石 強(qiáng) 王燁迪 江文強(qiáng),* 安利強(qiáng)

(1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,呼和浩特 010020;2.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系,保定 071003)

0 引 言

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn),越來越多的超特高壓輸電線路通過寒冷地區(qū),這些地區(qū)冬季最低溫度可能達(dá)到-45 ℃。低溫很容易引起輸電鐵塔角鋼的低溫冷脆破壞,近年來國內(nèi)發(fā)生多起由于低溫環(huán)境引起的輸電鐵塔倒塔事故[1-2],事故的發(fā)生會導(dǎo)致電力系統(tǒng)癱瘓,嚴(yán)重影響社會的正常生產(chǎn)和生活秩序。因此,研究輸電線路鐵塔材料的低溫力學(xué)性能,防止鐵塔結(jié)構(gòu)發(fā)生低溫脆斷,提出鐵塔材料的選材原則,這對于超特高壓輸電線路工程中具有重要意義。

輸電鐵塔用鋼在常溫下一般有良好的塑性和韌性,但隨著溫度的降低,鋼材的塑性和韌性會不斷變差,近年來,大量文獻(xiàn)針對鋼材的低溫力學(xué)性能進(jìn)行了研究。清華大學(xué)的林云、王元清等[3-6]對14 mm的Q460C高強(qiáng)鋼進(jìn)行了低溫拉伸、沖擊韌性、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低,Q460C鋼材的強(qiáng)度升高,塑性降低,在低于-40.7 ℃時,Q460C極易從韌性向脆性轉(zhuǎn)變而發(fā)生脆斷。之后,他們又對四種不同厚度的Q345B鋼板進(jìn)行了低溫力學(xué)性能試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨溫度的降低,厚板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大而斷面收縮率減小;由鋼板表面至中心,橫向試樣的斷面收縮率呈下降趨勢;隨鋼板厚度的增加,Z向試樣的斷面收縮率逐漸減小,且小于橫向試樣的斷面收縮率。廖小偉等[7]對輸電鐵塔用鋼,進(jìn)行了試驗(yàn)研究,將試驗(yàn)結(jié)果對比分析,評價了鋼管和角鋼鋼材的塑性指標(biāo),給出了鋼管和角鋼鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。Liu等[8-9]在以上試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了焊接接頭的對比,得到了在焊接接頭熱影響區(qū)比基本材料更容易發(fā)脆的結(jié)論。

大量文獻(xiàn)對鋼材的低溫力學(xué)性能進(jìn)行了研究,并指出鋼材的低溫力學(xué)性能與材質(zhì)、截面形狀及厚度等因素有關(guān),然而目前針對輸電鐵塔角鋼Q420C低溫力學(xué)性能的研究卻相對較少,也缺乏對不同規(guī)格和厚度的角鋼低溫力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文主要針對超特高壓輸電鐵塔中常用的Q345B、Q420C材質(zhì)角鋼及其焊接接頭,通過低溫沖擊試驗(yàn),研究不同材質(zhì)、不同規(guī)格角鋼的低溫沖擊性能,分析低溫對輸電鐵塔角鋼力學(xué)性能的影響規(guī)律,為低溫地區(qū)輸電鐵塔的合理選材提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概述

本文試驗(yàn)主要研究Q345B和Q420C材質(zhì)角鋼及其焊接接頭的低溫力學(xué)性能,采用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[10],具體試驗(yàn)清單如表1所示。

表1輸電鐵塔角鋼低溫沖擊試驗(yàn)

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

試驗(yàn)的鋼材類型包括Q345B塔材、Q420C塔材、Q345B焊接接頭以及Q420C焊接接頭。加工沖擊試樣時,采用的角鋼型號分別為L125×12、L140×14、L160×16(分別記為12 mm、14 mm和16 mm),焊接板材厚度分別為12 mm、14 mm、16 mm。試驗(yàn)時采用的溫度包括:室溫,-10 ℃(Q345B角鋼),-20 ℃,-45 ℃,-60 ℃ (Q345B焊接接頭、Q420C角鋼及其焊接接頭),共計(jì)完成了144個試樣的低溫沖擊試驗(yàn)。

如圖1和圖2所示為沖擊試樣的取樣位置圖和沖擊試樣的幾何尺寸圖。沖擊試樣的加工及取樣參考標(biāo)準(zhǔn)為《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》(GB/T 2975—1998)[11]。如圖3所示為沖擊試驗(yàn)完成后的試樣破壞情況圖。

圖1 沖擊試樣取樣位置Fig.1 Location of impact specimens

圖2 沖擊試樣幾何尺寸(單位:mm)Fig.2 Geometric parameters of impact specimens (Unit:mm)

