大規(guī)格高強度鋼材低溫力學性能研究

李姍姍 楊權(quán)

摘 要：2008年，在我國南方各省，突然爆發(fā)了大雪災(zāi)，由于覆冰造成的塔身偏重和鋼材強度不足等原因，導(dǎo)致輸電鐵塔的大規(guī)模倒塌，造成大面積的停電，不僅給人民生活帶來極大的不便，還對我國的經(jīng)濟建設(shè)造成了極大的損失[1]。說明我國迫切的需要增強輸變電技術(shù)的研究，來提高我國鐵塔的制造質(zhì)量和制造水平。為了加強鐵塔承載能力，同時減輕塔重、特高壓輸電線路鐵塔的塔材采用低合金高強鋼，如Q345、Q420和Q460等鋼材，可以加強鐵塔的承載能力、減輕鐵塔的重量、節(jié)省鐵塔鋼材的消耗，從而提高經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：輸電鐵塔;高強鋼;低溫;力學性能;焊接工藝

引言

輸電線路是電力系統(tǒng)的大動脈，在保障民生和經(jīng)濟社會發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用。為了避免供電系統(tǒng)被破壞，輸電線路應(yīng)當安裝相應(yīng)的防護設(shè)施。在雷雨天氣時，高壓雷電流會破壞電力設(shè)備與輸電線路穩(wěn)定運行，所以提高輸電線路的耐雷水平十分必要。

1國內(nèi)現(xiàn)狀

架空輸電線路跨越高速鐵路需同時滿足電力行業(yè)和鐵路行業(yè)的相關(guān)規(guī)范、規(guī)程要求，現(xiàn)行架空輸電線路設(shè)計規(guī)范和高速鐵路技術(shù)規(guī)程均未對輸電線路跨越高鐵設(shè)計安全可靠性進行明確規(guī)定，致使各種跨越高鐵的輸電線路的安全可靠性參數(shù)要求不統(tǒng)一?，F(xiàn)行的架空輸電線路設(shè)計規(guī)范《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》（GB50545-2010）自2010年實施，該版本為電力部門總結(jié)2008年雪災(zāi)經(jīng)驗教訓(xùn)，廣泛征求多方意見，經(jīng)過深入研究，由《110kV～500kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T5092-1999）發(fā)展而來。新舊標準在影響架空輸電線路結(jié)構(gòu)安全的主要因素氣象條件（風荷載、覆冰荷載）的取值上有所不同，在線路結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取值上也不同，高速鐵路技術(shù)規(guī)范則在跨越高速鐵路的輸電線路可靠性方面也未進行具體的規(guī)定。因此，本文綜合電網(wǎng)和鐵路行業(yè)相關(guān)規(guī)范及規(guī)定文件，研究電力線路跨越高速鐵路安全運行影響力的評價標準體系。目前，中國鐵路上海局集團有限公司管轄范圍內(nèi)跨越高鐵輸電線路均按該標準體系進行設(shè)計，至今均運營良好，在惡劣天氣中未發(fā)生倒塔、斷線等事故。

2導(dǎo)線的性能研究

2.1導(dǎo)線的電氣性能

在進行導(dǎo)線選擇時，電氣性能應(yīng)作為重要選擇條件。電氣性能越好，意味著它的載流量越大，載流量的大小直接影響電力輸送能力及輸電效率，所以要選擇承載能力強的導(dǎo)線。載流量大的導(dǎo)線即便線路發(fā)生事故，也不會出現(xiàn)較大的安全問題。在電網(wǎng)運行中，也要充分考慮到電能對導(dǎo)線過載流量的影響，特別要考慮天氣變化對導(dǎo)線電氣性能的影響。核算導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)時，導(dǎo)線的耐熱性和抗寒性要充分考慮，溫差過大都可能對導(dǎo)線產(chǎn)生不良影響，要在最大程度上確保導(dǎo)線線路能夠適應(yīng)周圍溫度的變化及環(huán)境的變化，使導(dǎo)線的使用壽命最大限度延長。

2.2導(dǎo)線的機械特性

對不同導(dǎo)線的機械特性進行比較分析時，能夠發(fā)現(xiàn)桿塔與導(dǎo)線弧垂的重量有著緊密的關(guān)系。這就需要通過進一步分析導(dǎo)線的弧垂性來判斷導(dǎo)線的性能是否良好。在高溫條件下，導(dǎo)線的自重、拉力、鋁鋼截面等因素也要作為參考的標準。比如在40℃的條件下，計算導(dǎo)線弧垂時要觀察記錄其最小的弧垂。還要計算導(dǎo)線的風偏角，一般在平均風速27m/s的情況下，導(dǎo)線的垂直荷載是最小的。這時需要采用塔型的設(shè)計，降低風偏角的大小，并對塑形指標Kv值做好對應(yīng)記錄。導(dǎo)線的機械特性主要包括弧垂、荷載、風偏角、過載能力等。從弧垂特性看，中強度全鋁合金絞線無疑是最好的，剩余的導(dǎo)線弧垂特性差異不大;從水平荷載來看，所有導(dǎo)線基本相同;從垂直荷載來看，鋁合金芯鋁絞線是垂直荷載偏小的;從順線張力來看，鋁合金芯鋁絞線也是最小的。

