低温区输电铁塔用Q420高强角钢试验研究

2022-01-06 08:52刘洪义刘育彤薜丽娜
电力勘测设计 2021年12期
关键词:韧窝角钢铁塔

刘洪义,刘育彤,薜丽娜

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,吉林 长春 130021)

0 引言

近年来,国内高电压等级、长距离、大容量的输电线路越来越多,输电杆塔承受的荷载越来越大,对输电铁塔用钢和服役可靠性的要求也越来越高。我国寒冷地区面积较大,尤其是在冬季,北方部分区域温度较低,而重要输电通道内的输电线路可能横贯不同气候条件的地区,Q420高强钢在低温寒冷地区工程中的采用量越来越大。因此,研制输电铁塔用低合金高强度角钢已成为重要课题,加强对于低合金高强度结构钢的低温韧性研究具有现实意义。

钢材因低温冷脆而产生的破坏不仅与材料本身的晶体结构、化学成分、晶粒尺寸和组织类型等内部因素相关,还与施载速度、应力集中、缺口类型和规格大小等外部因素相关。本文开展低温区输电铁塔用Q420高强角钢试验研究,以期从试验层面对Q420角钢的低温性能进行研究。

1 我国输电铁塔用钢状况

我国输电线路用钢在2000年以前主要以Q235和Q345为主,这主要是受制于当时我国钢铁企业的冶炼和轧制技术与装备水平。随着我国钢铁企业冶炼和轧制技术装备的提高,国家电网公司相继提出在全行业试点使用Q420B以及Q460B的钢材强度级别升级的项目。经过几年的运行,自2007年开始,Q420和Q460高强钢得以在我国推广应用,至此,我国的输电铁塔进入了高强钢时代。根据工程统计,特高压工程铁塔设计中Q420角钢约占铁塔总重40%左右。

我国北方很多地区冬季低温在-20 ℃以下,极端最低气温甚至达到-40 ℃以下。尤其是东北地区,属于寒温带和寒带气候,具有气温低、温差大等特征,低温的持续时间长;每年低温出现时间一般达到3个月至6个月,大、小兴安岭地区的年平均气温都在0℃以下。东北地区最冷月温度在-10~-30 ℃之间,大兴安岭地区各地极端最低温度的多年平均值大多在-40 ℃左右,而极值可达-45 ℃。钢材在常温下能够表现出良好的性能,在极低温度下却具有脆化的倾向,这一冷脆现象一直伴随着钢结构的发展过程。加上输电线路用角钢通常都要开出大量的螺丝孔,而且受力方向沿着挂点位置呈现出横向撕裂受力,沿螺丝孔位置的脆性断裂倾向也将增加。

2 国内外输电铁塔用钢低温性能比较

总结国内外输电铁塔常用结构钢及其低温性能,如表1所示。日本、欧美等发达国家或地区的输电铁塔用钢,在极低温度地区均提出了韧性指标。美国和加拿大用的角钢和钢管的牌号均为GR50和GR65,相当于我国的Q460C;俄罗斯西伯利亚某输油管线用钢K60,都要求-40 ℃夏比V型缺口冲击试验,冲击功不低于100 J,其铁塔用角钢强度为578 MPa,接近我国的Q590C。

表1 国内外输电铁塔常用结构钢及其低温性能

虽然国家标准GB 50017—2017《钢结构设计规范》[1]规定了Q235及Q345具有A、B、C、D四个等级,但是我国钢铁企业目前大都还不具备提供D、E两个级别的铁塔用钢。特别是近年来Q420和Q460两个强度的高强钢得到应用,钢材强度的变高也增加了材料的脆性。

3 韧脆转变温度确定

我国国家标准GB/T 700—2006《碳素结构钢》、GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》按照钢中的S、P含量及不同温度下的冲击吸收能量要求,将结构类钢材分成不同的质量等级,其中:Q235、Q345和Q420级钢的最低冲击吸收能量分别为27 J、34 J和34 J。根据GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》规定,以冲击吸收能量达到某一特定值时的温度做为韧脆转变温度。对Q345和Q420钢材,韧脆转变温度为冲击吸收能量达到34 J时的温度。考虑工程运行经验,可以采用冲击能量达到钢材规定值60%~70%(即21 J左右)时所对应的温度作为韧脆转变温度[2]。在该温度下,杆塔构件还有一定的防脆断能力,该温度可以理解为结构最低使用温度。

