李鳳輝，常建偉，徐德錄，張東英，張 磊，李 光，于長海

(北京國網(wǎng)富達科技發(fā)展有限責任公司，北京 100070)

輸電鐵塔用大規(guī)格角鋼低溫性能研究

李鳳輝，常建偉，徐德錄，張東英，張 磊，李 光，于長海

(北京國網(wǎng)富達科技發(fā)展有限責任公司，北京 100070)

為低溫地區(qū)選擇合適的輸電鐵塔用大規(guī)格角鋼，防止鐵塔因構(gòu)件發(fā)生低溫脆性斷裂而引起破壞。通過室溫和低溫條件下的拉伸和沖擊試驗，研究了輸電鐵塔用Q345B、Q420B的大角鋼的強度、塑性和韌度。結(jié)果表明，從-40 ℃到室溫，大角鋼具有良好的低溫強度性能和低溫塑性，隨溫度的降低材料的沖擊韌度和斷裂韌度逐漸變差，試驗Q345B、Q420B韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別約為-22和-20 ℃，工程條件啟裂CTOD值在0 ℃時分別為0.352和0.271mm，在0 ℃以上均發(fā)生韌性斷裂。

角鋼；韌度；強度；低溫；韌脆轉(zhuǎn)變溫度

按照我國建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略要求和電網(wǎng)總體規(guī)劃，建設(shè)以特高壓輸電為主的骨干網(wǎng)架，將在我國東北、華北和西北地區(qū)建設(shè)特高壓輸電線路，在北緯40°以上區(qū)域我國最低日平均溫度已達到了-10 ℃以下，在高海拔或更高緯度地區(qū)冬季氣溫在-20 ℃以下，極限氣溫達-40 ℃以下。這些地區(qū)冬季氣溫較低，不同材質(zhì)、不同受力狀況在低溫下可能表現(xiàn)出不同的斷裂行為，影響著輸電鐵塔在高寒地區(qū)長期運行的安全和穩(wěn)定。

以哈鄭工程特高壓直流輸電為例，將有250 km的輸電線路位于極限溫度<-30 ℃的地區(qū)。以計算低溫看，我國在-20 ℃以下的地區(qū)有7個，覆蓋了我國北部從東到西的全部地區(qū)，而且同一地區(qū)的極端最低氣溫比該地區(qū)計算低溫還要低約10～25 ℃。

在輸電鐵塔中，采用肢寬在220 mm及以上規(guī)格的大規(guī)格角鋼具有較好的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟性，可廣泛應(yīng)用于500、750 kV交流雙回、特高壓直流和交流輸電鐵塔。從2011年大規(guī)格角鋼首次應(yīng)用于錦屏-蘇南±800 kV特高壓直流輸電鐵塔開始，目前累計用量已超過8萬t。按照“十二五”國家電網(wǎng)公司規(guī)劃建設(shè)規(guī)模，大規(guī)格角鋼需求達90萬t以上[1-2]。

目前，低溫對輸電鐵塔用大角鋼的影響方面的研究報道不多，筆者所在研發(fā)團隊曾進行過Q460角鋼低溫斷裂韌度和輸電鐵塔角鋼韌脆評價方面的研究[3-4]，另外也有一些輸電鐵塔低溫失效分析[5-7]、角鋼研發(fā)[8-9]等方面的介紹，但對大規(guī)格角鋼低溫性能研究未見報道；因此，開展輸電鐵塔用大角鋼低溫性能深化研究，確定工程常用大角鋼在低溫下的性能規(guī)律和適合使用的最低溫度范圍，對低溫下輸電鐵塔用角鋼選材有重大意義。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗用材

試驗選用Q345B角鋼，規(guī)格為∠250 mm×20 mm；Q420B角鋼，規(guī)格為∠250 mm×28 mm。

1.2 試驗方法

從角鋼肢寬邊緣1/3處縱向取拉伸、沖擊和斷裂韌度試樣。其中，拉伸試驗采用板條狀試樣；沖擊試樣采用55 mm×10 mm×10 mm標準V型缺口試樣(沿厚度方向開缺口)。試驗結(jié)果均為3個試樣的平均值。

斷裂韌度CTOD試驗采用三點彎曲試樣，按照GB/T 21143—2007《金屬材料 準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》進行試驗，裂紋面垂直于角鋼縱向和表面方向(厚度切口)。

2 結(jié)果與討論

2.1 低溫對大規(guī)格角鋼拉伸性能的影響

試驗溫度與大規(guī)格角鋼屈服強度、抗拉強度和延伸率的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 試驗溫度對大規(guī)格角鋼拉伸性能的影響

由圖1可以看出，隨試驗溫度的降低，Q345B、Q420B大規(guī)格角鋼的抗拉強度、屈服強度均略有提高，降到-20 ℃以下時，強度又略有降低，但降幅不大；溫度對Q345B、Q420B大角鋼的延伸率影響不大，從室溫降低到-40 ℃，延伸率降低不足5%，即使在-40 ℃的低溫下，材料的延伸率仍>39%，表明大規(guī)格角鋼有良好的低溫塑性。

