王寶東，姜喜全，陳 平，溫中華，楊青坤，路永清，柏立芳

(四平線路器材廠，吉林 四平 136001)

輸電線路金具主要由金屬材料制成，隨著溫度的降低，大多數金屬材料的屈服強度有所增加，而韌性下降。當溫度降到某一臨界溫度時，沖擊韌性急劇下降，會突然發(fā)生脆斷，且斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性很大［1］。近年來，隨著中國電網建設的不斷加強，金具材料的低溫韌性問題越來越受到人們的關注。我國北方地區(qū)冬季最低溫度可達到－50℃，為確保輸電線路的安全運行，開展低溫金具性能研究非常必要。本文通過對不同寒冷地區(qū)使用的金具進行調研，并結合對7種金屬材料的力學性能試驗，對寒冷地區(qū)輸電線路金具材料進行了研究與選擇。

1 常用金具材料的低溫特性及試驗

制造輸電線路金具材料很多，有碳素結構鋼、合金結構鋼、不銹鋼、可鍛鑄鐵、鑄鋼、純鋁以及鋁合金等。由金屬材料的特性可知，鋁、鋁合金及可鍛鑄鐵制造的金具在低溫條件下運行沒有問題，而碳素結構鋼及其合金材料在低溫條件下使用就要考慮溫度對材料的影響了。

通過對材料進行初選，對常用輸電線路金具使用的不同碳素鋼及合金鋼材料的抗拉強度、延伸率、沖擊韌性3種力學性能進行了試驗，其中抗拉強度σb、延伸率δ5試驗分別在0℃和－50℃條件下進行，沖擊韌性試驗分別選取 20、0、－20、－35、－50、－65℃條件下進行。

1.1 抗拉強度、延伸率機械性能試驗

選用 35CrMo、35、Q235A、40Cr、Q345B、ZL102、1050A 7種材料在0℃和－50℃條件下進行試棒抗拉強度、延伸率試驗，結果見表1。

a.各種材料抗拉強度(σb)－50℃試驗值均高于0℃的試驗值，且本次試驗0℃及－50℃試驗值均高于GB/T 1591—2008《低合金高濃度結構鋼》要求。

表1 試棒抗拉強度、延伸率試驗結果

b.各種材料延伸率(δ5)0℃及－50℃的試驗值 相差甚少，且均大于GB/T 1591—2008要求值。

1.2 沖擊韌性試驗

沖擊韌性的優(yōu)劣用試驗的沖擊吸收功的大小來表示，試驗所選用的試塊缺口通常有V形和U形，此次試驗選用V形缺口的試塊。不同溫度下各種材料的試塊沖擊韌性試驗結果見表2。

表2 不同試驗溫度下沖擊吸收功Akv平均值 J

a.Q345C及Q345B隨著溫度的降低，沖擊功值有所下降，表現出一定的低溫脆性，Q345C及Q345B均具備有較高的沖擊韌性，而且Q345C比Q345B更高。Q345C及Q345B試驗所得各溫度下的沖擊吸收功遠大于GB/T 1591—2008標準規(guī)定的要求，在一定的低溫范圍內使用Q345C及Q345B是安全的。

b.Q235B與Q235C隨著溫度的降低，沖擊功值明顯下降，呈現了清晰的韌脆轉變溫度，且低溫脆性特征十分明顯，在－35℃以下沖擊功值已低于GB/T 1591—2008標準規(guī)定的要求。Q235B與Q235C二者的沖擊韌性相差不大而以Q235C較好，尤其在－50～－20℃范圍內，這一優(yōu)勢更加明顯，Q235C與Q235B相比，更適合在－20℃以下的低溫地區(qū)使用。

c.Q235及Q345鋼的低溫沖擊試驗與現行有關標準相對應問題。對低溫用Q235及Q345鋼材的選擇，有關規(guī)程規(guī)定早已有明確要求。GB 50017—2003《鋼結構設計規(guī)范》第 3.3.4條規(guī)定:“對需要驗算疲勞的非焊接結構的鋼材亦應具有常溫沖擊韌性的合格保證。當結構工作溫度不高于0℃但高于－20℃時，Q235鋼和Q345鋼應具有0℃沖擊韌性的合格保證。”國家電網公司頒布的《輸電線路全壽命周期設計建設技術導則(試行)》第7.7.7條規(guī)定:當極端最低氣溫低于－40℃時，Q235、Q345焊接構件質量等級應滿足不低于C級鋼的質量要求，螺栓孔采用鉆孔工藝。由以上兩規(guī)程規(guī)定所述要求，以及所做Q235及Q345鋼材的沖擊韌性試驗結果，在一定的低溫范圍內可以使用Q345C及Q345B。

