輸電塔Q420鋼材角焊縫的疲勞性能試驗研究

曾二賢，葉愛民，覃偉平，吳海洋，徐 彬

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

0 引言

隨著我國輸電線路技術水平的提升和經濟發(fā)展對電力需求的增長，常規(guī)輸電塔鋼材（如Q235和Q345）已經難以滿足工程實際的要求。目前，我國正積極開展特高壓輸電線路工程的建設，為保證輸電線路安全穩(wěn)定的運行，同時又達到節(jié)約鋼材用量和降低經濟成本的目的，Q420鋼在一定程度上得到了推廣和應用［1］。隨著西電東送電力建設的發(fā)展，輸電桿塔將越來越多地在低溫極端自然環(huán)境中工作，高強鋼脆性及焊縫的連接及疲勞問題越來越凸顯，因此，研究鋼結構在不同工作溫度條件下的疲勞性能具有重要的工程意義。

目前，國內外學者已經開展了不少高強度鋼材及焊縫的相關研究，取得了一定的成果［2-6］。施剛等人［7-8］針對Q460C和Q460D鋼材及其焊縫疲勞性能開展了研究，描繪出其S-N曲線，但對于Q420鋼材與焊縫疲勞性能方面的研究開展較少。此外，GB 50017—2017《鋼結構設計標準》提出依據(jù)構件與連接類別進行劃分確定計算參數(shù)進行疲勞驗算，未細化和明確鋼材與焊縫的強度、韌性、塑性的大小對疲勞性能的影響［12］。所以，有必要開展Q420高強鋼焊縫疲勞性能研究，以彌補設計規(guī)范的不足，為Q420鋼材與焊縫的應用和推廣提供一定的理論支持。

1 試驗概況

1.1 試件尺寸

試驗鋼材為Q420B和Q420C鋼材，由國內某鋼鐵生產加工，其成分及力學性能如表1和表2所示。

表1 Q420鋼材化學成分質量分數(shù) %

表2 Q420力學性能表

焊件為Q420B和Q420C熱軋鋼帶通過直角焊縫焊接，焊腳尺寸為8 mm，等級為二級，采用E55型焊條。試驗段長為180 mm，寬為30 mm，厚為12 mm，其夾持端長240 mm，寬60 mm。試件均采用線切割方式加工確保光滑平整，尺寸如圖1所示。

圖1 試件尺寸

1.2 拉伸試驗

為充分了解經加工后試件的力學性能，取3根試件進行單軸拉伸試驗。因Q420B和Q420C屬同一強度等級，只針對Q420B試件開展試驗，拉伸試驗如圖2所示。圖3和表3分別給出了Q420B 3根試件拉伸試驗荷載—位移曲線和單軸拉伸力學性能。

圖2 拉伸試驗

圖3 拉伸試驗曲線

表3 單軸拉伸力學性能

從表3可以看出，試件屈服強度在463 MPa左右，斷口位于母材上，而焊縫沒有發(fā)生斷裂，焊縫強度高于母材強度。

2 疲勞試驗

2.1 試驗設備及方法

試驗使用設備為MTS電液伺服疲勞試驗機，試驗加載頻率15Hz［7］。試件上下咬合尺寸設定為80 mm，避免加載滑落。 根據(jù)文獻［11-12］取 0.9ft（ft為焊縫抗拉強度設計值），0.7ft與0.5ft3個應力幅水平進行加載設定，采用應力幅—循環(huán)次數(shù)曲線（S-N曲線）表征材料的疲勞性能規(guī)律。試驗溫度為常溫20℃。

2.2 試驗過程及現(xiàn)象

試驗開始前拉力預加至預設水平時，開始施加循環(huán)荷載，直至試件發(fā)生斷裂試驗結束；若循環(huán)次數(shù)達到200萬次試件仍未斷裂，則終止試驗。試驗結果如圖4和表4所示。

圖4 疲勞試驗破壞形態(tài)

