浅议低温条件下杆塔设计及预防措施

浅议低温条件下杆塔设计及预防措施

杨德志

国网安徽省电力公司宣城供电公司安徽宣城242000

摘要：我国部分输电线路位于严寒地区，冬季气候条件恶劣。在进行杆塔设计时应充分考虑低温冷脆等相关影响。本文结合钢结构和输电线路杆塔结构方面相关规范及研究成果，对低温条件下杆塔设计及预防措施进行了研究。

Abstract:Sometransmissionlineslocatedinthecoldarea，wheretheweatherconditionsisbadinwinter.Lowtemperaturebrittlenessshouldbefullyconsideredwhencarryingonthetowerdesign.Inthispaper,thetowerdesignandpreventivemeasuresunderlowtemperatureconditionsarestudied,accordingtothetechnicalcodeandresearchofsteelstructureandtransmissionlinetowerstructure.

1.引言

随着我国国民经济的发展，我国电网建设业已遍及全国，在冬季气候寒冷的西部和北部地区，架空输电线路杆塔结构也存在着较为广泛的分布，对输电铁塔用钢材的要求也越来越高。伴随中国炼钢技术的迅速发展，角钢的强度等级与国外发达国家的差距正逐步缩小，使用Q420等高强钢建设的超特高压工程不断落成投运。钢材的低温脆性断裂是杆塔结构最危险的破坏形式之一，原因是断裂瞬间发生，断裂时无明显的塑性变形，造成杆塔瞬间倒塌。作为生命线工程的输电铁塔的倒塌，将直接导致供电系统瘫痪，严重影响生产建设，危害人民生命安全。因此，对北方严寒地区的铁塔设计研究具有非常重要的意义。

2低温对铁塔结构破坏机理研究

理想无初始缺陷钢构件脆性破坏的过程从物理概念上可分为三个阶段：裂纹产生前的准备阶段，主要为钢晶格内部的初始塑性变形；裂纹的产生，通常为钢晶格间损伤的宏观集中表现；裂纹向整个构件截面的横向发展【1】。

铁塔长时间在-40℃的低温下，钢材会严重脆化，外界轻微影响即易造成塔材断裂失效，这是铁塔失效的主要内因。由于铁塔塔材的连接较多，在螺栓孔制孔和焊接过程中容易造成初始缺陷。比如通过观察铁塔的螺栓孔，可以在角钢孔附近观察到的斜向微裂纹，有部分锌液渗入角钢裂纹内部，说明该裂纹是在冲孔时形成的，这些连接制造过程中形成的加工硬化和微裂纹，是导致铁塔失效的主要外因。

另外除工作温度以外，影响钢结构低温冷脆现象的因素还有很多，除温度和初始缺陷外影响钢材冷脆的主要因素还有以下几个方面：晶粒度，当晶粒尺寸大于冷机晶粒尺寸时，结构会产生脆性断裂。因此，晶粒细化有助于提高材料抗低温脆断的能力；晶粒结构，体心立方晶格金属及其合金或某些密排六方晶格金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢有明显的冷脆现象，而面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象；形变速率，提高形变速率使材料脆性增大，韧脆转变温度升高。一般中、低强度钢的韧脆转变温度对形变速率比较敏感，而高强度钢、超高强度钢则较小；板厚，板厚的增加，脆性转变温度提高，降低了钢构件的低温韧性

3铁塔低温冷脆的主要防治措施

3.1材料材质的选择。

材质对脆性破坏的影响,主要体现在钢材本身的塑性和韧性,而它们又取决于钢的化学组成、晶体结构以及冶炼方法。研究表明,低合金钢的抗冷脆性能比低碳钢高，而低碳钢中的镇定钢、半镇定钢和沸腾钢的抗冷脆性能依次降低。因此，对低温地区应选用等级较高的钢材，对钢材的成分特别是磷、硫的含量要严格控制。

3.2结构型式的的选择

破坏实例统计表明34%脆性破坏发生在板式结构上，48%发生在格构式结构(桁架)上，只有18%发生在实腹式结构上。因此，在高寒环境中运行的铁塔，结构型式选择时尽量减小由于结构型式和加工工艺引起的应力集中，降低由于焊接热影响引起的残余应力，尽可能使用厚度较薄的角钢钢材、对组合截面的构件应保证其截面的完整性等等。

3.3合理布置结构形式，力求避免应力集中

钢结构受拉构件在局部高应力集中区往往产生双向和三向拉应力状态，而在该应力状态下钢及其构件破坏时的塑性变形大为降低，这样就可大大提高钢结构构件发生脆性破坏的可能性。通过结构型式的优化，一方面可使得构件内部的应力集中减小，另一方面可以使得应力集中向构件内部塑形或韧性较好的区域移动，如对于焊接板件，焊缝附近的钢材韧性较差，所以设计时应尽量使应力较大值远离焊缝的位置。

