分享：在建１１０kV输电线路铁塔塔腿开裂失效分析

摘 要:某１１０kV 输电线路在基建安装过程中发生铁塔塔腿角钢开裂失效.利用宏观检验、化 学成分分析、力学性能试验、金相检验、断口分析及有限元分析等试验方法对塔腿角钢开裂的原因 进行了分析.结果表明:铁塔塔腿角钢的螺栓孔冲孔工艺不当,在螺栓孔边缘形成较多裂纹,在铁 塔安装过程中异常预偏装载荷形成的过载应力作用下,螺栓孔边缘的裂纹扩展并导致角钢开裂失 效.最后提出了相应的防控措施. 

关键词:输电线路;塔腿;角钢;开裂;螺栓孔;冲孔裂纹;预偏装 

中图分类号:TM７５２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７６１Ｇ０４ 

架空输电线路是电力系统中的重要生命线工程, 具有塔体高、跨度大及赋存环境复杂多变等特点,其 安全与可靠性直接关系到电网的安全稳定运行[１Ｇ３]. 某在建１１０kV 输电工程线路总长４１．６km,共 建设铁塔１６２基,其中直线塔１４７基,转角塔１５基. 

全线导线采用JL/G１AＧ３００/２５Ｇ４８/７型钢芯铝绞线 (ACSR),地线采用１×７Ｇ１１．４Ｇ１２７０ＧB(GJＧ８０)型镀 锌钢绞 线 和 ２４ 芯 光 纤 复 合 架 空 地 线 (OPGW)光 缆.在进行 N１６号铁塔导、地线架设过程中发生 D 塔腿角钢开裂失效. N１６ 号 铁 塔 为 １１０BＧJG３Ｇ１５ 型 转 角 塔,左 转 ４５°２８′３０″,D腿塔脚往上５cm 处角钢背部发生横向 开裂. 

该 塔 腿 角 钢 材 料 为 Q３４５B 钢、规 格 为 ∠１４０mm×１０mm、长度为６４６７ mm.线路所处 地域的最高气温４０ ℃,最低气温－４０ ℃,最大风速 ２７．５m??s－１. 

为确定该铁塔塔腿角钢开裂原因,防止同类开 裂失效再次发生,笔者对其进行了检验和分析.

１ 理化检验 

１．１ 宏观检验 

开裂角钢位于 N１６号转角铁塔的 D 塔腿与塔 脚连接部位,该塔腿位于转角塔的最外端拐点处,是 整个铁塔承载拉伸应力及弯曲应力最大的部位.开 裂处位于保护帽上方角钢与钢板螺栓连接的最上层 两个螺栓孔之间,除１处主裂缝外,３个螺栓孔内均存在多处撕裂状裂纹,且部分区域镀锌层已经脱落, 如图１所示.

１．２ 几何尺寸检验 

对开裂的塔腿角钢进行了尺寸测量.结果显 示,角钢的 边 宽 均 为 １４０ mm,实 测 最 小 边 厚 度 为 １０．３mm,符合设计图纸及 YB/T４１６３－２０１６ [４]的 技术要求. 

１．３ 化学成分分析 

从开裂塔腿角钢上取样进行化学成分分析,结果 见表１.可以看出,塔腿角钢的各元素含量均满足 GB/T１５９１－２００８ [５]对 Q３４５B钢成分的技术要求. 

１．４ 金相检验

从开裂塔腿角钢上取样进行显微组织分析和非 金属夹杂物检验.结果表明:角钢基体显微组织为 等轴状均匀分布的铁素体＋珠光体,未见明显的偏 析带,C 类夹杂物含量为 ２．０ 级,未见其他异常组 织,如图２a)和图２b)所示.螺栓孔表层覆有厚度约 为１００μm 的镀锌层,在螺栓孔边缘镀锌层的下面存在最深约０．７mm 的裂纹,且有锌分布于裂纹中, 说明这些裂纹在镀锌前的冲孔加工阶段即已形成, 如图２c)和图２d)所示. 

.１．５ 力学性能试验 

从开裂的塔腿角钢上取样分别进行室温拉伸及 低 温冲击试验,结果见表２.可以看出,角钢常温拉伸性能中的各项指标均优良,低温冲击韧性优异,角 钢材料具有良好的强韧性搭配. 