對試件破壞形態(tài)進行分析，斷裂位置多位于焊趾或焊根。對疲勞斷口進行觀察，可發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和快速斷裂區(qū)3個過程。首先，裂紋源區(qū)一般位于焊趾或焊根處，可能出現(xiàn)多處；其次，裂紋擴展區(qū)斷面相對光滑平整，可見海灘或貝殼樣的紋路；最后，發(fā)生拉斷形成快速斷裂區(qū)，此區(qū)域面貌與斷口形貌基本一致，能觀察明顯的粗顆粒。

表4 Q420焊縫疲勞試驗結果

試件編號最大應力/M P a最大荷載/k N最小荷載/k N加載頻率/H z循環(huán)次數(shù) 說 明Q 4 2 0 B-7 1 9 3.2 2 2 破壞斷裂Q 4 2 0 B-8 2 1 0.6 6 7 破壞斷裂7 5.8 4 0 Q 4 2 0 B-9 2 1 6.2 5 0 破壞斷裂7 7.8 5 0 Q 4 2 0 C-1 1 1 7.2 7 8 破壞斷裂Q 4 2 0 C-2 1 1 2.3 6 1 破壞斷裂Q 4 2 0 C-3 1 1 0.9 1 7 破壞斷裂Q 4 2 0 C-4 1 6 1.5 5 6 破壞斷裂Q 4 2 0 C-5 1 5 8.3 6 9 破壞斷裂Q 4 2 0 C-6 1 6 8.2 6 4 破壞斷裂Q 4 2 0 C-7 2 4 0.1 1 1 破壞斷裂Q 4 2 0 C-8 2 1 2.1 6 7 破壞斷裂Q 4 2 0 C-9 2 0 0.7 2 2 破壞斷裂6 9.5 6 0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 4 2.2 2 0 4 0.4 5 0 3 9.9 3 0 5 8.1 6 0 5 7.0 1 3 6 0.5 7 5 8 6.4 4 0 7 6.3 8 0 7 2.2 6 0 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 2 1 3 1 5 5 1 2 8 3 9 4 1 3 4 6 3 6 4 9 1 0 2 3 2 5 4 5 5 0 1 3 9 7 0 6 3 3 0 3 1 3 0 3 2 7 3 1 6 1 4 6 5 5 3 5 0 7 4 8 1 7 6 0 4 1 7 3 6 5 4

需要說明的是，表4中編號Q420B-1，Q420B-2與Q420B-3對應0.5ft荷載水平；Q420B-4，Q420B-5與Q420B-6對應0.7ft荷載水平；Q420B-7，Q420B-8與Q420B-9對應0.9ft荷載水平。Q420C材質的對應關系同Q420B。

3 試驗結果處理及分析

3.1 理論分析

式中：n和c為與材料有關的常數(shù)；a為裂紋尺寸；N為疲勞壽命；ΔK為應力強度因子的變化幅，為系數(shù)，與裂紋形狀、板的寬度及構件幾何形狀、應力集中造成的應力梯度等因素有關。

對式（1）積分，可得疲勞壽命的表達式為

式中：a1和a2分別為裂紋初始尺寸和裂紋緩慢擴展階段結束的尺寸。

應力幅值為 Δσ=σmax-σmin，則有：

經過簡化代換可得：

式 （6）中考慮到裂紋初始尺寸a1遠小于a2，式（6）可簡化為

材料疲勞性能通常采用S-N曲線來描述，根據(jù)S-N曲線可將式（4）變換如下：

式中：S為材料截面的應力幅值；N為疲勞循環(huán)次數(shù)；m和C為待定常數(shù)。

當取保證率ρ=50%時，式（7）取對數(shù)擬合表示如下：

結合試驗數(shù)據(jù)分布特征，可選取函數(shù)y=A+Bx進行線性回歸擬合，最小二乘法確定系數(shù)，有：

當取 ρ=95%時，式（8）和（9）分別為：

式中：s為對數(shù)壽命的剩余樣本標準差。

3.2 試驗結果分析

依據(jù)表4給出的Q420B和Q420C兩組疲勞試驗的試驗結果，所有試件均發(fā)生疲勞斷裂。根據(jù)上述方法得出Q420B與Q420C不同保證率ρ時的S-N表達式：

