输电铁塔主材角钢的低温拉伸和冲击试验

江文强， 安利强， 王烨迪， 石 强

(1.华北电力大学机械工程系 保定，071003) (2.国网内蒙古东部电力有限公司经济技术研究院 呼和浩特，010020)

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.05.028

输电铁塔主材角钢的低温拉伸和冲击试验

江文强1， 安利强1， 王烨迪1， 石 强3

(1.华北电力大学机械工程系 保定，071003) (2.国网内蒙古东部电力有限公司经济技术研究院 呼和浩特，010020)

低温会影响输电铁塔钢材的力学性能，容易导致塔材的脆性断裂事故，危及铁塔乃至整个电力系统的安全。笔者针对Q345B和Q420C高强度钢材角钢及其焊接接头，通过低温拉伸试验和夏比冲击试验，研究了不同材质、不同厚度角钢及其焊接接头的低温力学性能。结果发现，Q345B角钢和焊接接头、Q420C角钢和焊接接头的韧脆转变温度分别为-2.59，-15.28，-32.33和-6.76 ℃，低温会使4种钢材的的抗拉强度和屈服强度均有所提高，在-45℃的高寒地区的输电铁塔，选择Q420C角钢可以满足设计要求，但是应该尽量避免对Q420C进行焊接处理。

输电铁塔； 主材角钢； 低温； 拉伸试验； 冲击试验

引 言

随着我国电网建设的不断完善，越来越多的超特高压输电线路必须通过寒冷地区，尤其是在东北地区，冬季气温低，持续时间长，部分地区的年极端最低气温可达-45 ℃，甚至更低[1]。由于输电线路铁塔暴露在大气环境之中，容易受到覆冰、大风、导线脱冰等静态、动态和冲击载荷的影响[2-4]，一旦设计和施工不当，在寒冷地区运行的超特高压输电线路，就容易出现角钢低温冷脆破坏事故。据不完全统计，自1988～2013年，国内由低温环境引起的累计倒塔事故多达数十余次[5]。

为了加工运输方便，输电铁塔主材通常由多段角钢通过螺栓连接而成，在螺栓孔加工过程中大多采用的是冲孔加工工艺。螺栓孔冲孔加工时，容易在孔壁周围产生微裂纹形成裂纹源。一旦温度低于角钢的韧脆转变温度，在外载荷作用下，微裂纹容易不断扩展，从而导致螺栓连接节点破坏和输电线路倒塔事故的发生。主材是输电铁塔的关键部件，一旦发生低温冷脆破坏，就会不可避免的导致整塔倒塌事故的发生，从而危及整个电力系统的安全稳定运行。因此研究输电线路铁塔主材角钢的低温力学性能，防止铁塔结构发生低温冷脆破坏，给出铁塔材料的选材依据，这对于超特高输电线路工程具有重要意义。

钢材在常温下有良好的塑性和韧性，但随着温度的降低，钢材的塑性和韧性会不断变差，并且钢材的低温力学性能与其材质、截面形状及厚度等因素有关。王元清等[6-10]对4种不同厚度的高强钢板Q345B进行了低温力学性能试验研究，结果发现随温度的降低，钢材的屈服强度和抗拉强度增大而断面收缩率减小。随钢板厚度的增加，z向试样的断面收缩率逐渐减小，且小于横向试样的断面收缩率。另外，还针对Q460C高强钢板进行了低温拉伸、冲击韧性和3点弯曲试验，研究了Q460C钢板的低温力学性能。Liu等[11-12]在以上试验的基础上增加了焊接接头的对比试验研究。学者们针对钢材的低温力学性能进行了大量研究，然而针对输电铁塔主材用角钢，特别是高强度钢材角钢的研究还不完善，从而影响了高强钢在低温地区的推广和应用。笔者主要针对Q345B，Q420C高强度主材角钢及其焊接接头，通过低温拉伸和冲击试验，研究不同材质、不同规格厚度角钢的低温力学性能，分析低温对输电铁塔主材角钢力学性能的影响规律，为低温地区输电铁塔的合理选材提供依据。