3.4制作和加工安装技术措施

对于在高寒环境中运行的铁塔，在加工中应谨慎选择冷加工工艺(如剪切、冲孔)，严格控制加工过程，避免表面损伤。钢构件的制作和加工过程要采取合理的技术措施，尽量避免在构件内部或表面造成缺陷和裂纹，构件内部的转角位置进行有效的处理避免形成尖角造成很大应力集中，焊接时采用合理的顺序以降低构件内部的残余应力，并应选用技术合格的焊工保证焊接质量，以减小焊接热影响对钢材韧性的影响。

近年来随着中国炼钢技术的迅速发展，使用Q420等高强钢建设的超特高压工程纷纷上马。然而，国内由低温环境引起的倒塔事故次数并未因角钢强度等级的提高而减少，究其原因，主要有两点：钢材的质量等级不够高，达不到超低温环境下对钢材的冲击韧性的要求；铁塔制作加工和安装技术不够完善，容易形成初始缺陷。下面将针对铁塔钢材和结构形式的选择和铁塔制作加工和安装技术措施分别进行论述。

4低温条件下的铁塔的设计选材

首先《钢结构设计规范》中规定“工作温度等于或低于-20℃的直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构和构件不应采用Q235沸腾钢”。杆塔结构所受的风荷载属于可变荷载、有动力影响，因此在杆塔设计中计入了风振系数，以综合考虑它对结构的动力效应。杆塔风荷载是准动力荷载，不具备固定的振动特点，考虑到多年来全国送电线路杆塔的运行中从未发生过因风荷载而产生的材料疲劳破坏，因此业内外一致认为杆塔结构不属于“直接承受动力荷载且需要进行疲劳验算的结构”。但是由于沸腾钢为脱氧不完全的钢材，浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出），钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，在轧制过程中这种气泡空腔会被粘合起来，这类钢的特点是钢中含硅量很低，通常注成不带保温帽的上小下大的钢锭，钢的杂质多，成分偏析较大，所以性能不均匀。由于本线路工作温度处在-40℃以下的极端严寒地区，并根据吉林地区以往塔材的选取经验，铁塔的受力杆件均不可采用沸腾钢。【2】。

一般而言，输电铁塔用钢的力学性能指标主要为拉伸强度和冲击韧性。Q235钢材属于碳素钢，Q345和Q420属于低合金钢。通过观察金相图可发现，Q235珠光体含量较低，Q345与Q420的珠光体含量均较高，且Q345和Q420晶粒较细，抗低温冷脆性能优于Q235钢材。

图4.1-3Q420钢材金相组织

上图为Q235、Q345和Q420钢材的金相组织，可以看出，三种钢材组织均匀，均为由铁素体和珠光体组成的等轴组织。由于是低合金钢，Q420钢和Q345钢中可能存在魏氏组织，这是由微合金化元素的碳氮化合物固溶较多区域生成的先析铁素体和其周围珠光体共同组成的混合组织，钢的魏氏组织是不希望存在的有害组织，其危害性主要表现在对低温冲击韧性的影响。众所周知，铁素体由于含碳量较低，塑性和韧性均优于珠光体，但强度和硬度不如珠光体。由于铁素体比珠光体软，在冲击载荷作用下，铁素体易先发生塑性变形，在铁素体与珠光体的相界面产生应力集中，进而引起微裂纹，故相对于其他路径裂纹更倾向于沿铁素体珠光体相界面扩展。因而珠光体含量越高，和铁素体的相界面越多，对钢材的韧性越不利。观察上面金相图可发现，Q235珠光体含量较低，Q345与Q420的珠光体含量均较高，且Q345和Q420晶粒较细，抗低温冷脆性能优于Q235钢材。

长期以来我国输电线路铁塔所用钢材局限于Q235和Q345两种强度等级。与发达国家相比，品种少，强度值偏低。当设计载荷增大时，一般采用加大材料规格或组合断面的方法来提高铁塔的承载能力，这必然导致铁塔耗钢量的增加，从而造成投资和资源消耗的增加。高强钢具有强度高、承载能力强的特点。采用高强钢则自然成为缓解上述矛盾的措施之一。经统计，工程采用Q420高强钢后，直线塔可降低塔重2％～4％。耐张塔可降低塔重3％～5％。此外，用高强钢简化了铁塔结构，减轻了单根构件的重量，也相应地减少了运输、安装等费用，进一步降低了工程造价。根据Q420高强钢在国内试点应用的情况并结合电网建设的特点和需要，Q420高强钢在输电线路铁塔上的推广应用已具备相应的条件。