d.35CrMo與40Cr兩種鋼材的沖擊吸收功均隨試驗溫度的下降而下降，但下降速度緩慢，表現其低溫脆性轉變不明顯，35CrMo和40Cr在低溫情況下(0℃以下)的沖擊韌性試驗值均大于Q235C，兩種材料均可用于低溫金具制造。但35CrMo、40Cr的抗沖擊性能受到熱處理技術水平影響較大，采用該材料制造產品時的生產工藝相對復雜。

e.35號鋼低溫沖擊韌性較差，不適應在寒冷低溫地區(qū)使用。

2 目前金具材料的適用性分析

2.1 鋁及鋁合金

純鋁主要用于制造有導電性能要求的金具，如壓縮型耐張線夾等。當采用鑄造方法時，材料牌號選用Al99.5，當選用鋁合金型材時，材料代號選用1050A。鋁合金材料多用于懸垂線夾、間隔棒等，要求具有一定的抗拉強度。電力金具材料選用鋁合金為鋁硅系鋁合金，使用的合金代號為ZL102、ZL104和ZL101A。通過前面的低溫特性分析可知這些材料在普通地區(qū)及寒冷地區(qū)均可使用。

2.2 可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵是金具應用較早的一種材料，如97定型金具產品XGU型懸垂線夾、NLD型耐張線夾等均使用該材料，牌號為KTH-330-08，韌脆轉變溫度可達－63.96℃，在普通地區(qū)及寒冷地區(qū)均可使用。

2.3 鋼及鋼合金

鋼及鋼合金在金具產品中應用較多，尤其是連接金具幾乎采用的都是鋼或鋼合金。球頭掛環(huán)類產品采用的材料有Q235A、40、40Cr，U型掛環(huán)等鍛件采用的材料有Q235A、35、35CrMo，板件類產品材料選用Q235A和Q345B。通過前面的低溫特性及試驗分析可知，鋼及鋼合金材料僅適合在普通地區(qū)，而不是寒冷地區(qū)使用的最優(yōu)材料。

3 寒冷地區(qū)主要金具的材料選擇

通過對材料的低溫特性及試驗結果分析，鋁及鋁合金、可鍛鑄鐵制造的金具在寒冷地區(qū)使用沒有任何問題。根據不同寒冷地區(qū)金具的運行經驗，同時兼顧材料的經濟性、工藝性和普遍性，按照產品的使用狀態(tài)和設計裕度對產品進行了分類，給出下類產品在寒冷地區(qū)時建議選用的材料。

3.1 球頭掛環(huán)類產品

球頭掛環(huán)類產品，應采用35CrMo制造。該類產品受連接標準制約，破壞載荷裕度相對較小，且受力復雜，也是運行的輸電線路金具發(fā)生事故最多的部件。因35CrMo材料低溫沖擊韌性較好，且具有高的抗拉強度、沖擊韌度及較高的疲勞強度，抗拉強度在980 MPa以上，適合制造球頭掛環(huán)類產品。

3.2 U型掛環(huán)等鍛件產品

U型掛環(huán)等鍛件連接金具采用40Cr制造。40Cr比35CrMo制造成本低，制造工藝也相對簡單，韌脆轉變溫度約為－50℃，適宜制造鍛件連接金具。

3.3 板件類產品

按照GB/T 2315—2008《電力金具標稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》劃分的標稱荷重標記號，板件類產品標稱荷重標記為4～12時，材料選用Q235C，標稱荷重標記 16及以上時，材料選用Q345C。該類產品設計裕度大、形狀簡單、沒有制造的分散性，Q235C和Q345C具有0℃時沖擊韌性的合格保證，滿足GB 50017—2003第3.3.4條中的相關規(guī)定，可以用在寒冷地區(qū)。

4 普通地區(qū)和寒冷地區(qū)線路金具選用材料對比

普通地區(qū)線路金具選用材料范圍較大，而寒冷地區(qū)由于金屬材料韌性的下降，會使金具發(fā)生脆斷，金屬材料的使用會受到限制。普通地區(qū)和寒冷地區(qū)線路金具選用材料對比見表3。

5 結束語

表3 普通地區(qū)和寒冷地區(qū)線路金具選用材料對比

本文對寒冷地區(qū)輸電線路金具選材進行了試驗與研究，針對輸電線路主要金具所涉及的7種金屬材質進行了常溫(0℃)及低溫(－50℃)抗拉強度及延伸率的靜態(tài)對比試驗，并進行了7種金屬材料常溫及低溫(+20℃、0℃、－20℃、－35℃、－50℃、－65℃)的沖擊韌性試驗，為今后寒冷地區(qū)輸電線路的金具產品設計及制造提供了充實的技術依據。通過對試驗結果分析，給出寒冷地區(qū)主要金具的材料選擇為:球頭掛環(huán)類產品選用35CrMo、U型掛環(huán)等鍛件連接金具選40Cr、板件類產品材料選用Q235C和Q345C。