输电铁塔用大规格角钢低温性能研究

李凤辉，常建伟，徐德录，张东英，张 磊，李 光，于长海

(北京国网富达科技发展有限责任公司，北京 100070)

输电铁塔用大规格角钢低温性能研究

李凤辉，常建伟，徐德录，张东英，张 磊，李 光，于长海

(北京国网富达科技发展有限责任公司，北京 100070)

为低温地区选择合适的输电铁塔用大规格角钢，防止铁塔因构件发生低温脆性断裂而引起破坏。通过室温和低温条件下的拉伸和冲击试验，研究了输电铁塔用Q345B、Q420B的大角钢的强度、塑性和韧度。结果表明，从-40 ℃到室温，大角钢具有良好的低温强度性能和低温塑性，随温度的降低材料的冲击韧度和断裂韧度逐渐变差，试验Q345B、Q420B韧脆转变温度分别约为-22和-20 ℃，工程条件启裂CTOD值在0 ℃时分别为0.352和0.271mm，在0 ℃以上均发生韧性断裂。

角钢；韧度；强度；低温；韧脆转变温度

按照我国建设坚强智能电网的战略要求和电网总体规划，建设以特高压输电为主的骨干网架，将在我国东北、华北和西北地区建设特高压输电线路，在北纬40°以上区域我国最低日平均温度已达到了-10 ℃以下，在高海拔或更高纬度地区冬季气温在-20 ℃以下，极限气温达-40 ℃以下。这些地区冬季气温较低，不同材质、不同受力状况在低温下可能表现出不同的断裂行为，影响着输电铁塔在高寒地区长期运行的安全和稳定。

以哈郑工程特高压直流输电为例，将有250 km的输电线路位于极限温度<-30 ℃的地区。以计算低温看，我国在-20 ℃以下的地区有7个，覆盖了我国北部从东到西的全部地区，而且同一地区的极端最低气温比该地区计算低温还要低约10～25 ℃。

在输电铁塔中，采用肢宽在220 mm及以上规格的大规格角钢具有较好的结构性能和经济性，可广泛应用于500、750 kV交流双回、特高压直流和交流输电铁塔。从2011年大规格角钢首次应用于锦屏-苏南±800 kV特高压直流输电铁塔开始，目前累计用量已超过8万t。按照“十二五”国家电网公司规划建设规模，大规格角钢需求达90万t以上[1-2]。

目前，低温对输电铁塔用大角钢的影响方面的研究报道不多，笔者所在研发团队曾进行过Q460角钢低温断裂韧度和输电铁塔角钢韧脆评价方面的研究[3-4]，另外也有一些输电铁塔低温失效分析[5-7]、角钢研发[8-9]等方面的介绍，但对大规格角钢低温性能研究未见报道；因此，开展输电铁塔用大角钢低温性能深化研究，确定工程常用大角钢在低温下的性能规律和适合使用的最低温度范围，对低温下输电铁塔用角钢选材有重大意义。

1 试验内容

1.1 试验用材

试验选用Q345B角钢，规格为∠250 mm×20 mm；Q420B角钢，规格为∠250 mm×28 mm。

1.2 试验方法

从角钢肢宽边缘1/3处纵向取拉伸、冲击和断裂韧度试样。其中，拉伸试验采用板条状试样；冲击试样采用55 mm×10 mm×10 mm标准V型缺口试样(沿厚度方向开缺口)。试验结果均为3个试样的平均值。

断裂韧度CTOD试验采用三点弯曲试样，按照GB/T 21143—2007《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》进行试验，裂纹面垂直于角钢纵向和表面方向(厚度切口)。

2 结果与讨论

2.1 低温对大规格角钢拉伸性能的影响

试验温度与大规格角钢屈服强度、抗拉强度和延伸率的关系曲线如图1所示。

图1 试验温度对大规格角钢拉伸性能的影响

由图1可以看出，随试验温度的降低，Q345B、Q420B大规格角钢的抗拉强度、屈服强度均略有提高，降到-20 ℃以下时，强度又略有降低，但降幅不大；温度对Q345B、Q420B大角钢的延伸率影响不大，从室温降低到-40 ℃，延伸率降低不足5%，即使在-40 ℃的低温下，材料的延伸率仍>39%，表明大规格角钢有良好的低温塑性。