另外，对于500kV及以上线路杆塔，由于导线分裂数较多，风荷载和导线张力均较大，特别是在极端低温区（-40℃），如主材使用Q345B常规规格角钢（肢宽200mm及以下），对于荷载较大的铁塔，势必要采用组合角钢，导致塔重增加，且低温下安装操作困难，很容易造成塔材初始缺陷。

结合《架空输电线路杆塔结构实际技术规定》（DL/T5154-2012）中第4.0.2条规定“当结构工作温度不高于-40℃时，Q235、Q345、Q390焊接构件和Q420钢材质量等级应满足不低于C级钢的质量要求”，建议低温地区铁塔主材选用Q420钢材，质量等级不低于C级，其他受力材选用Q345、Q235钢材，质量等级不低于B级，如果经济条件允许、加工条件具备的情况下，在超低温环境下宜采用更高等级的钢材。

5铁塔制作加工和安装技术措施

5.1钢材构件制作加工措施

有关制作加工和安装工艺方面的技术措施是建立在以下原则基础上的：钢材冷加工会引起冷变形，因此在加工过程中不允许使钢材过分硬化和产生裂纹、擦痕等等缺陷；对焊接构件尽量排除未焊实及连接构件中的焊接缺陷；在焊接过程中不允许在焊件中遗留较大的热塑性变形及其残余应力【3】。

结合以上原则，构件制作加工建议采用如下措施：

在低于-25℃的空气中，禁止用剪切机剪切构件、用冲床在构件上冲孔以及其它类型的冲击作用；对于在较低温度区使用的钢结构及其构件宜于在正温下加工制作。

由于在常温下低合金钢的塑性比低碳钢差，所以在此类钢材构件的各种加工制作过程中，应更严格地控制硬化、裂纹、擦痕等技术缺陷的影响。

对手工气割低碳钢构件和气弧割的低合金钢构件的切边应用车床、铣床或砂轮进行深加工，以降低不均匀切割引起的应力集中和刨除热塑变形区；同时对受拉的任何钢号低碳钢构件和厚度大于10mm低合金钢构件以及在较低温度区使用或承受动力荷载钢构件的剪切机切边也应作类似处理。

钢结构构件在运输、装卸和保存过程中不允许出现损伤和从运输工具上摔卸。

5.2螺栓连接措施

螺栓孔宜采用钻孔工艺，对螺栓钻孔过程中孔边周围产生的毛刺、尖角进行清除，消除产生应力集中的隐患；进行螺栓安装的时候，要注意保持连接接头的平顺和整体状态，避免孔壁应力不均衡，降低螺栓孔壁产生应力集中的可能性，减少孔壁裂纹的产生，延长螺栓孔的使用寿命；掌握好安装时接头螺栓的扭矩值，扭矩过大或过小，都能增大螺栓孔应力，要定期进行连接螺栓的检查，要保证接头的良好状态。

5.3焊缝连接措施

铁塔构件应尽量减少焊接，或应在构件加工厂进行焊接，避免构件现场施焊，对于无法避免的，应参照以下原则进行：结合预热条件与钢板厚度、工作地点温度等对构件进行焊前预热；现场超低温焊接时由于气温较低，热量损失较快，当钢材厚度>9mm时采用多层焊接工艺，焊缝由下往上逐层焊接；超低温条件焊接时，焊缝的冷却速度过快，极易产生裂纹而且焊接产生的残余应力不易消除。故对重要部位由厚钢板组成的结构，超低温焊接完成后，应立即进行焊后热处理。

6.结论

处于极端严寒地区的输电线路铁塔应得到设计及施工单位的重视，在设计选材、加工及施工处置方面做好预防处理措施，同时应对铁塔构件加强检验，更严格控制硬化、裂纹、擦痕等技术缺陷，避免由于初始缺陷带来的构件破坏甚至倒塔事故。

参考文献

[1]王元清,武延民,石永久,王晓哲,张玉玲.低温对结构钢材主要力学性能影响的试验研究[J].铁道科学与工程学报,2005,(01):1-4.

[2]王元清.钢结构在低温下脆性破坏研究概述[J].钢结构,1994,(04):217-221.

[3]王元清.防止和消除钢结构构件低温冷脆现象的措施[J].钢结构,1994,(04):225-228.

作者简介：

姓名：杨德志出生年：(19730630-)性别：男籍贯：安徽宣城民族：汉学历：大学

工作单位：国网安徽省电力公司宣城供电公司