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(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢 驗(yàn)、掃描電鏡和能譜分析等方法對其開裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:筒體材料的化學(xué)成分不滿足標(biāo) 準(zhǔn)要求;筒體材料的顯微組織異常是筒體開裂的主要原因。 

關(guān)鍵詞:鋼管塔;Q420B鋼;筒體開裂;顯微組織 

中圖分類號(hào):TB31;TG115.2                  文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                    文章編號(hào):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(zāi)害的能力強(qiáng)[1-2]。Q420B鋼是 一種屈服強(qiáng)度不低于420 MPa的低合金、高強(qiáng)度 鋼,具有優(yōu)良的冷彎性能及焊接性能,主要應(yīng)用于船 舶、鋼結(jié)構(gòu)橋梁、電力鐵塔及其他大型結(jié)構(gòu)件中[3], 使用 Q420B高強(qiáng)鋼為鐵塔的原材料,可進(jìn)一步提高 鐵塔的整體質(zhì)量,減少運(yùn)輸及安裝成本[4]。

采用同一批次、厚度為16mm 的 Q420B高強(qiáng) 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(gè) 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(yùn)行一段時(shí)間后,底部發(fā)生開裂,并在隨 后幾天,裂紋持續(xù)擴(kuò)展并延伸。筆者采用宏觀觀察、 化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡 (SEM)和能譜分析等方法對其開裂原因進(jìn)行分析, 以防止該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

裂紋主要分布于鋼管塔受力側(cè)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(kuò)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?jǐn)嗫诒? 面呈黃褐色,部分?jǐn)嗫诒砻嫖窗l(fā)生氧化,呈暗灰色。

1.2 化學(xué)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(jìn)行化學(xué)成分 分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:C、Cr、Mo元 素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過GB/T1591—2018《低合金高 強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)的最大值,其余元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均 符合GB/T1591—2018對 Q420B鋼的要求。

1.3 力學(xué)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(jìn)行室溫拉伸、室溫彎曲、夏比沖擊試驗(yàn)。 

室溫拉伸試樣的原始直徑為10mm,原始標(biāo)距 為50mm,在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試,結(jié)果如 表2所示?？v、橫向試樣的屈服強(qiáng)度為1153~1157MPa,抗拉強(qiáng)度為1232~1240MPa,均遠(yuǎn)高 于標(biāo)準(zhǔn)要求的最大值。斷后伸長率為 10.5% ~ 13.5%,均低于標(biāo) 準(zhǔn) 要 求 的 最 小 值,結(jié) 果 不 符 合 GB/T1591—2018對 Q420B鋼的要求。

室溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,縱、橫向試樣的 彎曲角度均未達(dá)到180°就發(fā)生了明顯開裂,其中橫 向試樣彎曲90°時(shí)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(yàn)試樣,對其進(jìn)行 V型缺口夏比擺錘沖擊試驗(yàn),溫度為20℃,縱向試樣兩組 試驗(yàn)的沖擊吸收能量平均值為34.9J,其中有1個(gè) 試驗(yàn)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)要求,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

1.4 金相檢驗(yàn)

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(hào)砂紙進(jìn)行 拋光,最后用體積分?jǐn)?shù)為2%的硝酸乙醇溶液進(jìn)行 腐蝕,再置于光學(xué)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(kuò)展,裂紋內(nèi) 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(kuò)展,且裂紋內(nèi)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(jìn)行能譜分析,結(jié)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?yàn)闈B鋅痕跡。 

2 綜合分析 

開裂筒體材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能均不滿足 標(biāo)準(zhǔn)要求,其 C、Cr、Mo元素的含量超過標(biāo)準(zhǔn)最大 值,屈服強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)值,抗拉強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)要求最 大值,斷后伸長率低于標(biāo)準(zhǔn)要求的最小值,彎曲性能 不合格。

Q420B低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)工藝流程 為:鐵液脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→精煉→模鑄→軋制。為 了增強(qiáng)鋼材的耐大氣腐蝕性,延長使用壽命,電力工 程鋼結(jié)構(gòu)材料通常采用熱鍍鋅技術(shù)[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(xué)性 能影響較大,當(dāng)冷卻速率由2 ℃/s提高到18 ℃/s 時(shí),顯微組織從鐵素體+珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤钬愂? 體為主的組織[6]。金相檢驗(yàn)結(jié)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(yīng)為鐵素體+珠光體,這樣 才能保證鋼板具有良好的綜合力學(xué)性能。鋼板的顯 微組織異常,這是因?yàn)檐堉七^程中終冷速率過快使 其產(chǎn)生了貝氏體及馬氏體組織,從而產(chǎn)生了過高的 屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(qiáng) 度的 馬 氏 體 相,其 屈 服 強(qiáng) 度、抗 拉 強(qiáng) 度 均 超 過 1000MPa,就會(huì)急劇增加鋼板的氫脆敏感性[7-8]。

同時(shí),斷口的滲鋅痕跡也證明了 Q420B鋼板在鍍鋅 前已經(jīng)發(fā)生開裂。另外,受導(dǎo)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(yīng)力的作 用下,裂紋更容易沿棱角擴(kuò)展。

3 結(jié)語 

(1)鋼管塔筒體開裂鋼板的化學(xué)成分、顯微組 織、力學(xué)性能均不滿足標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險(xiǎn)。 

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

參考文獻(xiàn): 

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