分享：某输电线路钢管塔筒体开裂原因

摘 要:某输电线路钢管塔筒体发生开裂,采用宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、金相检 验、扫描电镜和能谱分析等方法对其开裂原因进行分析。结果表明:筒体材料的化学成分不满足标 准要求;筒体材料的显微组织异常是筒体开裂的主要原因。 

关键词:钢管塔;Q420B钢;筒体开裂;显微组织 

中图分类号:TB31;TG115.2                  文献标志码:B                    文章编号:1001-4012(2023)08-0063-04

钢管塔是输电线路铁塔的一种类型,其整体稳 定性好、抵抗自然灾害的能力强[1-2]。Q420B钢是 一种屈服强度不低于420 MPa的低合金、高强度 钢,具有优良的冷弯性能及焊接性能,主要应用于船 舶、钢结构桥梁、电力铁塔及其他大型结构件中[3], 使用 Q420B高强钢为铁塔的原材料,可进一步提高 铁塔的整体质量,减少运输及安装成本[4]。

采用同一批次、厚度为16mm 的 Q420B高强 钢钢板为输电线路工程钢管塔筒体的原材料。钢管 塔高度为40.45m,共由5段组成。筒体为正十六 边形,由4块钢板纵向焊接而成。筒体底部与外径 为2.49m的法兰盘焊接,法兰盘均匀分布着28个 螺栓孔,两孔之间由筋板与法兰盘和筒体焊接相连。 

该筒体运行一段时间后,底部发生开裂,并在随 后几天,裂纹持续扩展并延伸。笔者采用宏观观察、 化学成分分析、力学性能测试、金相检验、扫描电镜 (SEM)和能谱分析等方法对其开裂原因进行分析, 以防止该类问题再次发生。

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

裂纹主要分布于钢管塔受力侧的两块钢板位 置,裂纹宏观形貌及分布如图1所示。由图1可知: 有4条裂纹分布于多面体的棱角上,有3条裂纹分 布于平面上,裂纹均从底部向纵向扩展;筒体表面无 塑性变形,裂纹呈脆性开裂特征。 

筒体断口宏观形貌如图2所示,裂纹源位于钢板 心部位置,断口及附近无明显塑性变形,部分断口表 面呈黄褐色,部分断口表面未发生氧化,呈暗灰色。

1.2 化学成分分析

从3# 面裂纹处取样,按照 GB/T4336—2016 《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放 电原子发射光谱法(常规法)》对试样进行化学成分 分析,结果如表1所示。由表1可知:C、Cr、Mo元 素的质量分数均超过GB/T1591—2018《低合金高 强度结构钢》标准的最大值,其余元素的质量分数均 符合GB/T1591—2018对 Q420B钢的要求。

1.3 力学性能测试 

从筒体3# 面上沿纵向(塔高度方向)、横向分别取 样,并对其进行室温拉伸、室温弯曲、夏比冲击试验。 

室温拉伸试样的原始直径为10mm,原始标距 为50mm,在电子万能试验机上进行测试,结果如 表2所示。纵、横向试样的屈服强度为1153~1157MPa,抗拉强度为1232~1240MPa,均远高 于标准要求的最大值。断后伸长率为 10.5% ~ 13.5%,均低于标 准 要 求 的 最 小 值,结 果 不 符 合 GB/T1591—2018对 Q420B钢的要求。

室温弯曲试验结果如表3所示,纵、横向试样的 弯曲角度均未达到180°就发生了明显开裂,其中横 向试样弯曲90°时就发生开裂。

制备规格(长度×宽度×高度)为10 mm× 10mm×55mm的冲击试验试样,对其进行 V型缺口夏比摆锤冲击试验,温度为20℃,纵向试样两组 试验的冲击吸收能量平均值为34.9J,其中有1个 试验结果为28.5J,低于规定值。横向试样的冲击 吸收能量不满足标准要求,试验结果如表4所示。

1.4 金相检验

从筒体1# ,3# ,4# 面底部开裂处截取金相试 样,分别依次用180,320,400,600,800号砂纸进行 抛光,最后用体积分数为2%的硝酸乙醇溶液进行 腐蚀,再置于光学显微镜下观察。 

