330kV线路转角塔塔脚板角钢开裂原因分析

田革燊，秦 睿，杨景建，李 军，蒋 菲

(1.国网甘肃省电力公司，甘肃 兰州 730030；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730000)

330kV线路转角塔塔脚板角钢开裂原因分析

田革燊1，秦 睿2，杨景建2，李 军2，蒋 菲2

(1.国网甘肃省电力公司，甘肃 兰州 730030；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730000)

采用应力校核、断口检验、机械性能试验、扫描电镜微观分析、化学成分分析等方法，分析了铁塔塔脚板开裂原因：因角钢2个边与底座加强筋板角焊缝端部存在焊接裂纹，造成原始焊接裂纹处起裂并向深度方向及两侧缓慢疲劳扩展，在低温大风等极端气候条件下，角钢2个边的二次裂纹失稳快速扩展并汇集，最终形成贯穿型韧性开裂。最后，提出了全面加强对塔脚板焊接质量的监督检查工作的建议。

输电线路；转角塔；塔脚板；Q420钢；韧性开裂

0 引言

在架空输配电线路中，铁塔的应用十分广泛。作为连接塔身与基础的关键支撑部件，塔脚板的质量水平直接决定了铁塔的安全、稳定和可靠运行。在现有的加工技术条件下，塔脚板焊接全部采用人工电弧焊方式，因此焊接人员的业务技能、工作经验、责任心对塔脚板的焊接加工质量会产生直接影响。不同的塔型、不同位置的塔脚板，在运行中承受的拉、压、切等应力状况也不相同。在各种载荷的综合作用下，转角塔的外角侧塔脚板在运行中主要承受拉伸和弯曲应力。因此，对转角塔的外角侧塔脚板而言，焊接质量的优劣对其及整个铁塔的安全可靠更加重要。

现介绍西北地区某330kV输电线路转角塔运行中发生的塔脚板角钢开裂事件，通过对铁塔运行真实环境工况与铁塔设计强度条件进行校核、开展塔脚板综合试验检测，以分析查找塔脚板角钢开裂的真实原因，为全面开展同类问题的排查处理提供科学依据。

1 铁塔简介

该塔采用3A1-JC4塔型，呼称高24m，右转87°00′03″，小号侧档距为173m，大号侧档距为409m，2014年11月带电投运。铁塔设计运行条件为：海拔 1770—2034m，覆冰厚度 5mm，基准风速27m/s，最低气温-30℃。2016年2月，巡视发现铁塔外角侧塔脚板主材角钢出现贯穿型开裂，并立即对铁塔失效塔脚板进行更换。

失效塔脚板的设计参数：材质Q420，型号∠160mm×14mm，材料牌号Q420B，角接焊缝设计资料为Q420/14mm板与Q420/∠160mm×14mm角钢T型对接焊缝。

2 事件调查内容

针对该塔为大角度转角塔，两侧档距相差较大，事发前当地曾出现罕见低温天气等多种因素，对塔脚板的失效原因主要从气象条件、强度校核、取样检测、断口分析和能谱分析方面进行调查。

2.1 气象条件

经查阅当地气象部门气象监测数据，显示截至事发当日，该地区近30年来监测到的最大风速为19.0m/s，最低气温为-29.1℃。查阅该塔投运后的2个冬季气象监测数据，发现该地区出现的最大风速和最低气温分别为2016年2月初的18.1m/s和 -23.9℃。

2.2 强度校核

依据该塔的施工图设计说明书、铁塔及基础明细表和前后耐张段的平断面图及机电施工图、铁塔及基础配置情况等资料，对该塔设计技术情况进行全面的复核分析。从结构受力计算、挠度、材质等方面，对该塔实际使用情况和设计情况进行了以下对比分析。

2.2.1 整体受力校核

该塔在本工程条件作用下，整体受力满足要求。拉腿主材应力达到钢材强度设计值的64.2%，满足构件强度要求。

2.2.2 设计性能校核

该塔在33m/s的设计最大风速作用下，塔身的整体受力满足要求，拉腿主材所受拉应力达到钢材强度设计值的75.3%，满足构件强度要求。按照设计情况，满足百年一遇风速的受力要求。

2.2.3 塔脚板角钢性能校核

该塔塔脚板Q420角钢的质量等级为B级，满足DL/T5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》和GB50017—2003《钢结构设计规范》等规程规范及近年来特高压工程关于材质的质量等级要求，符合客运专线供电线路的重要性要求。

2.3 取样检测

2.3.1 宏观检查

角钢2边宽度的实测值为161.24/160.86mm，2个边厚度的实测值为14.34/14.24mm，塔脚板与底座加强筋板角焊缝焊脚尺寸为13mm×13mm×8mm。样品的实测值均符合GB/T2694—2010标准要求。

裂纹在角钢脊部开口最宽，宽度最大值约2mm。由脊部向两翼扩展，其开裂宽度逐步缩小；1，2号裂纹走向均经过加强筋板角焊缝上端熔合线及热影响区；1号边存在轻微的弯曲形变，2号边无形变，其形貌如图1所示。

