寒冷地区输电线路金具材料的试验研究与选择

王宝东，姜喜全，陈 平，温中华，杨青坤，路永清，柏立芳

(四平线路器材厂，吉林 四平 136001)

输电线路金具主要由金属材料制成，随着温度的降低，大多数金属材料的屈服强度有所增加，而韧性下降。当温度降到某一临界温度时，冲击韧性急剧下降，会突然发生脆断，且断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大［1］。近年来，随着中国电网建设的不断加强，金具材料的低温韧性问题越来越受到人们的关注。我国北方地区冬季最低温度可达到－50℃，为确保输电线路的安全运行，开展低温金具性能研究非常必要。本文通过对不同寒冷地区使用的金具进行调研，并结合对7种金属材料的力学性能试验，对寒冷地区输电线路金具材料进行了研究与选择。

1 常用金具材料的低温特性及试验

制造输电线路金具材料很多，有碳素结构钢、合金结构钢、不锈钢、可锻铸铁、铸钢、纯铝以及铝合金等。由金属材料的特性可知，铝、铝合金及可锻铸铁制造的金具在低温条件下运行没有问题，而碳素结构钢及其合金材料在低温条件下使用就要考虑温度对材料的影响了。

通过对材料进行初选，对常用输电线路金具使用的不同碳素钢及合金钢材料的抗拉强度、延伸率、冲击韧性3种力学性能进行了试验，其中抗拉强度σb、延伸率δ5试验分别在0℃和－50℃条件下进行，冲击韧性试验分别选取 20、0、－20、－35、－50、－65℃条件下进行。

1.1 抗拉强度、延伸率机械性能试验

选用 35CrMo、35、Q235A、40Cr、Q345B、ZL102、1050A 7种材料在0℃和－50℃条件下进行试棒抗拉强度、延伸率试验，结果见表1。

a.各种材料抗拉强度(σb)－50℃试验值均高于0℃的试验值，且本次试验0℃及－50℃试验值均高于GB/T 1591—2008《低合金高浓度结构钢》要求。

表1 试棒抗拉强度、延伸率试验结果

b.各种材料延伸率(δ5)0℃及－50℃的试验值 相差甚少，且均大于GB/T 1591—2008要求值。

1.2 冲击韧性试验

冲击韧性的优劣用试验的冲击吸收功的大小来表示，试验所选用的试块缺口通常有V形和U形，此次试验选用V形缺口的试块。不同温度下各种材料的试块冲击韧性试验结果见表2。

表2 不同试验温度下冲击吸收功Akv平均值 J

a.Q345C及Q345B随着温度的降低，冲击功值有所下降，表现出一定的低温脆性，Q345C及Q345B均具备有较高的冲击韧性，而且Q345C比Q345B更高。Q345C及Q345B试验所得各温度下的冲击吸收功远大于GB/T 1591—2008标准规定的要求，在一定的低温范围内使用Q345C及Q345B是安全的。

b.Q235B与Q235C随着温度的降低，冲击功值明显下降，呈现了清晰的韧脆转变温度，且低温脆性特征十分明显，在－35℃以下冲击功值已低于GB/T 1591—2008标准规定的要求。Q235B与Q235C二者的冲击韧性相差不大而以Q235C较好，尤其在－50～－20℃范围内，这一优势更加明显，Q235C与Q235B相比，更适合在－20℃以下的低温地区使用。

c.Q235及Q345钢的低温冲击试验与现行有关标准相对应问题。对低温用Q235及Q345钢材的选择，有关规程规定早已有明确要求。GB 50017—2003《钢结构设计规范》第 3.3.4条规定:“对需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于0℃但高于－20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证。”国家电网公司颁布的《输电线路全寿命周期设计建设技术导则(试行)》第7.7.7条规定:当极端最低气温低于－40℃时，Q235、Q345焊接构件质量等级应满足不低于C级钢的质量要求，螺栓孔采用钻孔工艺。由以上两规程规定所述要求，以及所做Q235及Q345钢材的冲击韧性试验结果，在一定的低温范围内可以使用Q345C及Q345B。

