摘 要:某輸電線路鋼管塔筒體發(fā)生開裂,采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、金相檢 驗、掃描電鏡和能譜分析等方法對其開裂原因進行分析。結果表明:筒體材料的化學成分不滿足標 準要求;筒體材料的顯微組織異常是筒體開裂的主要原因。 

關鍵詞:鋼管塔;Q420B鋼;筒體開裂;顯微組織 

中圖分類號:TB31;TG115.2                  文獻標志碼:B                    文章編號:1001-4012(2023)08-0063-04

鋼管塔是輸電線路鐵塔的一種類型,其整體穩(wěn) 定性好、抵抗自然災害的能力強[1-2]。Q420B鋼是 一種屈服強度不低于420 MPa的低合金、高強度 鋼,具有優(yōu)良的冷彎性能及焊接性能,主要應用于船 舶、鋼結構橋梁、電力鐵塔及其他大型結構件中[3], 使用 Q420B高強鋼為鐵塔的原材料,可進一步提高 鐵塔的整體質量,減少運輸及安裝成本[4]。

采用同一批次、厚度為16mm 的 Q420B高強 鋼鋼板為輸電線路工程鋼管塔筒體的原材料。鋼管 塔高度為40.45m,共由5段組成。筒體為正十六 邊形,由4塊鋼板縱向焊接而成。筒體底部與外徑 為2.49m的法蘭盤焊接,法蘭盤均勻分布著28個 螺栓孔,兩孔之間由筋板與法蘭盤和筒體焊接相連。 

該筒體運行一段時間后,底部發(fā)生開裂,并在隨 后幾天,裂紋持續(xù)擴展并延伸。筆者采用宏觀觀察、 化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、掃描電鏡 (SEM)和能譜分析等方法對其開裂原因進行分析, 以防止該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

裂紋主要分布于鋼管塔受力側的兩塊鋼板位 置,裂紋宏觀形貌及分布如圖1所示。由圖1可知: 有4條裂紋分布于多面體的棱角上,有3條裂紋分 布于平面上,裂紋均從底部向縱向擴展;筒體表面無 塑性變形,裂紋呈脆性開裂特征。 

筒體斷口宏觀形貌如圖2所示,裂紋源位于鋼板 心部位置,斷口及附近無明顯塑性變形,部分斷口表 面呈黃褐色,部分斷口表面未發(fā)生氧化,呈暗灰色。

1.2 化學成分分析

從3# 面裂紋處取樣,按照 GB/T4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放 電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》對試樣進行化學成分 分析,結果如表1所示。由表1可知:C、Cr、Mo元 素的質量分數(shù)均超過GB/T1591—2018《低合金高 強度結構鋼》標準的最大值,其余元素的質量分數(shù)均 符合GB/T1591—2018對 Q420B鋼的要求。

1.3 力學性能測試 

從筒體3# 面上沿縱向(塔高度方向)、橫向分別取 樣,并對其進行室溫拉伸、室溫彎曲、夏比沖擊試驗。 

室溫拉伸試樣的原始直徑為10mm,原始標距 為50mm,在電子萬能試驗機上進行測試,結果如 表2所示?？v、橫向試樣的屈服強度為1153~1157MPa,抗拉強度為1232~1240MPa,均遠高 于標準要求的最大值。斷后伸長率為 10.5% ~ 13.5%,均低于標 準 要 求 的 最 小 值,結 果 不 符 合 GB/T1591—2018對 Q420B鋼的要求。

室溫彎曲試驗結果如表3所示,縱、橫向試樣的 彎曲角度均未達到180°就發(fā)生了明顯開裂,其中橫 向試樣彎曲90°時就發(fā)生開裂。

制備規(guī)格(長度×寬度×高度)為10 mm× 10mm×55mm的沖擊試驗試樣,對其進行 V型缺口夏比擺錘沖擊試驗,溫度為20℃,縱向試樣兩組 試驗的沖擊吸收能量平均值為34.9J,其中有1個 試驗結果為28.5J,低于規(guī)定值。橫向試樣的沖擊 吸收能量不滿足標準要求,試驗結果如表4所示。

1.4 金相檢驗

從筒體1# ,3# ,4# 面底部開裂處截取金相試 樣,分別依次用180,320,400,600,800號砂紙進行 拋光,最后用體積分數(shù)為2%的硝酸乙醇溶液進行 腐蝕,再置于光學顯微鏡下觀察。 

