Введение

Сталь обладает хорошей пластичностью и вязкостью при комнатной температуре, но с понижением температуры пластичность и вязкость стали непрерывно ухудшаются, а низкотемпературные механические свойства стали зависят от материала, формы сечения и толщины. С постоянным совершенствованием строительства энергосетей все больше линий сверхвысокого напряжения должны проходить через холодные регионы, особенно на северо-востоке Китая, где зимние температуры низкие и продолжительные, а годовой экстремальный минимум в некоторых районах может достигать -45℃ или даже ниже. Поскольку опоры линий электропередачи подвергаются воздействию атмосферной среды, они подвержены статическим, динамическим и ударным нагрузкам, таким как обледенение, сильный ветер и обрыв проводов. При неправильном проектировании и строительстве линии сверхвысокого напряжения в холодных регионах подвержены хрупкому разрушению уголковой стали при низких температурах. По неполным данным, с 1988 по 2013 год в Китае произошли десятки аварий с обрушением опор из-за низких температур. Для удобства обработки и транспортировки основные элементы опор обычно изготавливаются из нескольких секций уголковой стали, соединенных болтами. Отверстия под болты чаще всего обрабатываются пробивкой, в процессе которой вокруг стенок отверстий легко образуются микротрещины, создающие источники разрушения. При падении температуры ниже температуры хрупко-вязкого перехода уголковой стали под внешней нагрузкой эти микротрещины могут легко распространяться, приводя к разрушению болтовых соединений и обрушению опор. Основные элементы являются критически важными частями опор; при хрупком разрушении при низких температурах неизбежно происходит обрушение всей опоры, что угрожает безопасной и стабильной работе всей энергосистемы. Поэтому изучение низкотемпературных механических свойств уголковой стали, предотвращение хрупкого разрушения конструкции опор и обоснование выбора материалов имеют большое значение для проектов линий сверхвысокого напряжения.

1. Обзор эксперимента

В данном эксперименте изучались низкотемпературные механические свойства основных уголковых профилей Q345B и Q420C и их сварных соединений. Низкотемпературные испытания на растяжение проводились в соответствии со стандартами GB/T 228-2002 «Метод испытания металлических материалов на растяжение при комнатной температуре» и GB/T 13239-2006 «Метод низкотемпературных испытаний металлических материалов на растяжение». Для ударных испытаний при низких температурах использовался стандарт GB/T 2009-2007 «Метод испытания металлических материалов на ударную вязкость по Шарпи». Обработка и отбор образцов проводились в соответствии со стандартами GB/T 2975-1998 «Место отбора и подготовка образцов для испытаний механических свойств стали и стальных изделий».

Геометрические размеры образцов показаны на рисунке 1. Результаты после эксперимента представлены на рисунке 2.

Материалы для низкотемпературных испытаний на растяжение включали уголковую сталь Q345B, сварные соединения Q345B, уголковую сталь Q420C и сварные соединения Q420C. Выбранные основные профили уголковой стали: L125×12, L140×14 и L160×16 (обозначены как 12, 14 и 16 мм соответственно), а выбранные толщины сварных пластин составили 12, 14 и 16 мм. Температуры испытаний включали комнатную (20℃), -10℃, -20℃ и -45℃, всего было выполнено 144 испытания на растяжение.

Марки стали, модели уголковых профилей и толщины сварных пластин для низкотемпературных ударных испытаний были такими же, как и для испытаний на растяжение. Использовались температуры: комнатная (20℃), -10℃ (уголковая сталь Q345B), -20℃, -45℃ и -60℃ (сварные соединения Q345B, уголковая сталь Q420C и её сварные соединения), всего было выполнено 144 ударных испытания. Подробный перечень испытаний представлен в таблице 1.