图1 裂纹宏观形貌

1号裂纹长119mm，从脊部向边侧82mm的裂纹两侧母材无明显形变；82—119mm范围裂纹两侧母材表面向内收缩约0.5mm。2号裂纹长134mm，从脊部向边侧73mm的裂纹两侧母材无明显形变；73—134mm范围裂纹开口两侧母材表面向内收缩约1.0mm，其形貌见图2，3所示。

图2 1号裂纹

图3 2号裂纹

上述现象表明裂纹末端在拉应力作用下存在明显的收缩变形，如图4，5所示。

图4 1号裂纹尖端

图5 2号裂纹尖端

对1，2号裂纹解剖，发现裂纹横断面呈锯齿状，并存在少量的二次裂纹。其中2号裂纹是2条裂纹分别由钢材两侧外表面向内部扩展汇聚而成的，2条裂纹的断裂面相互平行但不在一个平面，间距约1mm，如图 6，7 所示。

图6 1号裂纹横断面

图7 2号裂纹横断面

在裂纹尖端附近母材表面，可用肉眼观察到相互平行的微小裂纹，如图8所示。通过渗透探伤检测，裂纹显示更为明显，说明在裂纹前端材料受到较大的局部拉应力，从而产生了轻微变形。

图8 裂纹前端微裂纹

2.3.2 材质检测

对角钢1，2号边进行材质化学成分分析，在不同部位分别取样，进行常温拉伸、弯曲、冲击及低温冲击试验，试验分析结果如表1—6所示。

表1 化学成分分析结果(质量分数) %

表2 光谱分析结果 %

表3 常温拉伸试验结果

表4 弯曲试验结果

表6 夏比(V型)低温冲击试验结果

由表1—6的数据可见，该塔脚板角钢化学成分及常温冲击性能均符合GB/T1591—2008标准要求，而低温冲击试验kV2(冲击吸收能量)不合格。

2.4 断口检验

沿着断裂面将裂纹两侧角钢分离后，可以看出整个断裂面呈现纤维状断口特征，断裂形式为韧性断裂，如图9所示。

图9 裂纹断裂面

2.4.1 1 号裂纹断口

从1号裂纹断裂面可见到起始于加强筋角焊缝边缘的辐射状山脊条纹，其汇聚点存在原始裂纹区，其表面存在红褐色的腐蚀产物，深度约2mm，其余裂纹扩展区域断裂面大部分表面呈灰色，具有金属光泽，如图10所示。在原始裂纹外表面侧，因存在镀锌层未产生明显的腐蚀现象，可见裂纹起始于原始裂纹。

图10 1号裂纹断口形貌

1号裂纹断裂面扫描电镜形貌如图11，12所示。在裂纹源处存在间距较小，呈波浪形疲劳辉纹及河流状花样，为韧性疲劳辉纹及塑性变形特征。裂纹扩展区表现为韧窝形态，韧窝底部存在第2相粒子，呈不规则的长条和圆粒状颗粒，在大韧窝之间分布着无数小韧窝花样。

图11 裂纹扩展区韧窝SEM形貌(800×)

图12 裂纹源SEM形貌(400×)

2.4.2 2 号裂纹断口

2号裂纹在加筋板角焊缝端部处同样存在原始裂纹区域，深度约1.5mm范围内因有镀层覆盖未发生明显锈蚀，而内部靠近裂纹扩展区域断面表面锈蚀明显，裂纹断面存在35mm长台阶型断裂面，如图13，14所示。

图13 2号裂纹断口形貌

图14 2号裂纹台阶型断裂面

2.5 能谱分析

1号边原始裂纹能谱线扫描分析结果显示，在原始裂纹距表面深度340μm范围内存在大量锌元素，如图15所示。

2号边原始裂纹能谱线扫描分析结果显示，在原始裂纹距表面深度1400μm范围内也存在大量锌元素，如图16所示。

为验证能谱分析结果的有效性，对临近裂缝两侧角钢再次扩大取样3件，并对每件2次共6次不同位置进行能谱线扫描比对分析。检测结果显示，正常部位角钢断面锌元素渗入深度全部在200—260μm范围内，见表7和图17。

图15 1号边原始裂纹线扫描能谱

表7 正常部位与裂纹断面能谱分析对比表 μm

图17 正常角钢线扫描能谱

与塔脚板1，2号原始裂纹断面锌元素渗入深度 340μm 和 1400μm 范围相比，原始裂纹断面与正常部位断面锌元素渗入深度差距巨大，充分证明了原始裂纹断面大量锌元素渗入的电镜扫描分析结果。

根据铁塔制造厂家提供的质量证明书中塔脚板Q420B∠160mm×14mm型角钢出厂镀锌检测记录显示，锌层厚度为127—130μm。由此判定，本次试验检测中正常部位角钢断面能谱线扫描锌元素渗入深度为200—260μm，这应为镀锌层厚度与锌铁合金层厚度之和。