2.2 低温对大规格角钢冲击性能的影响

试验大规格角钢在室温至-40 ℃范围内冲击吸收能量随温度的变化曲线如图2所示。

图2 试验温度对大规格角钢冲击性能的影响

由图2可以看出，对于Q345B和Q420B大规格角钢，随试验温度的降低，材料的冲击吸收能量逐

渐降低， 在-20～-40 ℃， 材料冲击吸收能量降幅趋缓。吸收能量出现大幅下降，数值较低，表明2种材料在约-20 ℃时冲击吸收能量较低，冲击韧度逐渐变差。以冲击吸收能量为21 J时对应的试验温度作为材料韧脆转变温度，试验Q345B、Q420B大规格角钢的韧脆转变温度分别约为-22和-20 ℃。

2.3 低温对大规格角钢断裂韧度的影响

采用三点弯曲试样，按照GB/T 21143—2007《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》进行试验，Q345B和Q420B这2种材料试样δ-Δa阻力曲线如图3所示。图3中，δ为裂纹尖端张开位移；Δa为裂纹扩展量；ΔaMAX为裂纹扩展量极大值；δr为与裂纹扩展量对应的回归曲线；d为不同裂纹扩展量对应的裂纹尖端张开位移。

图3 δ-Δa阻力曲线

由图3可以看出，Q345B和Q420B这2种角钢在试验温度为25和0 ℃时，随着试验力的增加，裂纹尖端区进入伸张变形阶段，预制疲劳裂纹缓慢稳定扩展，试样不发生脆性断裂，因此能够得到最大力CTOD值δm(B)。根据多个试验点裂纹尖端张开位移δ与裂纹扩展量Δa的断裂阻力曲线拟合，分别获得Q345B和Q420B角钢条件启裂CTOD值δ0.2BL(工程启裂韧度)，具体见表1。

表1 试验大规格角钢不同温度下的条件启裂CTOD值

由表1可以看出，在25 ℃时，Q345B试样CTOD值全部为稳定裂纹扩展形式，Q420B试样CTOD值几乎全部为稳定裂纹扩展形式；在0 ℃时，2种角钢部分试样CTOD特征值为稳定裂纹扩展形式，部分试样为脆性启裂或脆性失稳形式。Q345B和Q420B角钢在0 ℃以上，均发生韧性断裂，但由于Q420B角钢强度的增加和厚度的加大，其工程条件启裂韧度低于Q345B。

试验角钢在室温至-40 ℃范围内不同试验温度下的特征CTOD值如图4所示。图4中，δu(20)、δc(20)、δm(20)、δu(25)、δc(25)、δm(25)分别代表试样宽度为20和25 mm时的脆性失稳CTOD值、脆性起裂CTOD值、出现最大载荷点CTOD值。

图4 大规格角钢在不同温度下的特征CTOD值

由图4可以看出，试验温度在0～-20 ℃时，Q345B和Q420B材料的断裂特征表现为塑性启裂和脆性失稳形式，得到了材料裂纹扩展尺寸>0.2 mm时发生失稳扩展的CTOD值δu(B),在此情形下，材料的CTOD特征值变得不确定；当试验温度<-20 ℃时，材料的断裂特征表现为脆性启裂和脆性失稳形式，且脆性启裂CTOD值δc(B)随温度降低而下降，表明材料已经变脆，且Q420B的临界裂纹张开位移均低于Q345B，也表明随材料强度的提高和厚度的加大，材料的断裂韧度随温度的降低逐渐变差。