1 试验概述

本试验主要研究Q345B和Q420C主材角钢及其焊接接头的低温力学性能，低温拉伸试验参考的标准为《GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法》[13]和《GB/T 13239-2006金属材料低温拉伸试验方法》[14]，低温冲击试验采用的试验标准为《GB/T 2009-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》[15]，试样的加工及取样参考标准为《GB/T 2975-1998钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》[16]。试样的几何尺寸如图1所示，试验完成后结果如图2所示。

图1 试样几何尺寸(单位：mm)Fig.1 Geometric parameters of specimens(unit: mm)

图2 试样试验结果Fig.2 Specimens after test

低温拉伸试验的材质类型包括Q345B角钢、Q345B焊接接头、Q420C角钢和Q420C焊接接头。选用的主材角钢规格分别为L125×12，L140×14，L160×16(分别记为12，14和16 mm)，选用的焊接板材厚度分别为12，14，16 mm。试验温度包括室温(20 ℃)，-10，-20，-45 ℃，共计完成了144个试样的拉伸试验。低温冲击试验的钢材类型、角钢型号和焊接板材厚度与拉伸试验相同，试验时采用的温度分别为室温(20 ℃)，-10 ℃(Q345B角钢)，-20，-45，-60 ℃(Q345B焊接接头、Q420C角钢及其焊接接头)，共计完成了144个试样的冲击试验。具体试验清单如表1所示。

表1 冲击试验和拉伸试验清单

2 拉伸试验结果分析

2.1 强度指标

如图3所示分别为Q345B角钢、Q345B焊接、Q420C角钢和Q420C焊接4种材质，在20，-10，-20和-45 ℃ 4种不同温度下，抗拉强度随温度的变化曲线，图中抗拉强度为同一钢材，在相同试验条件下3个试样试验结果的平均值。

图3 抗拉强度Fig.3 Tensile strength

从图3(a)可以看出，12 mmQ345B角钢，在20 ℃(常温)时，抗拉强度为566.67 MPa，在-10，-20，-45 ℃时，抗拉强度分别为574.50，588.33，609.67 MPa，可见在低温环境下，Q345B角钢的抗拉强度是有所提高的。14和16 mm的Q345B角钢也有相同的规律。

从图3(b)～(d)中可以看出，Q345B焊接、Q420C角钢和Q420C焊接在低温环境下的抗拉强度也略有提高。但是随温度的降低，抗拉强度并非单调增加，如12 mm Q420C焊接，在20 ℃(常温)时，抗拉强度为555.67 MPa，在-10，-20，-45 ℃时，抗拉强度分别为547.67，580.33，573.00 MPa；16 mm Q420C焊接，在20 ℃(常温)时，抗拉强度为595.33 MPa，在-10，-20，-45 ℃时，抗拉强度分别为583.33，619.33，639.67 MPa。可见以上两种厚度的Q420C焊接试样，在-10 ℃时的抗拉强度略低于常温环境，但在-20和-45 ℃的抗拉强度仍高于常温。总的来说，在-45 ℃的高寒地区上述四种钢材的抗拉强度都会略有提高。

从图3还可以看出，钢材的厚度不同，其抗拉强度值也差异明显，以Q345B角钢为例，12，14，16 mm 3种不同厚度的Q345B角钢，抗拉强度变化范围分别为555.67～609.67 MPa，582.33～629.00 MPa和535.67～572.00 MPa，其中厚度为14 mm的Q345B角钢抗拉强度最高，厚度为16 mm最低，不同厚度Q345B角钢的抗拉强度最大差值在50 MPa左右。可见虽然厚度对钢材抗拉强度影响比较显著，但在12～16 mm这3个厚度规格中，并非厚度越薄钢材的抗拉强度越高，厚度与抗拉强度的大小没有确定性的关系。同样的，可以看出Q345B焊接接头、Q420C角钢和焊接接头也有相同的规律。

为了研究焊接对钢材低温拉伸力学性能的影响，将图3(a)～(c)和图3(b)(d)进行对比可以发现，Q345B和Q420C的母材都比焊接接头抗拉强度高，差值在50～100 MPa之间，说明焊接会降低钢材的抗拉强度。