2. Анализ результатов испытаний на растяжение

2.1 Показатели прочности

При низких температурах прочность на растяжение уголковой стали Q345B, сварных соединений Q345B, уголковой стали Q420C и сварных соединений Q420C увеличилась. Однако прочность на растяжение не увеличивалась монотонно с понижением температуры. Значения прочности на растяжение значительно варьировались в зависимости от толщины стали, но среди трех толщин 12-16 мм более тонкая сталь не обязательно имела более высокую прочность; не было четкой зависимости между толщиной и прочностью на растяжение. Основной металл как Q345B, так и Q420C имел более высокую прочность на растяжение, чем сварные соединения, с разницей в 50-100 МПа, что указывает на снижение прочности стали при сварке.

В экстремально холодном регионе при -45℃ предел текучести вышеупомянутых четырех типов стали увеличился, но не монотонно с понижением температуры. Предел текучести сварных соединений Q420C был ниже, чем у основного металла, в то время как у сварных соединений Q345B он был выше, что указывает на превосходство свариваемости Q345B по сравнению с Q420C при низких температурах.

При низких температурах коэффициент текучести стали незначительно увеличился, а сопротивление материала деформации ослабло. В то же время коэффициент текучести сварных соединений как Q345B, так и Q420C был выше, чем у основного металла, что указывает на более слабое сопротивление деформации сварных соединений и их большую склонность к хрупкому разрушению при низких температурах. 2.2 Показатели пластичности

При низких температурах относительное удлинение после разрыва уголковой стали Q345B немного уменьшается, что указывает на худшую пластичность. Однако у сварных соединений Q345B, уголковой стали Q420C и некоторых толщин сварных соединений Q420C относительное удлинение после разрыва немного увеличивается или показывает неоднозначные тенденции при низких температурах. Способность к пластической деформации уголковой стали Q420C при низких температурах превосходит таковую у Q345B, в то время как свариваемость материала Q345B при низких температурах лучше, чем у Q420C.

3 Анализ результатов ударных испытаний

Зависимость ударной вязкости от температуры анализировалась с использованием функции Больцмана. Результаты показывают, что ударная вязкость обоих типов уголковой стали и сварных соединений снижается с понижением температуры, а после достижения определенной точки значение ударной вязкости быстро уменьшается при дальнейшем снижении температуры.

Температура хрупко-вязкого перехода (t₀) и другие параметры были получены путем аппроксимации функции Больцмана для различных материалов и толщин. Средние температуры хрупко-вязкого перехода для трех различных толщин одного материала составили -2.59℃, -15.28℃, -32.33℃ и -6.76℃ для уголковой стали Q345B, сварных соединений Q345B, уголковой стали Q420C и сварных соединений Q420C соответственно. Очевидно, что способность уголковой стали Q420C сопротивляться хрупкому разрушению при низких температурах значительно превосходит таковую у Q345B. В то же время сопротивление хрупкому разрушению сварных соединений Q345B при низких температурах выше, чем у основного металла, а у сварных соединений Q420C — значительно ниже.

В худшем случае при температуре -45℃ только уголковая сталь Q420C соответствует требованиям спецификации по ударной вязкости≥34Дж.

4 Выводы

1) В высокогорных регионах при -45℃ низкие температуры увеличивают прочность на растяжение и предел текучести уголковой стали Q345B, сварных соединений Q345B, уголковой стали Q420C и сварных соединений Q420C. Прочность на растяжение стали различной толщины варьируется при низких температурах, но более тонкая сталь не всегда имеет более высокую прочность. 2) Температуры хрупко-вязкого перехода для уголковой стали Q345B, сварных соединений Q345B, уголковой стали Q420C и сварных соединений Q420C составляют -2.59℃, -15.28℃, -32.33℃ и -6.76℃ соответственно. Уголковая сталь Q420C значительно лучше сопротивляется хрупкому разрушению при низких температурах, чем Q345B. В опорах ЛЭП, расположенных в экстремально холодных регионах при -45℃, использование уголковой стали Q345B небезопасно, в то время как Q420C соответствует требованиям проектирования.

3) Сварка снижает прочность на растяжение и предел текучести уголковой стали Q420C, увеличивая коэффициент текучести. При низких температурах сварка значительно снижает сопротивление уголковой стали Q420C хрупкому разрушению. Поэтому в опорах ЛЭП, расположенных в экстремально холодных регионах при -45℃, следует по возможности избегать сварки Q420C.