圖3 試驗(yàn)完成后的沖擊試樣Fig.3 Impact specimens after the test

2 鋼材的溫度特性

韌脆轉(zhuǎn)變溫度是衡量鋼材脆性轉(zhuǎn)變傾向的重要指標(biāo),工程中常常將其作為防止低溫脆斷的重要判據(jù),它決定了鋼材的應(yīng)用范圍。因此了解輸電鐵塔角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度不僅對于預(yù)測其低溫斷裂行為有著重要的作用,同時也可以為輸電線路工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

目前確定鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的常用方法有以下幾種[12-14]:

方法1:鋼材的吸收沖擊功值降低至正常吸收功的50%～60%時所對應(yīng)的溫度。

方法2:吸收沖擊功值降至某一特定的、所允許的最低沖擊吸收功值時,所對應(yīng)的溫度。

方法3:最大與最小吸收沖擊功值求平均值,取其平均值所對應(yīng)的溫度。

方法4:斷口中晶狀斷面率達(dá)到50%時,所對應(yīng)的溫度。

在確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度之前,首先需要對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,大量的試驗(yàn)與文獻(xiàn)實(shí)踐表明[15-19],采用形如式(1)的Boltzmann函數(shù)對沖擊功和溫度的關(guān)系進(jìn)行回歸分析時,具有較好的相關(guān)性和較小的殘差,而且函數(shù)各參數(shù)的物理意義明確,可以很好地描述沖擊功與溫度之間的關(guān)系。

Boltzmann函數(shù)的表達(dá)式為

(1)

從圖4可以看出,當(dāng)試驗(yàn)溫度t→+∞時,則沖擊功A→A2,它相當(dāng)于擬合曲線的上平臺;當(dāng)試驗(yàn)溫度t→-∞時,則沖擊功A→A1,它相當(dāng)于擬合曲線的下平臺;當(dāng)t→t0時,則A→(A1+A2)/2,它符合第三種方法所確定的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。其中,t2=t0+2Δt表示上拐點(diǎn)轉(zhuǎn)變溫度,t1=t0-2Δt表示下拐點(diǎn)轉(zhuǎn)變溫度,ΔT=4Δt表示轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間。t0和Δt表征了材料的溫度特性,Δt與材料特性有關(guān),它反映了韌脆轉(zhuǎn)變速率,Δt越小,轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的跨越溫度范圍越窄,材料就越容易由塑性向脆性轉(zhuǎn)變。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

如圖5所示為本文研究的Q345B和Q420C角鋼和焊接接頭的低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出,兩種材質(zhì)的角鋼和焊接接頭,其沖擊功都隨著溫度的降低而降低,并且達(dá)到某個溫度點(diǎn)后,隨著溫度的降低其沖擊功值迅速下降。

圖4 Boltzmann函數(shù)Fig.4 Boltzmann function

如圖5(a)所示為12 mm、14 mm、16 mm厚度Q345B角鋼,在室溫、-10 ℃、-20 ℃、-45 ℃時對應(yīng)的沖擊功結(jié)果。將三種厚度的Q345B角鋼,對四種不同溫度下的12個沖擊試驗(yàn)結(jié)果用Boltzmann函數(shù)進(jìn)行擬合,其結(jié)果如圖5(a)所示。

同樣道理,分別對Q420C角鋼、Q345B焊接接頭、Q420C焊接接頭的沖擊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,其結(jié)果分別如圖5(b)-圖5(c)所示。

根據(jù)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的確定方法1和方法3,本文將擬合的12個Boltzmann函數(shù)的結(jié)果進(jìn)行了整理,從而得到鋼材的吸收沖擊功值降低至正常吸收功的50%～60%時所對應(yīng)的溫度(方法1)以及最大與最小吸收沖擊功值的平均值所對應(yīng)的溫度(方法3),結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

由表2可以看出,根據(jù)方法1確定的Q345B角鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍為-3.74 ℃～-0.30 ℃;Q420C角鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍為-36.53 ℃～-31.32 ℃;Q345B焊接韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍為-17.95 ℃～-13.40 ℃;Q420C焊接韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍為-10.58 ℃～-3.65 ℃。而根據(jù)方法3確定的韌脆轉(zhuǎn)變溫度恰好都處于方法1確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍之內(nèi),可見兩種方法得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度基本一致。下面以方法3確定的韌脆轉(zhuǎn)變溫度值為例進(jìn)行分析。

從表2可以看出,對于Q345B角鋼,在厚度分別為12 mm、14 mm和16 mm時,其韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為-1.51 ℃、-5.04 ℃和-1.22 ℃,這與文獻(xiàn)中得到Q345B角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度-3.94 ℃基本一致[7]。

