输电铁塔角钢的低温冲击韧性试验研究

石 强 王烨迪 江文强,* 安利强

(1.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;2.华北电力大学机械工程系,保定 071003)

0 引 言

随着我国电网建设的推进,越来越多的超特高压输电线路通过寒冷地区,这些地区冬季最低温度可能达到-45 ℃。低温很容易引起输电铁塔角钢的低温冷脆破坏,近年来国内发生多起由于低温环境引起的输电铁塔倒塔事故[1-2],事故的发生会导致电力系统瘫痪,严重影响社会的正常生产和生活秩序。因此,研究输电线路铁塔材料的低温力学性能,防止铁塔结构发生低温脆断,提出铁塔材料的选材原则,这对于超特高压输电线路工程中具有重要意义。

输电铁塔用钢在常温下一般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,近年来,大量文献针对钢材的低温力学性能进行了研究。清华大学的林云、王元清等[3-6]对14 mm的Q460C高强钢进行了低温拉伸、冲击韧性、三点弯曲试验,发现随着温度的降低,Q460C钢材的强度升高,塑性降低,在低于-40.7 ℃时,Q460C极易从韧性向脆性转变而发生脆断。之后,他们又对四种不同厚度的Q345B钢板进行了低温力学性能试验,结果发现随温度的降低,厚板的屈服强度和抗拉强度增大而断面收缩率减小;由钢板表面至中心,横向试样的断面收缩率呈下降趋势;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。廖小伟等[7]对输电铁塔用钢,进行了试验研究,将试验结果对比分析,评价了钢管和角钢钢材的塑性指标,给出了钢管和角钢钢材的韧脆转变温度。Liu等[8-9]在以上试验的基础上增加了焊接接头的对比,得到了在焊接接头热影响区比基本材料更容易发脆的结论。

大量文献对钢材的低温力学性能进行了研究,并指出钢材的低温力学性能与材质、截面形状及厚度等因素有关,然而目前针对输电铁塔角钢Q420C低温力学性能的研究却相对较少,也缺乏对不同规格和厚度的角钢低温力学性能进行系统的研究。本文主要针对超特高压输电铁塔中常用的Q345B、Q420C材质角钢及其焊接接头,通过低温冲击试验,研究不同材质、不同规格角钢的低温冲击性能,分析低温对输电铁塔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

本文试验主要研究Q345B和Q420C材质角钢及其焊接接头的低温力学性能,采用的试验标准为GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》[10],具体试验清单如表1所示。

表1输电铁塔角钢低温冲击试验

Table 1 Low temperature impact tests of the transmission tower angle steel

试验的钢材类型包括Q345B塔材、Q420C塔材、Q345B焊接接头以及Q420C焊接接头。加工冲击试样时,采用的角钢型号分别为L125×12、L140×14、L160×16(分别记为12 mm、14 mm和16 mm),焊接板材厚度分别为12 mm、14 mm、16 mm。试验时采用的温度包括:室温,-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个试样的低温冲击试验。

如图1和图2所示为冲击试样的取样位置图和冲击试样的几何尺寸图。冲击试样的加工及取样参考标准为《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》(GB/T 2975—1998)[11]。如图3所示为冲击试验完成后的试样破坏情况图。

图1 冲击试样取样位置Fig.1 Location of impact specimens

图2 冲击试样几何尺寸(单位:mm)Fig.2 Geometric parameters of impact specimens (Unit:mm)

图3 试验完成后的冲击试样Fig.3 Impact specimens after the test

2 钢材的温度特性

韧脆转变温度是衡量钢材脆性转变倾向的重要指标,工程中常常将其作为防止低温脆断的重要判据,它决定了钢材的应用范围。因此了解输电铁塔角钢的韧脆转变温度不仅对于预测其低温断裂行为有着重要的作用,同时也可以为输电线路工程设计提供依据。

目前确定钢材的韧脆转变温度的常用方法有以下几种[12-14]:

方法1:钢材的吸收冲击功值降低至正常吸收功的50%～60%时所对应的温度。

方法2:吸收冲击功值降至某一特定的、所允许的最低冲击吸收功值时,所对应的温度。

方法3:最大与最小吸收冲击功值求平均值,取其平均值所对应的温度。

方法4:断口中晶状断面率达到50%时,所对应的温度。

在确定韧脆转变温度之前,首先需要对试验数据进行拟合,大量的试验与文献实践表明[15-19],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时,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)

从图4可以看出,当试验温度t→+∞时,则冲击功A→A2,它相当于拟合曲线的上平台;当试验温度t→-∞时,则冲击功A→A1,它相当于拟合曲线的下平台;当t→t0时,则A→(A1+A2)/2,它符合第三种方法所确定的韧脆转变温度。其中,t2=t0+2Δt表示上拐点转变温度,t1=t0-2Δt表示下拐点转变温度,ΔT=4Δt表示转变温度区间。t0和Δt表征了材料的温度特性,Δt与材料特性有关,它反映了韧脆转变速率,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。

3 试验结果分析

如图5所示为本文研究的Q345B和Q420C角钢和焊接接头的低温冲击试验结果。从图中可以看出,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。

