摘 要:某１１０kV 輸電線路在基建安裝過程中發(fā)生鐵塔塔腿角鋼開裂失效.利用宏觀檢驗(yàn)、化 學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、斷口分析及有限元分析等試驗(yàn)方法對(duì)塔腿角鋼開裂的原因 進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:鐵塔塔腿角鋼的螺栓孔沖孔工藝不當(dāng),在螺栓孔邊緣形成較多裂紋,在鐵 塔安裝過程中異常預(yù)偏裝載荷形成的過載應(yīng)力作用下,螺栓孔邊緣的裂紋擴(kuò)展并導(dǎo)致角鋼開裂失 效.最后提出了相應(yīng)的防控措施. 

關(guān)鍵詞:輸電線路;塔腿;角鋼;開裂;螺栓孔;沖孔裂紋;預(yù)偏裝 

中圖分類號(hào):TM７５２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７６１Ｇ０４ 

架空輸電線路是電力系統(tǒng)中的重要生命線工程, 具有塔體高、跨度大及賦存環(huán)境復(fù)雜多變等特點(diǎn),其 安全與可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[１Ｇ３]. 某在建１１０kV 輸電工程線路總長(zhǎng)４１．６km,共 建設(shè)鐵塔１６２基,其中直線塔１４７基,轉(zhuǎn)角塔１５基. 

全線導(dǎo)線采用JL/G１AＧ３００/２５Ｇ４８/７型鋼芯鋁絞線 (ACSR),地線采用１×７Ｇ１１．４Ｇ１２７０ＧB(GJＧ８０)型鍍 鋅鋼絞 線 和 ２４ 芯 光 纖 復(fù) 合 架 空 地 線 (OPGW)光 纜.在進(jìn)行 N１６號(hào)鐵塔導(dǎo)、地線架設(shè)過程中發(fā)生 D 塔腿角鋼開裂失效. N１６ 號(hào) 鐵 塔 為 １１０BＧJG３Ｇ１５ 型 轉(zhuǎn) 角 塔,左 轉(zhuǎn) ４５°２８′３０″,D腿塔腳往上５cm 處角鋼背部發(fā)生橫向 開裂. 

該 塔 腿 角 鋼 材 料 為 Q３４５B 鋼、規(guī) 格 為 ∠１４０mm×１０mm、長(zhǎng)度為６４６７ mm.線路所處 地域的最高氣溫４０ ℃,最低氣溫－４０ ℃,最大風(fēng)速 ２７．５m??s－１. 

為確定該鐵塔塔腿角鋼開裂原因,防止同類開 裂失效再次發(fā)生,筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析.

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀檢驗(yàn) 

開裂角鋼位于 N１６號(hào)轉(zhuǎn)角鐵塔的 D 塔腿與塔 腳連接部位,該塔腿位于轉(zhuǎn)角塔的最外端拐點(diǎn)處,是 整個(gè)鐵塔承載拉伸應(yīng)力及彎曲應(yīng)力最大的部位.開 裂處位于保護(hù)帽上方角鋼與鋼板螺栓連接的最上層 兩個(gè)螺栓孔之間,除１處主裂縫外,３個(gè)螺栓孔內(nèi)均存在多處撕裂狀裂紋,且部分區(qū)域鍍鋅層已經(jīng)脫落, 如圖１所示.

１．２ 幾何尺寸檢驗(yàn) 

對(duì)開裂的塔腿角鋼進(jìn)行了尺寸測(cè)量.結(jié)果顯 示,角鋼的 邊 寬 均 為 １４０ mm,實(shí) 測(cè) 最 小 邊 厚 度 為 １０．３mm,符合設(shè)計(jì)圖紙及 YB/T４１６３－２０１６ [４]的 技術(shù)要求. 

１．３ 化學(xué)成分分析 

從開裂塔腿角鋼上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果 見表１.可以看出,塔腿角鋼的各元素含量均滿足 GB/T１５９１－２００８ [５]對(duì) Q３４５B鋼成分的技術(shù)要求. 

１．４ 金相檢驗(yàn)

從開裂塔腿角鋼上取樣進(jìn)行顯微組織分析和非 金屬夾雜物檢驗(yàn).結(jié)果表明:角鋼基體顯微組織為 等軸狀均勻分布的鐵素體＋珠光體,未見明顯的偏 析帶,C 類夾雜物含量為 ２．０ 級(jí),未見其他異常組 織,如圖２a)和圖２b)所示.螺栓孔表層覆有厚度約 為１００μm 的鍍鋅層,在螺栓孔邊緣鍍鋅層的下面存在最深約０．７mm 的裂紋,且有鋅分布于裂紋中, 說明這些裂紋在鍍鋅前的沖孔加工階段即已形成, 如圖２c)和圖２d)所示. 

.１．５ 力學(xué)性能試驗(yàn) 

從開裂的塔腿角鋼上取樣分別進(jìn)行室溫拉伸及 低 溫沖擊試驗(yàn),結(jié)果見表２.可以看出,角鋼常溫拉伸性能中的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)良,低溫沖擊韌性優(yōu)異,角 鋼材料具有良好的強(qiáng)韌性搭配. 

