低温环境下杆塔材质选择及应用研究

华北电力大学（北京） 北京 100000

正文：

1、现阶段铁塔设计使用钢材现状

2010年6月以来，中国电力科学研究院对北方（包括东北、华北、西北）地区500kV及以上输电线路的设计应用情况进行 了调研，主要成果有：

（1）目前已投入运行的500kV线路杆塔钢材基本为Q235B和Q345B两种。

（2）已投运的750kV线路：由中南院设计的拉西瓦-官亭输电线路（官亭侧）杆塔主材为Q345B级钢材；官亭-西宁输电线路（官古段）杆塔主材部分使用了Q420B级钢材。由宁夏院设计的银川东-黄河π接黄河变工程和贺兰山-黄河（枣园南段）工程使用的均为Q420B角钢。以上几条线路均处在严寒地区和寒冷地区的交界地带。

（3）1000kV线路：晋东南-南阳-荆门输电线路杆塔主材为Q345B和Q420B级钢材。

（4）由东北院设计的庆云-鸡西500kV输电线路和七庆方500kV双回路线路使用了Q420C级角钢。

（5）在调研的已投运项目中，均未出现过倒塔和塔材失效事故。

2、影响钢材低温冷脆的因素

2.1、化学成分的影响

降低含碳量有利于提高钢材的低温韧性，在一般含量范围，每增加0.01%的碳，将提高冷脆转变温度（1～2）℃。同时，降低碳含量还可改善钢材的焊接性，但过低的含碳量会造成钢材强度降低。为此，一般提高锰含量，当锰含量低于1.5%时，一般每增加0.01%的锰，将降低冷脆转变温度0.5℃左右。此外，磷含量增加0.01%，冷脆转变温度会提高（4～7）℃，硫含量在（0.02～0.04）%范围内，对冷脆转变温度影响不大，但易形成夹杂，影响钢材的性能，因此，对低温用钢的硫、磷含量应进行更严格的控制。

2.2、冶炼工艺、脱氧方法的影响

电炉炼钢与转炉炼钢相比，钢材的杂质含量、硫、磷含量均较低，低温用钢应采用电炉冶炼，必要时还应进行炉外精炼。脱氧方式不同使得钢有沸腾钢和镇静钢之分，沸腾钢成分偏析较严重，且钢锭中气孔、夹杂物等较多，疏松也较严重，因此，低温用钢均为镇静钢，如低合金高强度结构钢（GB/T1591 中的钢种）均为镇静钢。

2.3、制造加工的影响

在铁塔制造中，如切削、剪切下料、冲孔加工，会在构件表面形成切口或微裂纹，在低温下工作的构件脆性破坏首先会从这些地方开始，并迅速扩展，从而给铁塔运行带来很大的安全隐患。这种影响与材质类别、构件厚度有关。此外，焊接后在焊件表面形成的咬边、焊缝成形不良、未焊透等缺陷，以及焊接残余应力等，都会给低温运行构件带来不利影响。因此，对于高寒地区运行的输电铁塔，其制造质量要求应更高，对焊接工艺（如预热、后热、焊材选择、工艺控制）应进行更严格的控制。同时，在铁塔安装中，如在北方地区冬季施工，应避免冲击荷载的作用，还应尽量避免再加工，特别应避免焊接作业，因为低温焊接需要采取更多的特殊措施，才能保证焊接质量。

2.4、应力集中的影响

低温下工作的构件，发生脆性破坏时，大多发生在应力集中的部位。为此，开孔设计、尖锐或大曲率的孔角设计应尽可能避免，或进行补强。构件截面不宜突变，焊缝不要重叠、约束不宜过多等，在设计中都应引起注意。

2.5、钢材强度及构件厚度的影响

钢材的低温冷脆不仅与其工作温度有关，还与钢材强度等级和构件厚度有关。但随钢材强度等级的提高，同样工作温度、受力载荷下，构件的安全厚度随之减小。

3、给低温地区塔杆设计的几点建议

数值计算、传统设计方法等各方面的探索，给出以下几点低温地区设计建议：

（1）本工程途经内蒙、河北、天津、山东、江苏等地区，锡盟出线段约20km最低气温达到-40℃，其他区段最低气温为-35～-15℃之间。

（2）送电线路杆塔结构可按不属于“直接承受动力荷载且需进行疲劳验算的结构”考虑。

（3）所有杆塔的钢材均应满足不低于B级钢的质量要求。当最低温度不高于-40℃时，Q235、Q345焊接构件和Q420钢材质量等级应满足不低于C级钢的质量要求，Q460钢材质量等级应满足不低于D级钢的质量要求，螺栓孔采用钻孔工艺；当最低温度不高于-30℃时，Q460钢材质量等级不低于C级。

（4）所有对接焊缝不得低于二级焊缝。

（5）导地线挂点不宜采用高强钢。

（6）钢构件的制作和加工过程采取合理的技术措施，尽量避免在构件内部或表面造成缺陷和裂纹，构件内部应避免形成尖角造成应力集中；焊接时采用合理工艺以降低构件内部的残余应力，并保证焊接质量以减少焊接热影响对钢材韧性的影响。