为了更好地研究低温对屈服强度和屈强比的影响规律，将同一类钢材在相同温度下，对9个试样试验结果取平均值。Q345B角钢、Q345B焊接、Q420C角钢和Q420C焊接4种钢材，在20，-10，-20和-45 ℃ 4种不同温度下的屈服强度和屈强比随温度变化的曲线，如图4所示。

图4 强度指标Fig.4 Strength index

从图4(a)可以看出，在-45℃的高寒地区，上述4种钢材的屈服强度都会有所提高，但屈服强度并非随着温度降低单调增加，这与抗拉强度的变化规律类似。从图中还可以看出，Q420C焊接的屈服强度均低于其母材的屈服强度，而Q345B焊接的屈服强度则均高于其母材的屈服强度，可见在低温条件下Q345B的焊接性能优于Q420C。

从图4(b)可看出，Q345B角钢和焊接在20 ℃(常温)时，屈强比分别为0.69和0.79，在-10，-20，-45 ℃时，屈强比分别为0.71，0.72，0.71和0.78，0.81，0.80。Q420C角钢和焊接在20 ℃(常温)时，屈强比分别为0.75和0.80，在-10，-20，-45 ℃时，屈强比分别为0.75，0.78，0.75和0.81，0.83，0.84。可见在低温条件下，钢材的屈强比略有提高，材料抵抗变形的能力变弱。同时从图中还可以看出，Q345B和Q420C焊接接头的屈强比都高于母材，说明焊接接头抵抗变形能力更弱，低温下更容易发生冷脆破坏。

2.2 塑性指标

图5所示为Q345B角钢、Q345B焊接、Q420C角钢和Q420C焊接4种钢材，在室温(20 ℃)，-10，-20和-45 ℃ 4种不同温度下的断后延伸率随温度变化曲线。图中断后延伸率为同一类钢材，在相同条件下3个试样试验结果的平均值。

图5 断后延伸率Fig.5 Specimens elongation

从图5(a)看出，室温(20 ℃)时厚度为12 mm厚的Q345B角钢断后延伸率为31.67%，温度降低到-45 ℃后断后延伸率降至29.37%。同样的室温(20 ℃)时厚度为14和16 mm的Q345B角钢的断后延伸率分别为27.23%和34.00%，温度降低到-45 ℃后断后延伸率分别降至26.67%和32.00%。可见在低温条件下，Q345B角钢的断后延伸率略有降低，塑性变差。

然而，从图5(b)可以看出，在低温条件下Q345B焊接接头的断后延伸率却略有升高，塑性变好。室温(20℃)时厚度为12，14和16 mm的Q345B焊接接头断后延伸率分别为25.87%，18.10%和25.63%，当温度降低到-45 ℃时其断后延伸率分别增加至26.53%，23.30%和27.13%。

同理，从图5(c)(d)可以看出，低温使Q420C角钢的断后延伸率略有升高，塑性变好，12 mmQ420C焊接接头的断后延伸率略有升高，14和16 mm Q420C焊接接头的断后延伸率略有降低。

综上，Q420C角钢在低温条件下的塑性变形能力优于Q345B角钢，而Q345B材质在低温下的焊接性能优于Q420C。

3 冲击试验结果分析

本研究采用形如式(1)的Boltzmann函数对冲击功和温度的关系进行回归分析。大量的试验与实践表明[17-19]，该方法具有较好的相关性和较小的残差，而且函数各参数的物理意义明确，可以很好地描述冲击功与温度之间的关系。

Boltzmann函数的表达式为

(1)

其中：函数y为冲击功(J)；A1，A2分别为上下平台能(J)；t0和Δt表征了材料的温度特性，t0为韧脆转变温度(℃)，Δt为韧脆转变速率(℃)，Δt越小，转变温度区的跨越温度范围越窄，材料就越容易由塑性向脆性转变。

如图6(a)所示为12，14，16 mm厚度Q345B角钢，在20，-10，-20，-45 ℃时对应的冲击功结果。将相同厚度的Q345B角钢，在4种不同温度下的12个冲击试验结果用Boltzmann函数进行拟合，其结果如图6(a)(c)所示。