d.35CrMo与40Cr两种钢材的冲击吸收功均随试验温度的下降而下降，但下降速度缓慢，表现其低温脆性转变不明显，35CrMo和40Cr在低温情况下(0℃以下)的冲击韧性试验值均大于Q235C，两种材料均可用于低温金具制造。但35CrMo、40Cr的抗冲击性能受到热处理技术水平影响较大，采用该材料制造产品时的生产工艺相对复杂。

e.35号钢低温冲击韧性较差，不适应在寒冷低温地区使用。

2 目前金具材料的适用性分析

2.1 铝及铝合金

纯铝主要用于制造有导电性能要求的金具，如压缩型耐张线夹等。当采用铸造方法时，材料牌号选用Al99.5，当选用铝合金型材时，材料代号选用1050A。铝合金材料多用于悬垂线夹、间隔棒等，要求具有一定的抗拉强度。电力金具材料选用铝合金为铝硅系铝合金，使用的合金代号为ZL102、ZL104和ZL101A。通过前面的低温特性分析可知这些材料在普通地区及寒冷地区均可使用。

2.2 可锻铸铁

可锻铸铁是金具应用较早的一种材料，如97定型金具产品XGU型悬垂线夹、NLD型耐张线夹等均使用该材料，牌号为KTH-330-08，韧脆转变温度可达－63.96℃，在普通地区及寒冷地区均可使用。

2.3 钢及钢合金

钢及钢合金在金具产品中应用较多，尤其是连接金具几乎采用的都是钢或钢合金。球头挂环类产品采用的材料有Q235A、40、40Cr，U型挂环等锻件采用的材料有Q235A、35、35CrMo，板件类产品材料选用Q235A和Q345B。通过前面的低温特性及试验分析可知，钢及钢合金材料仅适合在普通地区，而不是寒冷地区使用的最优材料。

3 寒冷地区主要金具的材料选择

通过对材料的低温特性及试验结果分析，铝及铝合金、可锻铸铁制造的金具在寒冷地区使用没有任何问题。根据不同寒冷地区金具的运行经验，同时兼顾材料的经济性、工艺性和普遍性，按照产品的使用状态和设计裕度对产品进行了分类，给出下类产品在寒冷地区时建议选用的材料。

3.1 球头挂环类产品

球头挂环类产品，应采用35CrMo制造。该类产品受连接标准制约，破坏载荷裕度相对较小，且受力复杂，也是运行的输电线路金具发生事故最多的部件。因35CrMo材料低温冲击韧性较好，且具有高的抗拉强度、冲击韧度及较高的疲劳强度，抗拉强度在980 MPa以上，适合制造球头挂环类产品。

3.2 U型挂环等锻件产品

U型挂环等锻件连接金具采用40Cr制造。40Cr比35CrMo制造成本低，制造工艺也相对简单，韧脆转变温度约为－50℃，适宜制造锻件连接金具。

3.3 板件类产品

按照GB/T 2315—2008《电力金具标称破坏载荷系列及连接型式尺寸》划分的标称荷重标记号，板件类产品标称荷重标记为4～12时，材料选用Q235C，标称荷重标记 16及以上时，材料选用Q345C。该类产品设计裕度大、形状简单、没有制造的分散性，Q235C和Q345C具有0℃时冲击韧性的合格保证，满足GB 50017—2003第3.3.4条中的相关规定，可以用在寒冷地区。

4 普通地区和寒冷地区线路金具选用材料对比

普通地区线路金具选用材料范围较大，而寒冷地区由于金属材料韧性的下降，会使金具发生脆断，金属材料的使用会受到限制。普通地区和寒冷地区线路金具选用材料对比见表3。

5 结束语

表3 普通地区和寒冷地区线路金具选用材料对比

本文对寒冷地区输电线路金具选材进行了试验与研究，针对输电线路主要金具所涉及的7种金属材质进行了常温(0℃)及低温(－50℃)抗拉强度及延伸率的静态对比试验，并进行了7种金属材料常温及低温(+20℃、0℃、－20℃、－35℃、－50℃、－65℃)的冲击韧性试验，为今后寒冷地区输电线路的金具产品设计及制造提供了充实的技术依据。通过对试验结果分析，给出寒冷地区主要金具的材料选择为:球头挂环类产品选用35CrMo、U型挂环等锻件连接金具选40Cr、板件类产品材料选用Q235C和Q345C。