2.2 低溫對大規(guī)格角鋼沖擊性能的影響

試驗大規(guī)格角鋼在室溫至-40 ℃范圍內(nèi)沖擊吸收能量隨溫度的變化曲線如圖2所示。

圖2 試驗溫度對大規(guī)格角鋼沖擊性能的影響

由圖2可以看出，對于Q345B和Q420B大規(guī)格角鋼，隨試驗溫度的降低，材料的沖擊吸收能量逐

漸降低， 在-20～-40 ℃， 材料沖擊吸收能量降幅趨緩。吸收能量出現(xiàn)大幅下降，數(shù)值較低，表明2種材料在約-20 ℃時沖擊吸收能量較低，沖擊韌度逐漸變差。以沖擊吸收能量為21 J時對應(yīng)的試驗溫度作為材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度，試驗Q345B、Q420B大規(guī)格角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別約為-22和-20 ℃。

2.3 低溫對大規(guī)格角鋼斷裂韌度的影響

采用三點彎曲試樣，按照GB/T 21143—2007《金屬材料 準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》進行試驗，Q345B和Q420B這2種材料試樣δ-Δa阻力曲線如圖3所示。圖3中，δ為裂紋尖端張開位移；Δa為裂紋擴展量；ΔaMAX為裂紋擴展量極大值；δr為與裂紋擴展量對應(yīng)的回歸曲線；d為不同裂紋擴展量對應(yīng)的裂紋尖端張開位移。

圖3 δ-Δa阻力曲線

由圖3可以看出，Q345B和Q420B這2種角鋼在試驗溫度為25和0 ℃時，隨著試驗力的增加，裂紋尖端區(qū)進入伸張變形階段，預制疲勞裂紋緩慢穩(wěn)定擴展，試樣不發(fā)生脆性斷裂，因此能夠得到最大力CTOD值δm(B)。根據(jù)多個試驗點裂紋尖端張開位移δ與裂紋擴展量Δa的斷裂阻力曲線擬合，分別獲得Q345B和Q420B角鋼條件啟裂CTOD值δ0.2BL(工程啟裂韌度)，具體見表1。

表1 試驗大規(guī)格角鋼不同溫度下的條件啟裂CTOD值

由表1可以看出，在25 ℃時，Q345B試樣CTOD值全部為穩(wěn)定裂紋擴展形式，Q420B試樣CTOD值幾乎全部為穩(wěn)定裂紋擴展形式；在0 ℃時，2種角鋼部分試樣CTOD特征值為穩(wěn)定裂紋擴展形式，部分試樣為脆性啟裂或脆性失穩(wěn)形式。Q345B和Q420B角鋼在0 ℃以上，均發(fā)生韌性斷裂，但由于Q420B角鋼強度的增加和厚度的加大，其工程條件啟裂韌度低于Q345B。

試驗角鋼在室溫至-40 ℃范圍內(nèi)不同試驗溫度下的特征CTOD值如圖4所示。圖4中，δu(20)、δc(20)、δm(20)、δu(25)、δc(25)、δm(25)分別代表試樣寬度為20和25 mm時的脆性失穩(wěn)CTOD值、脆性起裂CTOD值、出現(xiàn)最大載荷點CTOD值。

圖4 大規(guī)格角鋼在不同溫度下的特征CTOD值

由圖4可以看出，試驗溫度在0～-20 ℃時，Q345B和Q420B材料的斷裂特征表現(xiàn)為塑性啟裂和脆性失穩(wěn)形式，得到了材料裂紋擴展尺寸>0.2 mm時發(fā)生失穩(wěn)擴展的CTOD值δu(B),在此情形下，材料的CTOD特征值變得不確定；當試驗溫度<-20 ℃時，材料的斷裂特征表現(xiàn)為脆性啟裂和脆性失穩(wěn)形式，且脆性啟裂CTOD值δc(B)隨溫度降低而下降，表明材料已經(jīng)變脆，且Q420B的臨界裂紋張開位移均低于Q345B，也表明隨材料強度的提高和厚度的加大，材料的斷裂韌度隨溫度的降低逐漸變差。

2.4 微觀形貌分析

試驗大角鋼取縱向剖面進行金相和內(nèi)部微觀形貌進行分析(見圖5)，其組織均為珠光體和鐵素體。經(jīng)測量，Q345B珠光體平均片層間距為252 nm，Q420B珠光體平均片層間距為232 nm。非金屬夾雜物的形態(tài)與分布如圖6所示，Q345B和Q420B試樣中主要非金屬夾雜物均為硅酸鹽類和氧化鋁類，存在粗系夾雜物，其中，Q345B試樣中硅酸鹽和氧化鋁夾雜物級別均較高于Q420B試樣，夾雜物寬度為10～15 μm。