同样道理，分别对Q420C角钢、Q345B焊接接头、Q420C焊接接头的冲击试验结果进行拟合，其结果分别如图6(b)～(d)所示。

图6 低温冲击试验结果Fig.6 Low temperature impact test results

从图6中看出，两种材质的角钢和焊接接头，其冲击功都随着温度的降低而降低，并且达到某个温度点后，随着温度的降低其冲击功值迅速下降。

将12个Boltzmann函数拟合曲线结果进行整理，从而得到如：下平台值A1、上平台值A2、脆韧转变温度t0、转变温度区Δt，汇总结果如表2所示。

从表2可以看出，对于Q345B角钢，在厚度分别为12，14和16 mm时，其韧脆转变温度分别为-1.51，-5.04和-1.22 ℃，这与文献[6]中得到Q345B角钢的韧脆转变温度-3.94 ℃基本一致。

表2 Boltzmann函数拟合结果

通过对比在同一材质下，不同厚度的t0和Δt，可以发现厚度对Q345B角钢、Q345B焊接、Q420C角钢和Q420C焊接的韧脆转变温度和韧脆转变速率的有一定影响，但没有明显规律。从韧脆转变温度来看，Q345B角钢及其焊接接头，在厚度为14 mm厚时的低温冲击韧性最好，而Q420C角钢及其焊接接头，在厚度为12 mm时低温冲击韧性略优。

为了比较不同材质对冲击韧性的影响，对同一材质下3种不同厚度的韧脆转变温度取平均值，从表2可以看出，Q345B角钢、Q345B焊接、Q420C角钢和Q420C焊接接头的韧脆转变温度分别为-2.59，-15.28，-32.33和-6.76 ℃。显然，Q420C角钢抵抗低温冷脆破坏的能力要远优于Q345B角钢。同时，通过对比Q345B角钢和Q345B焊接的韧脆转变温度可以发现，Q345B焊接接头的耐低温脆断能力强于母材。相反，Q420C焊接接头的耐低温冷脆能力要远低于其母材，甚至Q420C焊接接头耐低温脆断的能力还不如Q345B焊接接头。

在最不利的情况下，根据拟合曲线求得16 mm厚的Q345B角钢在0 ℃的冲击功吸收值为45 J，因此Q345B和Q420C母材和焊材都满足规范[20]中20和0 ℃时冲击功≥34 J的规定。但是当温度达到-45 ℃时，只有Q420C角钢满足冲击功≥34 J的要求。

4 结 论

1) 在-45 ℃的高寒地区，低温会使4种钢材的抗拉强度和屈服强度均有所提高。低温条件下不同厚度钢材的抗拉强度有差异，但并非厚度越薄钢材的抗拉强度越高。

2) Q345B角钢、Q345B焊接、Q420C角钢和Q420C焊接的韧脆转变温度分别为-2.59，-15.28，-32.33和-6.76 ℃，Q420C角钢抵抗低温冷脆破坏的能力要远优于Q345B角钢，在-45 ℃的高寒地区的输电铁塔，使用Q345B角钢是不安全的，而Q420C角钢可以满足设计要求。

3) 焊接会降低Q420C角钢的抗拉强度和屈服强度，使屈强比增大。在低温条件下，焊接会极大地降低Q420C角钢抵抗低温脆断的能力，因此在-45 ℃的高寒地区的输电铁塔，尽量避免对Q420C进行焊接。

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国家自然科学基金资助项目(51408221)；河北省自然科学基金资助项目(E2015502016)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014ZD36)；国网内蒙古东部电力有限公司科技资助项目(SGMDJY00JSJS1500027)

2016-12-10；

2017-03-15

TH142

江文强，男，1980年5月生，博士、讲师、硕士生导师。主要研究方向为电力设备强度与安全、输电线路防灾及抗灾等。曾发表《Accurate modeling of joint effects in lattice transmission towers》(《Engineering Structures》2011,Vol.33,No.5)等论文。

E-mail：jwq1980@hotmail.com