唐秦，张洪伟
中国南方电网有限责任公司超高压输电公司百色局 广西百色 533000
【摘要】：对于高压输电线路来说，铁塔是非常重要的组成部分，是保证线路正常运行的关键。但是输电线路铁塔在应用过程中容易受到多种因素（例如天气等）的影响而发生断裂，影响到输电线路的正常运营，所以需要对其断裂原因进行分析。本文主要从化学成分、力学性能、断口、金相等多方面分析高压输电线路铁塔腿根部断裂的原因，希望能够对相关人士提供参考。
【关键词】：高压输电线路；铁塔腿；断裂
0 引言
高压输电线路是电力系统的重要组成部分，其具有塔体高、跨度大、环境复杂等方面的特征，其安全性对于整个电网运行稳定性具有直接影响。特别是我国的北方地区在冬季会经常出现较大范围的风雪以及冻雨等较为恶劣的气候特征，这些自然环境会使得高压输电线路表层覆盖较厚的冰层，也会造成整个铁塔产生比较大幅度的摆动，严重情况下就会造成铁塔的很多位置产生损坏，也会造成某些连接螺栓发生松动断裂，甚至会造成塔材的脱落甚至整个铁塔的倾倒，从而造成较大的损失。因此要对高压输电线路铁塔腿根部等容易产生断裂或者一旦发生断裂就会造成较大损失的情况进行分析，明确其原因所在，从而避免后续类似情况的发生。
1 案例基本概况
某高压输电线路总体长度为42.2km，共设置有155基铁塔。在对18号铁塔（转角塔）的导地线架设时铁塔腿的角钢（塔脚之上6cm的钢背位置）发生开裂问题。此铁塔腿主要采用Q345B钢制作，总体长度为6334mm。为了避免此种类型铁塔腿再次出现开裂问题，需要对铁塔腿开裂原因进行分析。
2 铁塔腿断裂的理化检验分析
（1）总体情况检验
从现场情况分析可知，发生开裂的角钢主要处在转角铁塔塔腿的连接位置，其处在转角塔最外部拐点位置，该处是整个铁塔所受综合应力最大的区域。从开裂情况来看，除了存在1个主裂缝之外，周边几处螺栓孔也产生了撕裂状裂纹，某些位置的镀锌层也出现了脱落的情况，如图1所示。另外，对于发生开裂的铁
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图1 开裂塔腿角钢情况
塔腿角钢尺寸进行测量得知，角钢的两边宽度、边厚度等关键尺寸都满足设计图纸的标准要求。
（2）断口情况分析
该开裂的塔腿角钢断口形式如图2所示，从中可知断口中存在比较明显的人字纹，从纹路的情况来看开裂是从左边螺栓孔1开始的，以此为起点逐渐向角钢
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图2 铁塔断腿角钢断口形式
的另一侧扩展，整体上来看断口是和角钢长度方向相垂直。另外，铁塔腿主要呈现出脆性断裂的基本特性，断口较为平整，周边并没有出现明显的拉伸情况。通过扫描电子显微镜对断口进行扫描分析可知：铁塔腿断裂是从螺栓孔边缘开始的，初始断裂区域主要位于冲孔所形成的裂纹位置，具有非常显著的撕裂特征。总的来说，断口整体展现出非常显著的一次性脆性断裂的基本特征。
（3）化学成分分析
对于发生开裂的铁塔腿角钢化学成分进行分析能够得到表1所示结果，从中能够得知，此铁塔腿角钢的各个金属元素含量都控制在标准（GB/T1591-2008）范围内，符合Q345B钢的基本技术标准。
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（4）力学性能分析
为了分析开裂的铁塔腿角钢的力学性能，本文主要对该角钢样本进行了室温拉伸和低温冲击试验，最终得到如表2所示的结果。从表2中能够得知，该铁塔角钢在室温下的拉伸性能较为优良，具有较好的低温冲击韧性，角钢材料具有非常好的强韧性。
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（5）金相检验分析