3提升輸電線路大規(guī)格高強度鋼材低溫力學性能的策略

3.1提升設(shè)計方案的質(zhì)量

根據(jù)高壓輸電線路施工需求，明確電氣設(shè)計要點和關(guān)鍵部位，做好常見故障的應(yīng)對防御工作，制定出可行性較高的設(shè)計方案。例如，根據(jù)以往經(jīng)驗來看，高壓輸變電桿是比較容易發(fā)生故障的部位，所以在設(shè)計高壓輸變電桿時，需要落實設(shè)計檢驗工作，充分考慮桿塔的機械性和絕緣性，優(yōu)選控桿塔建筑材料。同時，結(jié)合桿塔建設(shè)的外部環(huán)境，如：氣候條件、水文條件對桿塔安裝的影響，合理規(guī)劃桿塔布局，既要控制桿塔建設(shè)成本，又要保障桿塔建設(shè)質(zhì)量。在設(shè)計架空線路的路徑選擇時，也需要結(jié)合施工現(xiàn)場環(huán)境，如：地理環(huán)境、交通布局等，不能一味模仿以往的設(shè)計方案，應(yīng)該落實具體問題具體分析工作方針，才能保障后期設(shè)計落實的有效性。例如，如果高壓輸電線路施工場所為平地區(qū)域，可以先考慮交通布局、社會因素。如果施工場所為山地丘陵、高山峻嶺，就應(yīng)該優(yōu)先考慮地理因素，克服地勢險峻的施工困難。此外，“抗冰”是高壓輸電線路電氣設(shè)計的要點，也是高壓輸電線路的常見故障問題。因此，為了提升高壓輸電線路的輸電安全性，做好抗冰預(yù)防和防御工作非常必要，這也是提升電氣設(shè)計方案可行性的關(guān)鍵。

3.2高強鋼焊接加工工藝

輸電鐵塔對塔材的焊接工藝要求很高，不僅需要焊材與母材具有相當?shù)膹姸?、韌性和塑性，還需要其焊后裂紋率低，不出現(xiàn)層狀撕裂現(xiàn)象。通過對高強鋼在輸電線路工程中的應(yīng)用情況進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)鐵塔塔材的冷加工工藝，對于高強鋼和普通鋼區(qū)別不大，并且高強鋼的剪切、制彎、火曲和打孔等主要加工工藝可以滿足要求;但是在高強鋼的焊接塔材過程中，避免冷裂紋和層狀撕裂等現(xiàn)象的加工技術(shù)能力有所欠缺，所以高強鋼的焊接加工工藝需進一步完善。只有保證了焊接工藝的合理性和有效性，才能保證低合金高強鋼焊接接頭的良好焊接質(zhì)量。在高強鋼加工及焊接時，必須對每個工序做好記錄，并且對每一道工序加強質(zhì)量控制、焊接過程的管理和結(jié)果的檢驗。雖然高強鋼有良好的力學性能，但是由于低合金高強鋼的碳當量偏高，使其焊后冷裂紋、熱裂傾向和再熱裂紋出現(xiàn)概率增加。這種焊接劣化現(xiàn)象對高強鋼在輸電線路工程中的應(yīng)用推廣極為不利。

3.3重視前期勘測工作

為了提升高壓輸電線路電氣設(shè)計的科學性，落實前期勘察勘測工作，掌握高壓輸電線路施工現(xiàn)場的各項數(shù)據(jù)，如：氣候條件、地質(zhì)環(huán)境等等，為電氣設(shè)計提供參考和依據(jù)。例如，設(shè)計人員在進行電氣設(shè)計時，必須先進行施工周圍地區(qū)勘測，分析電氣線路路徑設(shè)計方案，了解施工區(qū)域的特殊情況，并將其考慮到設(shè)計方案中，合理運用和配置人力物力資源，方能獲得最大的效益。同時，根據(jù)高壓輸電線路施工場所，調(diào)查類似環(huán)境區(qū)域的常見問題，在原有設(shè)計方案基礎(chǔ)上，實現(xiàn)針對性優(yōu)化設(shè)計。

結(jié)束語

根據(jù)輸電線路工程中，鐵塔的設(shè)計和實際生產(chǎn)情況，優(yōu)化高強鋼的焊接加工工藝，加強各工序的質(zhì)量控制，來保證焊后冷裂紋防止措施工藝的實施，可以保障高強鋼在鐵塔應(yīng)用中的可靠性和安全性。在工業(yè)制造中，自動化焊接技術(shù)可以降低勞動強度、提高焊接效率，在保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上，推廣自動化焊接技術(shù)將成為制造工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢。

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