确定韧脆转变温度的方法较多,结果也较分散,以夏比V型缺口试验冲击功21 J对应的温度作为韧脆转变温度已被国际工程界广泛认可。美国土木工程协会(American Society of Civil Engineers,ASCE)在 ASCE/SEI 48—11《Design of Steel Transmission Pole Structures》[3]中关于钢材的规定也按21J取值。

因此,本文参考国内外的有关规定并结合工程实际,将以21 J为标准进行韧脆转变温度的确定。

4 Q420角钢的低温性能分析

为了准确分析Q420角钢在低温下的性能,选取Q420B级钢∠140×12 mm、∠200×24 mm、∠250× 30 mm、∠300×26 mm及Q420C级钢∠140×12 mm、∠180×16 mm、∠200×20 mm、∠200×24 mm共计8种角钢,进行低温夏比冲击试验研究。

4.1 Q420B级角钢的低温性能分析

根据Q420B级角钢的低温冲击性能试验结果,绘制4种规格的韧脆转变曲线,如图1所示。本次试验取冲击吸收能量达到21 J时对应的试验温度作为韧脆转变点,∠140×12 mm、∠200×24 mm、∠250×30 mm和∠300×26 mm这4种角钢的韧脆转变点对应的试验温度分别为 -25.6 ℃、-33.5 ℃、-51.7 ℃和 -53.8 ℃。

图1 不同规格Q420B试验角钢低温韧性对比结果

材料的组织决定了材料性能。本次试验选取的∠250×30 mm和∠300×26 mm这2种大规格角钢组织较均匀细小,从而表现出较好的冲击韧性,决定材料组织的因素有很多,例如炼钢时各种元素含量的控制如S、P等,以及轧制过程中温度的控制等,都会影响材料的组织。图1清晰反映了4种规格Q420B角钢的韧性差异,∠250×30 mm和∠300×26 mm这2种规格的韧性差异不大,并且其冲击吸收功高于另外2种规格的角钢,而规格为∠140×12 mm的角钢表现出较低的冲击韧性。

4.2 Q420C级角钢的低温性能分析

根据Q420C级角钢的低温冲击性能试验结果,分析得到各试验规格的韧脆转变曲线,如图2所示。从图2可知,规格为∠200×20 mm的Q420C角钢的低温冲击韧性较低,以冲击吸收能量21J作为韧脆转变的功值,规格为∠200×20 mm的Q420C角钢的韧脆转变温度为-30.0 ℃,远低于其它三个 规 格;∠140×12 mm、 ∠180×16 mm和∠200×24 mm这3种规格的韧脆转变温度分别为-54.6 ℃、-52.3 ℃和-45.8 ℃。同一质量等级的角钢,造成这种差异关键在于组织形貌的差异。

图2 不同规格Q420C试验角钢低温韧性对比结果

由试验可知,规格为∠140×12 mm的Q420C角钢的基体组织为沿轧制方向的条带状珠光体与铁素体分布,并且轧制变形程度较大。金属材料本身存在一定数量的位错,在塑性变形过程中,位错不断增殖,位错密度增加。在热加工过程中,各种可变性的夹杂物和脆性相会沿着变形方向被拉长,有些脆性相会因为轧制过程受力而被破碎,呈点状或线状分布,削弱了对性能的有害作用。规格为∠180×16 mm的Q420C角钢组织轧制变形较小,但因其铁素体含量较高,仍然表现出了良好的韧性。另外,由于∠180×16 mm角钢比∠200×24 mm角钢的组织细小,故∠180×16 mm角钢在冲击能量为21 J时的温度更低。图2清晰反映了4种规格Q420C角钢的韧性差异,∠140×12 mm角钢表现出了优异的冲击性能,而∠200×20 mm角钢则因组织不均匀造成韧性低于其它3种规格;另外2种规格角钢的冲击功值差异不大。

