特高压输电线路铁塔采用高强钢，不仅可以提高铁塔的承载能力，而且还可以增加生产制造的经济性。从德令哈(托索)750kV输变电工程中选取高强钢Q420B为研究对象，对其母材和焊接接头，分别进行了低温拉伸试验和冲击试验研究，发现焊后的力学性能会劣化。高强钢焊接工艺的高要求，无形之中增加了生产制造单位的成本，给铁塔公司带来了挑战，迫切的需要在高强钢的焊接工艺上“提质增效”。
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《GB50545-2010110kV~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。
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/T228-2002》、《GB/T13239-2006》为拉伸试验参考标准;《GB/T229-2007》为冲击试验参考标准;《GB/T2975-1998》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(℃)。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。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。
参考文献
[1]何长华.高强冷弯型钢在输电铁塔上应用可行性的探讨[J].钢结构，2004(5)：35-37.
[2]梁浩.Q420高强钢在输电线路铁塔上的应用研究[J].上海电力，2009(4)：298-303.
[3]李植长.Q420高强钢在输电线路铁塔中的焊接应用[J].中国新技术新产品，2016(15)：95-96.
作者：刘生昊 徐斐 王烨迪
高强度钢材低温力学性能研究相关推荐材料力学教学与工程思维能力培养研究