2.4 微观形貌分析

试验大角钢取纵向剖面进行金相和内部微观形貌进行分析(见图5)，其组织均为珠光体和铁素体。经测量，Q345B珠光体平均片层间距为252 nm，Q420B珠光体平均片层间距为232 nm。非金属夹杂物的形态与分布如图6所示，Q345B和Q420B试样中主要非金属夹杂物均为硅酸盐类和氧化铝类，存在粗系夹杂物，其中，Q345B试样中硅酸盐和氧化铝夹杂物级别均较高于Q420B试样，夹杂物宽度为10～15 μm。

图5 大规格角钢珠光体内部微观形貌

图6 大规格角钢中的非金属夹杂物

由于试验角钢的珠光体片间距较小，小的片层间距使得珠光体中渗碳体片变薄，使其有更好的柔韧性，降低了温度敏感性，但由于非金属夹杂物的存在，造成钢材基体的不连续，一定程度上造成了材料的低温敏感；因此，在角钢钢坯冶炼时，减少夹杂物的数量和分布，轧制时采用合理的轧制工艺，获得细小晶粒和小的珠光体片间距，对改善角钢的低温性能有重要意义。

3 综合评价

韧脆转变温度TC反映了温度对钢材脆性的影响，是从韧性角度选材的重要依据之一，可用于抗脆断设计。对低温地区服役的角钢塔材，可以根据其TC值直接或间接估算它的最低工作温度。

依据上述冲击吸收能量试验和材料断裂韧度试验中不同温度下裂纹尖端位移数据的分析， Q345B、Q420B韧脆转变温度分别约为-22和-20 ℃。

材料由韧性断裂转变为脆性断裂是在一个温度范围内完成的(见图7)，如果把完全脆性断裂的最高温度TL作为钢材脆断设计温度，即可保证钢结构件在低温下的安全[10]，因此，不妨把此温度作为塔材的最低工作温度，这时，铁塔角钢仍有一定的韧性温度储备ΔT，由于输电铁塔一般按静载结构进行设计，可将ΔT取20 ℃[11]，则：

TL=TC-20

(1)

图7 温度-冲击吸收能量关系曲线示意图

DL/T 5154—2002中采用了冬季计算温度TD，其是按室外最低温度+10 ℃作为冬季计算温度。在此假定按钢材的韧脆转变温度作为铁塔构件的冬季计算温度，那么塔材最低工作温度(室外最低温度)为：

TL=TD-10=TC-10

(2)

DL/T 5154—2012中采用了结构工作温度，用铁塔所在地区累年最低日平均气温计算。DL/T 5154—2012中的结构工作温度比DL/T 5154—2002中的冬季计算温度低10 ℃，与式1相比，把塔材的韧脆转变温度作为铁塔构件的冬季计算温度，确定塔材最低工作温度是安全的。由此得出，Q345B角钢适用的室外最低温度约为-32 ℃；Q420B角钢适用的室外最低温度约为-30 ℃。

4 结语

通过上述分析，得出如下结论。

1)从-40 ℃到室温，大角钢具有良好的低温强度和低温塑性。

2)随着温度的降低，大角钢的冲击吸收能量逐渐降低，材料的冲击韧度逐渐变差，试验Q345B、Q420B大规格角钢的韧脆转变温度分别约为-22和-20 ℃。

3)大规格角钢的断裂韧度随温度的降低逐渐变差，材料对低温更加敏感。试验角钢在0 ℃以上，均发生韧性断裂，Q420B角钢工程条件启裂韧度低于Q345B，在0 ℃时分别为0.271和0.352 mm。

4)在角钢钢坯冶炼时，减少夹杂物的数量和分布，轧制时，采用合理的轧制工艺，以获得细小晶粒和小的珠光体片间距，对于改善角钢的低温性能有重要意义。

5)Q345B角钢适用的室外最低温度约为-32 ℃；Q420B角钢适用的室外最低温度约为-30 ℃。

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责任编辑 郑练

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

李凤辉(1980-)，男，高级工程师，硕士，主要从事输电线路材料的研发及应用等方面的工作。

2016-05-06