3 结果分析

3.1 应力分析

1号边存在轻微的弯曲形变，2号边无明显形变，说明1号边承受相对较大的拉应力。裂纹在角钢脊部开口最宽，最大值约2mm。由脊部向两翼扩展，开裂宽度逐步缩小，裂纹尖端附近母材上肉眼明显可见相互平行的微小裂纹，说明该塔脚板受到较大的弯曲应力，并在角钢脊部承受峰值拉应力。

3.2 断口分析

1号裂纹断口裂纹扩展区表现为韧窝形态，在大韧窝之间分布着无数小韧窝花样，呈现明显的韧性断裂特征。裂纹源处表现为韧性疲劳辉纹及塑性变形特征，说明在裂纹起裂初期承受低应力高周期疲劳风载荷；疲劳裂纹扩展到一定阶段，该裂纹受到突发载荷导致角钢边快速韧性撕裂。

1，2号角钢边的开裂均起源于加筋板与角钢角焊缝端部的原始裂纹，在承受较大拉应力的条件下，1号裂纹由原始裂纹尖端应力集中点向内部及两侧扩展，最终贯穿整个断面。2号裂纹断面存在1个台阶，说明1号裂纹先扩展至2号边靠近角钢脊部，与2号裂纹汇集后形成35mm长的台阶型断裂面。

3.3 二次裂纹成因分析

原始焊接裂纹尖端处应力集中系数k在1.8—3.0范围内，此处峰值应力达到钢材强度设计值的115.56%—192.6%，超出许可应力值。二次裂纹在原始焊接裂纹尖端处萌生并在风载等其他交变应力因素作用下缓慢疲劳扩展。而Q420B钢碳当量相对较高，其在低温运行工况下脆性明显增加。从表5，6数据对可知，在-20℃运行工况下，Q420B钢冲击功仅为常温运行工况的15.9%；事发前当地最低气温达到-23.9℃，较低的气温造成角钢韧性明显下降，导致角钢抵抗变形和断裂的能力大大降低。在低温大风等极端气候条件下，角钢2个边的二次裂纹失稳扩展并汇集，最终形成贯穿型韧性开裂。

4 结论及建议

4.1 调查分析结论

由于制造过程中焊前清理不彻底、层间温度偏高及焊后角焊缝未完全打磨圆滑等原因，塔脚板角钢主材2个边与加筋板角焊缝端部产生了裂纹。热镀锌时锌液渗入裂纹断面开口处，导致原始裂纹断面与正常部位断面锌元素渗入深度差距巨大。因有镀层覆盖，深度约1.5mm范围内未发生明显锈蚀，但内部靠近裂纹扩展区域断面表面锈蚀明显。运行中受该塔脚所处大转角塔外侧位置影响，致使塔脚板长期承受了较大的拉应力，角钢2个边的二次裂纹从原始焊接裂纹处萌生并缓慢疲劳扩展，在低温且突发大风工况下角钢2个边的二次裂纹快速扩展并汇集，最终形成贯穿型韧性开裂。

4.2 防范建议

相对Q345等钢材而言，Q420和Q460钢的焊接工艺难度大，焊接技术要求高，铁塔生产企业首先要严格按照工艺及质量管理要求，遵守设计的焊接工艺、焊条材质等各项要求，规范加工施焊。同时应加强对塔脚板焊接质量的监督检测，并对承受较大应力部位增加无损检测比例。

对处于低温大风等环境下、主材设计应力达到钢材强度设计值33%以上的铁塔，设计中应相应提高其钢材的质量等级，确保在低温环境下，钢材的冲击功不低于常温设计值，以保障其有足够的抵抗变形和断裂的性能。

针对同一地域范围内该厂家生产的同型号塔应用数量较大的实际情况，首先要及时安排开展塔脚板焊接裂纹排查，重点检查塔脚板焊缝端部是否存在原始裂纹；同时，要在后续铁塔施工过程中开展塔脚板安装前的质量抽检，及时发现和处理焊接裂纹等质量隐患，避免由于塔脚板焊接裂纹发现不及时造成的输电线路倒塔等严重后果。

1许雷雷，梁国兴．承压热冲击下压力容器断裂力学分析[J].原子能科学技术，2014，48(11)：2076-2084．

2吴连生．机械装备失效分析图谱[M]．广州：广东科技出版社，1990.

3王威，王杜良，苏三庆，等．钢铁材料结构构件工作应力的检测方法及特点[J]．钢结构，2004，19(5)：43-46．

4国家能源局．DL/T5154—2012架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S]．北京：中国计划出版社，2012．

5中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．GB50017—2003钢结构设计规范[S]．北京：中国标准出版社，2003．

2016-12-11；

2017-03-11。

田革燊(1974—)，男，高级工程师，主要从事电网企业质量监督管理工作，email：tiangs@gs.sgcc.com.cn。

秦睿(1967—)，男，高级工程师，主要从事金属技术监督管理工作。

杨景建(1977—)，男，高级工程师，主要从事金属监督检验、失效分析研究工作。

李军(1981—)，男，高级工程师，主要从事金属监督检验、失效分析研究工作。

蒋菲(1990—)，女，工程师，主要从事金属监督检验、失效分析研究工作。