对于开裂的铁塔腿角钢取样并对其显微组织、非金属夹杂物等进行检验能够得知：该铁塔腿所采用的角钢具有较为均匀的显微组织，其主要是等轴状分布的珠光体+铁素体，其中C类的夹杂物含量为2.0级，不存在其他的异常性组织。另外，在螺栓孔的表层存在着约100μm厚度的镀锌保护层，但是由于受到外部载荷的影响，在螺栓孔的周边镀锌层里面也产生了裂纹（通过显微显示该裂纹约0.7mm深），同时在裂纹内部存在着锌元素，这就表明此种裂纹在镀锌之前的冲孔过程中就产生了。
（6）有限元分析
为了进一步分析铁塔塔腿角钢的力学性能是否能够满足实际需求，通过有限元分析的方式进行验证，所得结果如图3所示。从图中能够得知，随着铁塔腿所
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图3 塔腿角钢应力分布情况
承受的拉伸和弯曲应力的逐渐增加，首先在塔腿和塔脚连接螺栓孔最上层位置的内层螺栓孔（就是指初始断裂的螺栓孔）产生了比较大的应力，该区域的应力较为突出，超过了其他区域的10倍之多，这就和铁塔腿角钢发生开裂时的实际情况相匹配。一旦在螺栓孔周边产生裂纹等缺陷时螺栓孔的应力集中情况会更加显著，随着应力的增加，一旦其长期超出材料所具有的屈服强度时就会造成裂纹的逐渐扩展，最终造成塔腿角钢产生开裂故障。
3 输电线路铁塔腿断裂的综合性分析
通过所做低温冲击试验能够得知：在-20℃条件下塔腿角钢所受冲击时可以吸收超过100J的能量，要远远超过标准值（标准设定为34J）。同时该铁塔塔腿发生开裂时是处在最低温度为6℃的环境中，所以铁塔腿角钢开裂并非是因为受到低温脆性所造成的，能够排除此方面的原因。
从另外的角度来看，产生开裂的塔腿角钢主要处在转角塔的极端位置，该区域属于铁塔受力最大的区域，角钢容易受到较大载荷的冲击而产生故障。同时，在铁塔安装过程中转角塔尤其关键，需要根据设计标准对其实施预偏，从而确保铁塔在受到较大外部载荷之前先向相反方向发生倾斜，进而确保其在受力状态下能够保持平衡状态，也就是指避免因为转角内部倾斜度较大而造成铁塔挠度过大，防止铁塔外拐点位置塔腿所受载荷过大。但是通过分析可知，发生开裂的铁塔在安装时并没有严格遵照设计标准实施预偏处理，所以在导线以及地线架设张静过程中形成较强的拉力，该拉力会使得铁塔向转角内部过度的倾斜，从而造成铁塔的挠度较大，进而引发铁塔腿受到较大的拉应力而发生开裂。
除此之外，虽然此铁塔采用的角钢材料为低合金钢（Q345B），但是角钢的端口节理具有非常显著的特性，这就表明该材料具有非常大的脆性。为了进一步增强防腐性能，铁塔所用角钢都进行了热浸镀锌的工艺处理。但是一旦在镀锌之前没有进行合理的酸洗，那么就非常容易在螺栓孔位置积存大量的氢元素，同时在冲孔时所形成的较大应力会大大增强角钢的氢脆敏感性，两者之间的相互作用就非常容易造成角钢的脆性开裂。
4 分析结论以及相应建议
通过以上分析能够得知，造成铁塔腿角钢根部开裂的主要原因包括如下几方面：
第一，角钢的螺栓孔在冲制过程中控制不当，从而造成螺栓孔周边隐藏有潜在裂纹，在此位置容易形成应力集中的情况；
第二，螺栓镀锌之前没有进行有效的酸洗，从而造成螺栓孔位置存在大量氢元素，增加了角钢的氢脆敏感性；
第三，没有遵照设计标准对铁塔实施预偏装，在进行导线和地线架设时受到较强拉力作用而造成塔腿应力过大，从而造成螺栓孔开裂。
为了降低铁塔腿的开裂，除了要加强塔材质量的控制外，也要进一步加强塔材的加工工艺控制。同时在安装时也要严格遵照设计标准规范来进行，降低铁塔所受到的外部载荷，减小应力影响。
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