１．６ 斷口分析 

開裂塔腿角鋼的斷口宏觀形貌如圖３所示.斷 口上人字紋分布明顯,從人字紋分布及走向來看,開 裂起源于左側(cè)邊上的螺栓孔１處,并由該螺栓孔向 角鋼的另一邊擴(kuò)展,整個(gè)斷口分布基本垂直于角鋼 的長(zhǎng)度方向且垂直于表面.同時(shí),斷口整體呈脆性 斷裂特征,未見明顯塑性變形,為平坦的正斷口,邊 緣拉邊區(qū)非常小[６].

角鋼斷口經(jīng)除銹處理及超聲波清洗后,利用掃描 電子顯微鏡(SEM)觀察其微觀形貌特征[７Ｇ８].可以看 出,斷裂起始于螺栓孔內(nèi)部邊緣,初始斷裂區(qū)起源于 沖孔時(shí)形成的裂紋缺陷處,有較為明顯的撕裂形貌, 如圖４a)所示.斷口擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)舌狀解理斷裂形貌特 征,并伴有眾多二次裂紋,如圖４b)所示.斷口整體 呈現(xiàn)較為明顯的一次性脆性斷裂形貌特征. 

１．７ 有限元分析 

利用有限元法對(duì)鐵塔塔腿角鋼的受力狀態(tài)進(jìn)行 有限元分析[９Ｇ１０],如圖５所示.可以看出,當(dāng)塔腿承 受拉伸及彎曲應(yīng)力并達(dá)到一定程度時(shí),最大應(yīng)力最 先出現(xiàn)在塔腿與塔腳連接螺栓孔最上層的內(nèi)層螺栓 孔處(即初始斷裂螺栓孔),應(yīng)力水平可達(dá)到其他區(qū) 域的近十倍,與實(shí)際塔腿角鋼開裂失效情況相吻合. 如若螺栓孔的邊緣存在沖孔形成的裂紋缺陷時(shí),螺 栓孔的應(yīng)力集中會(huì)更為明顯,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí),裂紋便會(huì)發(fā)生擴(kuò)展并導(dǎo)致 塔腿角鋼的嚴(yán)重開裂.

２ 綜合分析 

低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示,塔腿角鋼在－２０ ℃條 件下的沖擊吸收能量為１０５．４J,遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的 ３４J,且鐵塔塔腿開裂時(shí)間為４月份,鐵塔所在地區(qū) 的最低氣溫為５℃左右,可以排除由于角鋼低溫脆 性導(dǎo)致開裂的可能性[１１].

從受力角度分析,開裂的 D 塔腿角鋼位于整個(gè) 轉(zhuǎn)角塔的最外端拐點(diǎn)處,是整個(gè)鐵塔承載拉伸應(yīng)力 及彎曲應(yīng)力最大的部位.此外,轉(zhuǎn)角塔在安裝時(shí)應(yīng) 按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行預(yù)偏,以使鐵塔在受力前先向反受力方向傾斜,保證其在受力后不向其受力的方向, 即轉(zhuǎn)角的內(nèi)側(cè)過度傾斜而使鐵塔的撓度超標(biāo),避免 鐵塔外拐點(diǎn)處塔腿承載過度[１２].該鐵塔在安裝過 程中未按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行預(yù)偏處理,因此在導(dǎo)、地線 架設(shè)張緊過程中在拉力的作用下會(huì)使鐵塔向轉(zhuǎn)角內(nèi) 側(cè)過度傾斜引起撓度超標(biāo)而引發(fā) D 塔腿承受過載 的拉應(yīng)力.在與塔腳連接的螺栓孔邊緣存在微裂紋 的情況下,會(huì)形成極大的應(yīng)力集中,并為斷裂提供裂 紋源. 

此外,盡管鐵塔用角鋼為強(qiáng)度級(jí)別較低的 Q３４５B 低合金鋼,但角鋼斷口解理特征非常明顯,說明材料 的脆性較大.為提高防腐性能,鐵塔用角鋼均進(jìn)行了 熱浸鍍鋅處理,如果鍍鋅前的酸洗工藝不當(dāng),極有可 能在螺栓孔處積存過量的氫,而沖孔階段積存的高應(yīng) 力又大大提高了角鋼的氫脆敏感性,高應(yīng)力與過量氫 的相互作用,極易引發(fā)角鋼的脆性開裂.

３ 結(jié)論及建議 

鐵塔塔腿角鋼螺栓孔的沖孔工藝不當(dāng),致使螺 栓孔邊緣存在裂紋缺陷,并在裂紋處形成較大的應(yīng) 力集中;同時(shí),鍍鋅前的酸洗工藝不當(dāng)也會(huì)使螺栓孔 處積存過量的氫,而高的應(yīng)力又極大地提高了鋼的 氫脆敏感性;鐵塔安裝過程中未按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行 預(yù)偏裝,在導(dǎo)、地線架設(shè)張緊過程中在拉力的作用下 鐵塔向轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)過度傾斜引起 D 塔腿承載過載的 拉應(yīng)力,使得螺栓孔處的裂紋擴(kuò)展并導(dǎo)致塔腿角鋼 開裂. 

為了保證輸電鐵塔用塔材的質(zhì)量,應(yīng)加強(qiáng)基建 階段的質(zhì)量管控,嚴(yán)格控制和優(yōu)化塔材的加工工藝. 此外,在鐵塔安裝過程中也應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求及 規(guī)范進(jìn)行安裝,避免鐵塔承受過大載荷. 

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文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)