圖5 低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of cryogenic charpy impact

表2韌脆轉(zhuǎn)變溫度結(jié)果

Table 2 Ductile-brittle transition temperature results

同時從表2可以看出角鋼厚度對Q345B角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和韌脆轉(zhuǎn)變速率影響不大,并且隨著厚度的增大,其韌脆轉(zhuǎn)變溫度并沒有明顯的增加或者減小的趨勢。同樣地,厚度對Q420C角鋼、Q345B焊接接頭和Q420C焊接接頭的影響也沒有明顯的規(guī)律,但厚度對Q420C角鋼和Q345B焊接接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫度影響較大,如14 mm厚Q345B焊接接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-22.81 ℃,而12 mm和16 mm厚Q345B焊接接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫度則分別為-10.86 ℃和-12.17 ℃,其差異較為明顯。

因此可見,厚度對Q345B和Q420C輸電鐵塔角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和韌脆轉(zhuǎn)變速率的影響沒有明顯規(guī)律,但從韌脆轉(zhuǎn)變溫度來看,Q345B的角鋼及其焊接接頭的厚度為14 mm厚時的低溫沖擊韌性最好,而Q420C的角鋼及其焊接接頭的厚度為12 mm時低溫沖擊韌性略優(yōu)。

通過Q345B角鋼和Q420C角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的對比可以發(fā)現(xiàn),Q345B角鋼的平均韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-2.59 ℃,而Q420C角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-32.33 ℃,可見Q420C抵抗低溫冷脆破壞的能力要遠(yuǎn)優(yōu)于Q345B。同理,通過對比Q345B焊接接頭和Q420C焊接接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫度可以發(fā)現(xiàn),Q345B鋼材焊縫的耐低溫能力反而要優(yōu)于Q420C鋼材。

通過對比Q345B角鋼和Q345B焊接接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫度可以發(fā)現(xiàn),Q345B焊接接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-15.28 ℃,低于Q345B角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度-2.59 ℃,這說明Q345B鋼材焊縫的耐低溫脆斷能力強(qiáng)于母材。相反,Q420C角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-32.33 ℃,而Q420C焊接接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-6.76 ℃,可見Q420C鋼材焊縫的耐低溫冷脆能力要遠(yuǎn)低于其母材。

在最不利的情況下,根據(jù)擬合曲線求得16 mm厚的Q345B角鋼在0 ℃的沖擊功吸收值為45J,所以不論厚度如何,Q345B和Q420C母材和焊材都滿足規(guī)范中20 ℃和0 ℃時沖擊功≥34J的規(guī)定[20]。但是當(dāng)溫度達(dá)到-45 ℃時只有Q420C角鋼滿足沖擊功≥34J的要求。

綜上所述,厚度對Q345B和Q420C輸電鐵塔角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和韌脆轉(zhuǎn)變速率有影響,但沒有明顯規(guī)律;Q345B角鋼鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度明顯高于Q420C角鋼,但是Q345B焊接接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫度卻高于Q420C焊接接頭;只有Q420C角鋼可用于-45 ℃低溫環(huán)境中且滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

本課題針對超特高壓輸電線路鐵塔中常用的Q345B和Q420C塔材及焊縫進(jìn)行了低溫沖擊試驗(yàn),分析了它們的低溫沖擊力學(xué)性能,得到如下結(jié)論:

(1) 兩種材質(zhì)角鋼和焊接接頭的沖擊功都隨著溫度的降低而降低,并且達(dá)到某個溫度點(diǎn)后,隨著溫度的降低其沖擊功值迅速下降。

(2) 厚度對Q345B和Q420C輸電鐵塔角鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和韌脆轉(zhuǎn)變速率有影響,但沒有明顯規(guī)律,其中Q345B的角鋼及其焊接接頭的厚度為14 mm厚時的低溫沖擊韌性最好,而Q420C的的角鋼及其焊接接頭的厚度為12 mm時低溫沖擊韌性略優(yōu)。

(3) Q420C角鋼抵抗低溫冷脆破壞的能力要遠(yuǎn)優(yōu)于Q345B角鋼,并且可以用于-45 ℃的低溫環(huán)境。

(4) Q345B鋼材焊縫的耐低溫脆斷能力強(qiáng)于母材,Q420C鋼材焊縫的耐低溫冷脆能力要遠(yuǎn)低于其母材,則Q345B的耐焊性優(yōu)于Q420C鋼材。在低溫環(huán)境下,應(yīng)該盡量避免對Q420C鋼材進(jìn)行焊接處理。

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