4.3 断口形貌分析

4.3.1 Q420B级热轧角钢的断口形貌分析

分析试验中的扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)照片,发现4种规格的Q420B角钢冲击断口出现撕裂棱与河流花样并存的现象,少见韧窝带,介于解理断裂和韧窝断裂之间,属于准解理断裂。随着试验温度的降低,韧窝带逐渐消失,冲击试样断口微观形貌逐渐呈现放射花样,转变为脆性断裂。

4.3.2 Q420C级热轧角钢的断口形貌分析

分析试验中的SEM照片,发现4种规格Q420C角钢中的∠140×12 mm、∠180×16 mm角钢的室温冲击断口为韧窝状,为典型韧性断裂;随着试验温度的降低,大量韧窝消失,转变为少量撕裂棱与河流花样并存,少见韧窝带,直至转变为放射状花样,转为脆性断裂。∠200×20 mm和∠200×24 mm这2种规格Q420C角钢室温断口形貌可见韧窝带及撕裂棱,介于解理断裂和韧窝断裂之间,属于准解理断裂。随着试验温度的降低,韧窝带逐渐消失,冲击试样断口微观形貌逐渐呈现放射花样,转变为脆性断裂。

5 低温区角钢塔加工要求和工程应用建议

5.1 低温区角钢塔加工要求

对于低温区角钢塔的加工工艺,建议如下:

1) Q420角钢塔应采用钻孔工艺加工,并采用锯切或热切割工艺下料;

2)对于极端最低气温T低于-30℃,以及介于-30℃和-20℃的地区,Q235、Q345钢材的最大剪切厚度和最大冲孔厚度,应按表2执行;

表2 Q235、Q345钢材的最大剪切厚度和冲孔厚度要求

3)铁塔构件加工时角钢、钢板在剪切和冲孔、冷矫正和冷弯曲时,其工作地点最低环境温度应满足表3的要求;

表3 工作地点最低环境温度要求 ℃

4)对22#、25#大规格角钢,应尽量避免开合角和火曲加工,并避免进行冷矫直、冷弯曲;

5)构件制作时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。

5.2 低温区角钢塔工程应用建议

根据试验结果,结合以往工程经验,总结Q420B和Q420C级角钢的工程应用建议如下:极端最低气温高于-40 ℃的低温地区,建议选用不低于Q420B级钢材;特殊区段杆塔优先用Q420C钢材;极端最低气温介于-50~-40 ℃之间的低温地区,选用C级钢材。

6 结语

本文研究低温地区输电铁塔用Q420角钢试验情况,得到以下结论:

1)冲击试验表明,∠140×12 mm、∠200×24 mm、∠250×30 mm和∠300×26 mm这4种Q420B角钢的韧脆转变温度分别为-25.6 ℃、-33.5 ℃、-51.7 ℃和-53.8 ℃;∠140×12 mm、∠180×16 mm、∠200× 20 mm和∠200×24 mm这4种Q420C角钢的韧脆转变温度分别为 -54.6 ℃、-52.3 ℃、-30.0 ℃和 -45.8 ℃。同一质量等级的角钢,造成这种差异关键在于组织形貌的差异;

2) SEM断口照片结果表明:Q420B、Q420C级角钢室温冲击类型基本为韧性断裂与准解理断裂的混合,且随着冲击试验温度的降低,韧窝逐渐减少,转变为准解理断裂及脆性断裂;

3)工程采用的构件应从材质选择、结构型式选择、避免应力集中、严控制作和加工安装过程等方面采取技术措施,防止和消除钢结构低温冷脆的发生;

4)极端最低气温高于-40 ℃的低温地区,选用不低于Q420B级钢材;特殊区段杆塔优先Q420C钢材;极端最低气温不高于-40 ℃且高于-50 ℃的低温地区,选用C级钢材。

5)低温区输电铁塔用材应特别注重低温冲击功的检验,优选低温性能优异的钢材。

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