普通地區(qū)，而不是寒冷地區(qū)使用的最優(yōu)材料。

3 寒冷地區(qū)主要金具的材料選擇

通過對材料的低溫特性及試驗結(jié)果分析，鋁及鋁合金、可鍛鑄鐵制造的金具在寒冷地區(qū)使用沒有任何問題。根據(jù)不同寒冷地區(qū)金具的運行經(jīng)驗，同時兼顧材料的經(jīng)濟性、工藝性和普遍性，按照產(chǎn)品的使用狀態(tài)和設計裕度對產(chǎn)品進行了分類，給出下類產(chǎn)品在寒冷地區(qū)時建議選用的材料。

3.1 球頭掛環(huán)類產(chǎn)品

球頭掛環(huán)類產(chǎn)品，應采用35CrMo制造。該類產(chǎn)品受連接標準制約，破壞載荷裕度相對較小，且受力復雜，也是運行的輸電線路金具發(fā)生事故最多的部件。因35CrMo材料低溫沖擊韌性較好，且具有高的抗拉強度、沖擊韌度及較高的疲勞強度，抗拉強度在980 MPa以上，適合制造球頭掛環(huán)類產(chǎn)品。

3.2 U型掛環(huán)等鍛件產(chǎn)品

U型掛環(huán)等鍛件連接金具采用40Cr制造。40Cr比35CrMo制造成本低，制造工藝也相對簡單，韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為－50℃，適宜制造鍛件連接金具。

3.3 板件類產(chǎn)品

按照GB/T 2315—2008《電力金具標稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》劃分的標稱荷重標記號，板件類產(chǎn)品標稱荷重標記為4～12時，材料選用Q235C，標稱荷重標記 16及以上時，材料選用Q345C。該類產(chǎn)品設計裕度大、形狀簡單、沒有制造的分散性，Q235C和Q345C具有0℃時沖擊韌性的合格保證，滿足GB 50017—2003第3.3.4條中的相關規(guī)定，可以用在寒冷地區(qū)。

4 普通地區(qū)和寒冷地區(qū)線路金具選用材料對比

普通地區(qū)線路金具選用材料范圍較大，而寒冷地區(qū)由于金屬材料韌性的下降，會使金具發(fā)生脆斷，金屬材料的使用會受到限制。普通地區(qū)和寒冷地區(qū)線路金具選用材料對比見表3。

5 結(jié)束語

表3 普通地區(qū)和寒冷地區(qū)線路金具選用材料對比

本文對寒冷地區(qū)輸電線路金具選材進行了試驗與研究，針對輸電線路主要金具所涉及的7種金屬材質(zhì)進行了常溫(0℃)及低溫(－50℃)抗拉強度及延伸率的靜態(tài)對比試驗，并進行了7種金屬材料常溫及低溫(+20℃、0℃、－20℃、－35℃、－50℃、－65℃)的沖擊韌性試驗，為今后寒冷地區(qū)輸電線路的金具產(chǎn)品設計及制造提供了充實的技術依據(jù)。通過對試驗結(jié)果分析，給出寒冷地區(qū)主要金具的材料選擇為:球頭掛環(huán)類產(chǎn)品選用35CrMo、U型掛環(huán)等鍛件連接金具選40Cr、板件類產(chǎn)品材料選用Q235C和Q345C。