低温区输电铁塔用Q420高强角钢试验研究

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。