圖5 大規(guī)格角鋼珠光體內(nèi)部微觀形貌

圖6 大規(guī)格角鋼中的非金屬夾雜物

由于試驗角鋼的珠光體片間距較小，小的片層間距使得珠光體中滲碳體片變薄，使其有更好的柔韌性，降低了溫度敏感性，但由于非金屬夾雜物的存在，造成鋼材基體的不連續(xù)，一定程度上造成了材料的低溫敏感；因此，在角鋼鋼坯冶煉時，減少夾雜物的數(shù)量和分布，軋制時采用合理的軋制工藝，獲得細小晶粒和小的珠光體片間距，對改善角鋼的低溫性能有重要意義。

3 綜合評價

韌脆轉(zhuǎn)變溫度TC反映了溫度對鋼材脆性的影響，是從韌性角度選材的重要依據(jù)之一，可用于抗脆斷設(shè)計。對低溫地區(qū)服役的角鋼塔材，可以根據(jù)其TC值直接或間接估算它的最低工作溫度。

依據(jù)上述沖擊吸收能量試驗和材料斷裂韌度試驗中不同溫度下裂紋尖端位移數(shù)據(jù)的分析， Q345B、Q420B韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別約為-22和-20 ℃。

材料由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔咽窃谝粋€溫度范圍內(nèi)完成的(見圖7)，如果把完全脆性斷裂的最高溫度TL作為鋼材脆斷設(shè)計溫度，即可保證鋼結(jié)構(gòu)件在低溫下的安全[10]，因此，不妨把此溫度作為塔材的最低工作溫度，這時，鐵塔角鋼仍有一定的韌性溫度儲備ΔT，由于輸電鐵塔一般按靜載結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，可將ΔT取20 ℃[11]，則：

TL=TC-20

(1)

圖7 溫度-沖擊吸收能量關(guān)系曲線示意圖

DL/T 5154—2002中采用了冬季計算溫度TD，其是按室外最低溫度+10 ℃作為冬季計算溫度。在此假定按鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度作為鐵塔構(gòu)件的冬季計算溫度，那么塔材最低工作溫度(室外最低溫度)為：

TL=TD-10=TC-10

(2)

DL/T 5154—2012中采用了結(jié)構(gòu)工作溫度，用鐵塔所在地區(qū)累年最低日平均氣溫計算。DL/T 5154—2012中的結(jié)構(gòu)工作溫度比DL/T 5154—2002中的冬季計算溫度低10 ℃，與式1相比，把塔材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度作為鐵塔構(gòu)件的冬季計算溫度，確定塔材最低工作溫度是安全的。由此得出，Q345B角鋼適用的室外最低溫度約為-32 ℃；Q420B角鋼適用的室外最低溫度約為-30 ℃。

4 結(jié)語

通過上述分析，得出如下結(jié)論。

1)從-40 ℃到室溫，大角鋼具有良好的低溫強度和低溫塑性。

2)隨著溫度的降低，大角鋼的沖擊吸收能量逐漸降低，材料的沖擊韌度逐漸變差，試驗Q345B、Q420B大規(guī)格角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別約為-22和-20 ℃。

3)大規(guī)格角鋼的斷裂韌度隨溫度的降低逐漸變差，材料對低溫更加敏感。試驗角鋼在0 ℃以上，均發(fā)生韌性斷裂，Q420B角鋼工程條件啟裂韌度低于Q345B，在0 ℃時分別為0.271和0.352 mm。

4)在角鋼鋼坯冶煉時，減少夾雜物的數(shù)量和分布，軋制時，采用合理的軋制工藝，以獲得細小晶粒和小的珠光體片間距，對于改善角鋼的低溫性能有重要意義。

5)Q345B角鋼適用的室外最低溫度約為-32 ℃；Q420B角鋼適用的室外最低溫度約為-30 ℃。

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責任編輯 鄭練

Research on the Low Temperature Property of Large Angle Steel Used in Transmission Tower

LI Fenghui, CHANG Jianwei, XU Delu, ZHANG Dongying, ZHANG Lei, LI Guang, YU Changhai

(Beijing Guowang Fuda Science & Technology Development Co., Ltd., Beijing 100070, China)

In the cold region，it is of great significance to select suitable large angle steel in order to prevent the failure or collapse of transmission line tower. A series of tensile tests and impact tests are performed to investigate the mechanical property and impact toughness of large angle steel of Q345B, Q420B in different temperature. It is showed that large angle steel had excellent low temperature property and low temperature plasticity and impact toughness of the material gradually become poor, fracture toughness is worse with the temperature decreasing from -40 ℃ to room temperature. Ductile-brittle transition temperature of Q345B, Q420B are -22 ℃, -20 ℃ respectively. The initial CTOD value of 0 ℃ is 0.352 mm, 0.271 mm respectively, and the ductile fracture occurs above 0 ℃.

angle steel, toughness, tensile, low temperature, ductile-brittle transition temperature

TG

A

李鳳輝(1980-)，男，高級工程師，碩士，主要從事輸電線路材料的研發(fā)及應(yīng)用等方面的工作。

2016-05-06