筒體1# 面開裂處試樣的顯微組織形貌如圖3 所示,由圖3可知:其顯微組織為貝氏體+馬氏體, 心部存在微裂紋,裂紋尖端分叉且沿晶擴展,裂紋內 部存在氧化物。 

筒體3# 面開裂處試樣的裂紋及顯微組織形貌 如圖4所示,由圖4可知:筒體3# 面表面存在多條 裂紋,表面裂紋開口寬窄不一,心部也存在多條基本 垂直于板厚方向的微裂紋;表面裂紋存在分支現(xiàn)象, 裂紋尖端沿晶擴展,且裂紋內部存在氧化物;心部組 織為貝氏體+馬氏體。筒體4# 面開裂處試樣的顯 微組織形貌如圖5所示,由圖5可知:其顯微組織為 貝氏體+馬氏體。

1.5 掃描電鏡和能譜分析 

利用掃描電鏡對斷口試樣暗灰色區(qū)域進行能譜分析,結果如圖6所示。由圖6可知:斷口存在大量 鋅元素,說明鋼板鍍鋅前已發(fā)生開裂,斷口暗灰色區(qū) 域為滲鋅痕跡。 

2 綜合分析 

開裂筒體材料的化學成分及力學性能均不滿足 標準要求,其 C、Cr、Mo元素的含量超過標準最大 值,屈服強度高于標準值,抗拉強度高于標準要求最 大值,斷后伸長率低于標準要求的最小值,彎曲性能 不合格。

Q420B低合金高強度結構鋼的生產工藝流程 為:鐵液脫硫→轉爐冶煉→精煉→模鑄→軋制。為 了增強鋼材的耐大氣腐蝕性,延長使用壽命,電力工 程鋼結構材料通常采用熱鍍鋅技術[5],其工藝流程 為:脫脂→水洗→酸洗→水洗→熱鍍鋅→鈍化。熱 軋后的冷卻速率對 Q420B鋼的顯微組織及力學性 能影響較大,當冷卻速率由2 ℃/s提高到18 ℃/s 時,顯微組織從鐵素體+珠光體轉變?yōu)橐粤钬愂? 體為主的組織[6]。金相檢驗結果表明,板心部的顯 微組織均主要為貝氏體+馬氏體,正常狀態(tài)下鋼板 厚度1/4處及心部組織應為鐵素體+珠光體,這樣 才能保證鋼板具有良好的綜合力學性能。鋼板的顯 微組織異常,這是因為軋制過程中終冷速率過快使 其產生了貝氏體及馬氏體組織,從而產生了過高的 屈服強度、抗拉強度及較差的塑性、韌性。Q420B 鋼的氫脆敏感性較低,但如果其組織異常,存在高強 度的 馬 氏 體 相,其 屈 服 強 度、抗 拉 強 度 均 超 過 1000MPa,就會急劇增加鋼板的氫脆敏感性[7-8]。

同時,斷口的滲鋅痕跡也證明了 Q420B鋼板在鍍鋅 前已經發(fā)生開裂。另外,受導線拉力的影響,開裂處 位于鋼管塔兩塊鋼板上,大部分開裂發(fā)生在鋼塔多 面體的棱角處,該處受彎曲加工塑性變形而發(fā)生加 工硬化,使該部位的韌性、塑性降低,在拉應力的作 用下,裂紋更容易沿棱角擴展。

3 結語 

(1)鋼管塔筒體開裂鋼板的化學成分、顯微組 織、力學性能均不滿足標準要求。 

(2)熱軋終冷速率過快造成的組織不良是鋼管 塔筒體開裂的主要原因,后續(xù)熱鍍鋅表面酸洗工序 增加了鋼板發(fā)生氫脆的風險。 

(3)在輸電線路工程設備安裝階段,增加筒體 材料的質量抽檢工序,及時排查隱患,可以避免該類 問題再次發(fā)生。

參考文獻: 

[1] 孫竹森,程永鋒,張強,等.輸電線路鋼管塔的推廣與 應用[J].電網技術,2010,34(6):186-192. 

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[3] 曹曉春,甘國軍,李翠光.Q460E鋼在國家重點工程 中的應用[J].焊接技術,2007,36(增刊1):12-15. 

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[5] 李慧,李運剛,高建新.熱鍍鋅工藝及鋅鍍層鈍化的研 究現(xiàn)狀[J].電鍍與精飾,2008,30(12):16-20. 

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<文章  > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 8期 (pp:63-66)>