图4 Boltzmann函数Fig.4 Boltzmann function

如图5(a)所示为12 mm、14 mm、16 mm厚度Q345B角钢,在室温、-10 ℃、-20 ℃、-45 ℃时对应的冲击功结果。将三种厚度的Q345B角钢,对四种不同温度下的12个冲击试验结果用Boltzmann函数进行拟合,其结果如图5(a)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5(b)-图5(c)所示。

根据韧脆转变温度的确定方法1和方法3,本文将拟合的12个Boltzmann函数的结果进行了整理,从而得到钢材的吸收冲击功值降低至正常吸收功的50%～60%时所对应的温度(方法1)以及最大与最小吸收冲击功值的平均值所对应的温度(方法3),结果汇总如表2所示。

由表2可以看出,根据方法1确定的Q345B角钢韧脆转变温度范围为-3.74 ℃～-0.30 ℃;Q420C角钢韧脆转变温度范围为-36.53 ℃～-31.32 ℃;Q345B焊接韧脆转变温度范围为-17.95 ℃～-13.40 ℃;Q420C焊接韧脆转变温度范围为-10.58 ℃～-3.65 ℃。而根据方法3确定的韧脆转变温度恰好都处于方法1确定韧脆转变温度范围之内,可见两种方法得到的韧脆转变温度基本一致。下面以方法3确定的韧脆转变温度值为例进行分析。

从表2可以看出,对于Q345B角钢,在厚度分别为12 mm、14 mm和16 mm时,其韧脆转变温度分别为-1.51 ℃、-5.04 ℃和-1.22 ℃,这与文献中得到Q345B角钢的韧脆转变温度-3.94 ℃基本一致[7]。

图5 低温冲击试验结果Fig.5 Experimental results of cryogenic charpy impact

表2韧脆转变温度结果

Table 2 Ductile-brittle transition temperature results

同时从表2可以看出角钢厚度对Q345B角钢的韧脆转变温度和韧脆转变速率影响不大,并且随着厚度的增大,其韧脆转变温度并没有明显的增加或者减小的趋势。同样地,厚度对Q420C角钢、Q345B焊接接头和Q420C焊接接头的影响也没有明显的规律,但厚度对Q420C角钢和Q345B焊接接头的韧脆转变温度影响较大,如14 mm厚Q345B焊接接头的韧脆转变温度为-22.81 ℃,而12 mm和16 mm厚Q345B焊接接头的韧脆转变温度则分别为-10.86 ℃和-12.17 ℃,其差异较为明显。

因此可见,厚度对Q345B和Q420C输电铁塔角钢的韧脆转变温度和韧脆转变速率的影响没有明显规律,但从韧脆转变温度来看,Q345B的角钢及其焊接接头的厚度为14 mm厚时的低温冲击韧性最好,而Q420C的角钢及其焊接接头的厚度为12 mm时低温冲击韧性略优。

通过Q345B角钢和Q420C角钢的韧脆转变温度的对比可以发现,Q345B角钢的平均韧脆转变温度为-2.59 ℃,而Q420C角钢的韧脆转变温度为-32.33 ℃,可见Q420C抵抗低温冷脆破坏的能力要远优于Q345B。同理,通过对比Q345B焊接接头和Q420C焊接接头的韧脆转变温度可以发现,Q345B钢材焊缝的耐低温能力反而要优于Q420C钢材。

通过对比Q345B角钢和Q345B焊接接头的韧脆转变温度可以发现,Q345B焊接接头的韧脆转变温度为-15.28 ℃,低于Q345B角钢的韧脆转变温度-2.59 ℃,这说明Q345B钢材焊缝的耐低温脆断能力强于母材。相反,Q420C角钢的韧脆转变温度为-32.33 ℃,而Q420C焊接接头的韧脆转变温度为-6.76 ℃,可见Q420C钢材焊缝的耐低温冷脆能力要远低于其母材。

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45J,所以不论厚度如何,Q345B和Q420C母材和焊材都满足规范中20 ℃和0 ℃时冲击功≥34J的规定[20]。但是当温度达到-45 ℃时只有Q420C角钢满足冲击功≥34J的要求。

综上所述,厚度对Q345B和Q420C输电铁塔角钢的韧脆转变温度和韧脆转变速率有影响,但没有明显规律;Q345B角钢钢材的韧脆转变温度明显高于Q420C角钢,但是Q345B焊接接头的韧脆转变温度却高于Q420C焊接接头;只有Q420C角钢可用于-45 ℃低温环境中且满足规范要求。

4 结 论

本课题针对超特高压输电线路铁塔中常用的Q345B和Q420C塔材及焊缝进行了低温冲击试验,分析了它们的低温冲击力学性能,得到如下结论:

(1) 两种材质角钢和焊接接头的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。

(2) 厚度对Q345B和Q420C输电铁塔角钢的韧脆转变温度和韧脆转变速率有影响,但没有明显规律,其中Q345B的角钢及其焊接接头的厚度为14 mm厚时的低温冲击韧性最好,而Q420C的的角钢及其焊接接头的厚度为12 mm时低温冲击韧性略优。

(3) Q420C角钢抵抗低温冷脆破坏的能力要远优于Q345B角钢,并且可以用于-45 ℃的低温环境。

(4) Q345B钢材焊缝的耐低温脆断能力强于母材,Q420C钢材焊缝的耐低温冷脆能力要远低于其母材,则Q345B的耐焊性优于Q420C钢材。在低温环境下,应该尽量避免对Q420C钢材进行焊接处理。

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