１．６ 断口分析 

开裂塔腿角钢的断口宏观形貌如图３所示.断 口上人字纹分布明显,从人字纹分布及走向来看,开 裂起源于左侧边上的螺栓孔１处,并由该螺栓孔向 角钢的另一边扩展,整个断口分布基本垂直于角钢 的长度方向且垂直于表面.同时,断口整体呈脆性 断裂特征,未见明显塑性变形,为平坦的正断口,边 缘拉边区非常小[６].

角钢断口经除锈处理及超声波清洗后,利用扫描 电子显微镜(SEM)观察其微观形貌特征[７Ｇ８].可以看 出,断裂起始于螺栓孔内部边缘,初始断裂区起源于 冲孔时形成的裂纹缺陷处,有较为明显的撕裂形貌, 如图４a)所示.断口扩展区呈现舌状解理断裂形貌特 征,并伴有众多二次裂纹,如图４b)所示.断口整体 呈现较为明显的一次性脆性断裂形貌特征. 

１．７ 有限元分析 

利用有限元法对铁塔塔腿角钢的受力状态进行 有限元分析[９Ｇ１０],如图５所示.可以看出,当塔腿承 受拉伸及弯曲应力并达到一定程度时,最大应力最 先出现在塔腿与塔脚连接螺栓孔最上层的内层螺栓 孔处(即初始断裂螺栓孔),应力水平可达到其他区 域的近十倍,与实际塔腿角钢开裂失效情况相吻合. 如若螺栓孔的边缘存在冲孔形成的裂纹缺陷时,螺 栓孔的应力集中会更为明显,当应力达到一定程度超过材料的屈服强度时,裂纹便会发生扩展并导致 塔腿角钢的严重开裂.

２ 综合分析 

低温冲击试验结果显示,塔腿角钢在－２０ ℃条 件下的冲击吸收能量为１０５．４J,远高于标准要求的 ３４J,且铁塔塔腿开裂时间为４月份,铁塔所在地区 的最低气温为５℃左右,可以排除由于角钢低温脆 性导致开裂的可能性[１１].

从受力角度分析,开裂的 D 塔腿角钢位于整个 转角塔的最外端拐点处,是整个铁塔承载拉伸应力 及弯曲应力最大的部位.此外,转角塔在安装时应 按照设计要求进行预偏,以使铁塔在受力前先向反受力方向倾斜,保证其在受力后不向其受力的方向, 即转角的内侧过度倾斜而使铁塔的挠度超标,避免 铁塔外拐点处塔腿承载过度[１２].该铁塔在安装过 程中未按照设计要求进行预偏处理,因此在导、地线 架设张紧过程中在拉力的作用下会使铁塔向转角内 侧过度倾斜引起挠度超标而引发 D 塔腿承受过载 的拉应力.在与塔脚连接的螺栓孔边缘存在微裂纹 的情况下,会形成极大的应力集中,并为断裂提供裂 纹源. 

此外,尽管铁塔用角钢为强度级别较低的 Q３４５B 低合金钢,但角钢断口解理特征非常明显,说明材料 的脆性较大.为提高防腐性能,铁塔用角钢均进行了 热浸镀锌处理,如果镀锌前的酸洗工艺不当,极有可 能在螺栓孔处积存过量的氢,而冲孔阶段积存的高应 力又大大提高了角钢的氢脆敏感性,高应力与过量氢 的相互作用,极易引发角钢的脆性开裂.

３ 结论及建议 

铁塔塔腿角钢螺栓孔的冲孔工艺不当,致使螺 栓孔边缘存在裂纹缺陷,并在裂纹处形成较大的应 力集中;同时,镀锌前的酸洗工艺不当也会使螺栓孔 处积存过量的氢,而高的应力又极大地提高了钢的 氢脆敏感性;铁塔安装过程中未按照设计要求进行 预偏装,在导、地线架设张紧过程中在拉力的作用下 铁塔向转角内侧过度倾斜引起 D 塔腿承载过载的 拉应力,使得螺栓孔处的裂纹扩展并导致塔腿角钢 开裂. 

为了保证输电铁塔用塔材的质量,应加强基建 阶段的质量管控,严格控制和优化塔材的加工工艺. 此外,在铁塔安装过程中也应严格按照设计要求及 规范进行安装,避免铁塔承受过大载荷. 

参考文献: 

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文章来源——材料与测试网