將上述結果在普通和對數(shù)坐標系中描繪應力與循環(huán)次數(shù)關系曲線，如圖5所示。

疲勞循環(huán)荷載應力峰值Smax與循環(huán)次數(shù)N的關系（P-S-N曲線）如圖6所示。

從圖5和圖6容易看出：

1）常溫條件下Q420B焊縫與Q420C焊縫壽命較為接近，但Q420B焊件的疲勞性能略高（本試驗采用的Q420B試件含碳量低于Q420C）。

2）在高應力幅時Q420B材質焊縫的疲勞壽命比Q420C略高，低應力幅時其Q420B與Q420C焊縫疲勞壽命差異增大。

3）高應力幅值范圍內疲勞壽命分布較集中，而隨應力幅值降低其離散性增大 （尤其當超過100萬次后數(shù)據(jù)離散明顯）。

圖5 疲勞循環(huán)荷載應力峰值Smax與循環(huán)次數(shù)N的關系（S-N曲線）

圖6 疲勞循環(huán)荷載應力峰值Smax與循環(huán)次數(shù)N的關系（P-S-N曲線）

針對上述結果，進行了沖擊韌性試驗，0℃與常溫20℃試件數(shù)量均為3個，沖擊結果如表5所示。

表5 沖擊試驗結果 J

從表5沖擊試驗結果可以看到，Q420B 0℃沖擊功的平均值為121 J，20℃沖擊功的平均值為142 J；Q420C 0℃沖擊功的平均值為115 J，20℃沖擊功的平均值為122 J。2種鋼試件在常溫20℃與0℃條件下的沖擊吸收能量均大于34 J，滿足規(guī)范要求；本次焊縫低溫疲勞試驗所使用Q420B鋼材已經滿足C級要求。

同時，本次試驗Q420B鋼材比Q420C鋼材的沖擊吸收能量大，分析可能為所選鋼材試件的含碳量差異所致，試件含碳量Q420B為0.13%，低于Q420C試件0.16%。至于鋼材含碳量與疲勞壽命的影響關系，有待進一步研究。

3.3 試驗結果與規(guī)范對比

為進一步研究試驗結果，將試驗值與GB 50017—2017《鋼結構設計標準》計算值進行比較，結果如表6所示。其中試驗平均值為表4試件結果的算術平均值，推薦公式計算值是指采用式（13）～（16）的理論計算值；規(guī)范值是指依據(jù)GB 50017—2017《鋼結構設計標準》的計算值。

表6 循環(huán)次數(shù)試驗平均值、公式計算值與規(guī)范值對比

從表6中可以得出，在相同應力幅值下本次疲勞試驗結果明顯高于規(guī)范計算值，且存在較大差異。依據(jù)本文式（13）～（16）確定和計算疲勞壽命，可發(fā)現(xiàn)公式計算值高于規(guī)范計算值約10%～20%，規(guī)范相對偏保守。

4 結語

對Q420B和Q420C 2種等級的鋼材角焊縫進行疲勞試驗研究，得到Q420B和Q420C 2種鋼材不同應力水平下角焊縫疲勞壽命S-N曲線，發(fā)現(xiàn)在高應力區(qū)域，Q420B比Q420C材質焊縫的疲勞壽命略高；在低應力幅時2種材質焊縫的疲勞壽命差距增大。推導出2種鋼材的角焊縫疲勞壽命推薦公式，比較試驗結果和推薦公式計算表明，焊縫疲勞值均高于規(guī)范計算值，規(guī)范值相對偏保守。試驗過程中發(fā)現(xiàn)Q420B焊縫疲勞性能略高于Q420C焊縫，分析可能為試件含碳量差異所致。下一步將研究鋼材含碳量對疲勞壽命的相關影響。