筒体1# 面开裂处试样的显微组织形貌如图3 所示,由图3可知:其显微组织为贝氏体+马氏体, 心部存在微裂纹,裂纹尖端分叉且沿晶扩展,裂纹内 部存在氧化物。 

筒体3# 面开裂处试样的裂纹及显微组织形貌 如图4所示,由图4可知:筒体3# 面表面存在多条 裂纹,表面裂纹开口宽窄不一,心部也存在多条基本 垂直于板厚方向的微裂纹;表面裂纹存在分支现象, 裂纹尖端沿晶扩展,且裂纹内部存在氧化物;心部组 织为贝氏体+马氏体。筒体4# 面开裂处试样的显 微组织形貌如图5所示,由图5可知:其显微组织为 贝氏体+马氏体。

1.5 扫描电镜和能谱分析 

利用扫描电镜对断口试样暗灰色区域进行能谱分析,结果如图6所示。由图6可知:断口存在大量 锌元素,说明钢板镀锌前已发生开裂,断口暗灰色区 域为渗锌痕迹。 

2 综合分析 

开裂筒体材料的化学成分及力学性能均不满足 标准要求,其 C、Cr、Mo元素的含量超过标准最大 值,屈服强度高于标准值,抗拉强度高于标准要求最 大值,断后伸长率低于标准要求的最小值,弯曲性能 不合格。

Q420B低合金高强度结构钢的生产工艺流程 为:铁液脱硫→转炉冶炼→精炼→模铸→轧制。为 了增强钢材的耐大气腐蚀性,延长使用寿命,电力工 程钢结构材料通常采用热镀锌技术[5],其工艺流程 为:脱脂→水洗→酸洗→水洗→热镀锌→钝化。热 轧后的冷却速率对 Q420B钢的显微组织及力学性 能影响较大,当冷却速率由2 ℃/s提高到18 ℃/s 时,显微组织从铁素体+珠光体转变为以粒状贝氏 体为主的组织[6]。金相检验结果表明,板心部的显 微组织均主要为贝氏体+马氏体,正常状态下钢板 厚度1/4处及心部组织应为铁素体+珠光体,这样 才能保证钢板具有良好的综合力学性能。钢板的显 微组织异常,这是因为轧制过程中终冷速率过快使 其产生了贝氏体及马氏体组织,从而产生了过高的 屈服强度、抗拉强度及较差的塑性、韧性。Q420B 钢的氢脆敏感性较低,但如果其组织异常,存在高强 度的 马 氏 体 相,其 屈 服 强 度、抗 拉 强 度 均 超 过 1000MPa,就会急剧增加钢板的氢脆敏感性[7-8]。

同时,断口的渗锌痕迹也证明了 Q420B钢板在镀锌 前已经发生开裂。另外,受导线拉力的影响,开裂处 位于钢管塔两块钢板上,大部分开裂发生在钢塔多 面体的棱角处,该处受弯曲加工塑性变形而发生加 工硬化,使该部位的韧性、塑性降低,在拉应力的作 用下,裂纹更容易沿棱角扩展。

3 结语 

(1)钢管塔筒体开裂钢板的化学成分、显微组 织、力学性能均不满足标准要求。 

(2)热轧终冷速率过快造成的组织不良是钢管 塔筒体开裂的主要原因,后续热镀锌表面酸洗工序 增加了钢板发生氢脆的风险。 

(3)在输电线路工程设备安装阶段,增加筒体 材料的质量抽检工序,及时排查隐患,可以避免该类 问题再次发生。

参考文献: 

[1] 孙竹森,程永锋,张强,等.输电线路钢管塔的推广与 应用[J].电网技术,2010,34(6):186-192. 

[2] 李智博,李海滨,张贺宗.提高 Q420角钢力学性能的探 讨[J].理化检验(物理分册),2008,44(6):293-295. 

[3] 曹晓春,甘国军,李翠光.Q460E钢在国家重点工程 中的应用[J].焊接技术,2007,36(增刊1):12-15. 

[4] 常建伟,李凤辉,徐德录,等.输电铁塔用角钢韧脆转 变温度评价方法研究[J].热加工工艺,2015,44(10): 64-68. 

[5] 李慧,李运刚,高建新.热镀锌工艺及锌镀层钝化的研 究现状[J].电镀与精饰,2008,30(12):16-20. 

[6] 王庆芬,罗 志 敏,马 到 原.控 轧 后 的 冷 却 速 度 对 Q420qENH园林钢组织和力学性能的影响[J].上海 金属,2021,43(2):13-19,26. 

[7] 李剑玉.弹性圆柱销开裂失效分析[J].理化检验(物 理分册),2020,56(2):58-60. 

[8] 罗洁,郭正洪,戎咏华.先进高强度钢氢脆的研究进展 [J].机械工程材料,2015,39(8):1-9.

<文章  > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 8期 (pp:63-66)>