输电线路大规格高强度钢材低温力学性能研究

刘生昊 徐 斐 王烨迪

（1、国网青海省电力公司建设公司，青海 西宁810000 2、电建武汉铁塔有限公司，湖北 武汉430010）

1 概述

2008 年，在我国南方各省，突然爆发了大雪灾，由于覆冰造成的塔身偏重和钢材强度不足等原因，导致输电铁塔的大规模倒塌，造成大面积的停电，不仅给人民生活带来极大的不便，还对我国的经济建设造成了极大的损失[1]。说明我国迫切的需要增强输变电技术的研究，来提高我国铁塔的制造质量和制造水平。

为了加强铁塔承载能力，同时减轻塔重、特高压输电线路铁塔的塔材采用低合金高强钢，如Q345、Q420 和Q460 等钢材，可以加强铁塔的承载能力、减轻铁塔的重量、节省铁塔钢材的消耗，从而提高经济效益[2]。

本文项目来源于德令哈（托索）750kV 输变电工程，故针对Q420 高强钢的生产、制造和应用等相关问题进行了调研，发现在全国范围内9 条线路工程的建设中进行试点，其中包括：武北～锡东南π 接入锡西南线路、500kV 辽吉线路、750kV 兰州东～宁东线路等。

这些输电线路工程的共计长度为964km，其中有9800 吨角钢钢材和938 吨钢板钢材采用的是Q420 高强钢，最后统计约节省工程造价560 万元[3]。

2 高强钢应用参数研究

2.1 钢材性能参数比较

钢材的强度设计值，根据《GB 50545-2010 110kV～750kV架空输电线路设计规范》[4]，应按表1 的规定确定。如表1 所示，可以直观的看出Q235 碳素结构钢、Q345 和Q420 低合金高强钢的强度设计值和不同钢材之间的提升比例。

2.2 四种塔型的理论经济性比较

本文选取了四种常用塔型作为例塔，分别为：500kV 和750kV 直线角钢塔及其耐张角钢塔。

采用的钢材分别为Q345 钢和Q420 钢来进行计算，通过塔材的消耗的重量以及钢材的价格比较，得出在特高压铁塔上应用Q420 高强钢的经济效益。综合这四种塔型的计算比较结果[3]，见表2。

如表2 可知，随着铁塔的荷载和主材规格的增大，应用Q420 高强钢的塔材耗量和成本价都有所降低。所以在特高压输电线路中合理的应用高强钢，不仅通过可以减少铁塔的重量、延长铁塔的使用寿命，带来经济效益，还可以通过减小线路走廊、缩小占地面积，从而带来社会效益。

表1 钢材强度设计值

表2 四种塔型计算比较结果

3 高强钢焊接力学性能试验研究

3.1 试验概述

高强钢强度提高，其焊接性也随之变差。Q345 低合金高强钢的强度适中、焊接性极佳，所以应用较为广泛。而《GB50661-2011 钢结构焊接规范》[5]中将Q420 划分为较难焊接金属，Q460 划分为难焊接金属。

本项目来源于德令哈（托索）750kV 输变电工程，故针对Q420B 钢材进行试验研究。其中《GB/T 228-2002》、《GB/T 13239-2006 》为拉伸试验参考标准；《GB/T 229-2007》为冲击试验参考标准；《GB/T 2975-1998》为试验试样的加工取样参考标准。

3.2 拉伸试验结果分析

首先，将同一种试验钢材，在相同试验条件下的得到的抗拉强度和屈服强度结果取平均值，然后，得到Q420B 母材和焊接接头的抗拉强度和屈服强度，在40℃、20℃、0℃、-20℃和-40℃的强度变化曲线，如图1 所示。

由图1 可以发现，两种钢材的抗拉强度和屈服强度都随着温度的降低而升高。通过拉伸试验可以很直观的发现，焊接会破坏高强钢的强度。

3.3 冲击试验结果分析

本文研究冲击功和温度关系的函数为Boltzmann 函数，表达式为式（1）

y=A1-A21+e（t-t0）/Δt+A2 （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 代表韧脆转变温度（℃），Δt反映韧脆转变速率（℃）。

图1 强度变化曲线

将Q420B 母材和焊接接头的试验结果根据Boltzmann 函数进行分析，如图2 所示。

图2 冲击试验结果

如图2 所示，随着温度的降低，两种材质的角钢的冲击功值会降低，同时可以发现，到达韧脆转变温度点之后，冲击功值随温度的下降速度增加。

从图2 中还可以看出，在40℃、20℃，0℃，-20℃、-40℃五个温度点，Q420B 焊接接头的冲击功值的平均值都比其母材低，说明焊接会破坏高强钢的韧性。

4 高强钢焊接加工工艺研究

输电铁塔对塔材的焊接工艺要求很高，不仅需要焊材与母材具有相当的强度、韧性和塑性，还需要其焊后裂纹率低，不出现层状撕裂现象。通过对高强钢在输电线路工程中的应用情况进行调研，发现铁塔塔材的冷加工工艺，对于高强钢和普通钢区别不大，并且高强钢的剪切、制弯、火曲和打孔等主要加工工艺可以满足要求；但是在高强钢的焊接塔材过程中，避免冷裂纹和层状撕裂等现象的加工技术能力有所欠缺，所以高强钢的焊接加工工艺需进一步完善。

4.1 质量控制工艺

只有保证了焊接工艺的合理性和有效性，才能保证低合金高强钢焊接接头的良好焊接质量。在高强钢加工及焊接时，必须对每个工序做好记录，并且对每一道工序加强质量控制、焊接过程的管理和结果的检验。

4.2 焊后冷裂纹防止措施工艺

虽然高强钢有良好的力学性能，但是由于低合金高强钢的碳当量偏高，使其焊后冷裂纹、热裂倾向和再热裂纹出现概率增加。这种焊接劣化现象对高强钢在输电线路工程中的应用推广极为不利。

5 结论

根据输电线路工程中，铁塔的设计和实际生产情况，优化高强钢的焊接加工工艺，加强各工序的质量控制，来保证焊后冷裂纹防止措施工艺的实施，可以保障高强钢在铁塔应用中的可靠性和安全性。在工业制造中，自动化焊接技术可以降低劳动强度、提高焊接效率，在保证焊接质量的基础上，推广自动化焊接技术将成为制造工业现代化发展的必然趋势。