1、輸電鐵塔用耐候冷彎型鋼開(kāi)發(fā)背景

近年來(lái)，隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，冷彎薄壁型鋼等經(jīng)濟(jì)型材發(fā)展很快，與傳統(tǒng)軋制型材（角鋼、工字鋼、槽鋼）相比，其自身截面性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)效益顯著，這些經(jīng)濟(jì)型材用量在逐年增加，而角鋼等熱軋型鋼截面特性無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)且價(jià)位較高，當(dāng)規(guī)格選用稍多時(shí)，供貨尚無(wú)保證。在這種情況下，探討冷彎型鋼在輸電鐵塔上的應(yīng)用已顯得十分必要。2009年，泰安科諾型鋼股份有限公司與國(guó)家電網(wǎng)合作，聯(lián)合開(kāi)發(fā)輸電鐵塔用耐候冷彎型鋼，2011年已經(jīng)應(yīng)用到輸電線路工程中。耐候型冷彎型鋼在輸電線路鐵塔中的應(yīng)用尚屬首次，設(shè)計(jì)中的不確定因素較多，為了保證工程的安全可靠運(yùn)行，國(guó)家電網(wǎng)對(duì)廈門(mén)梧侶到內(nèi)宮220kV輸電線路塔型進(jìn)行了真型試驗(yàn)，選取兩基耐候型冷彎角鋼輸電鐵塔應(yīng)用于工程中，通過(guò)對(duì)9個(gè)工況的設(shè)計(jì)荷載測(cè)試，并達(dá)到了預(yù)計(jì)效果，為耐候鋼在我國(guó)輸電鐵塔中的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

2、耐候型冷彎型鋼在輸電線路鐵塔中的應(yīng)用

2.1輸電鐵塔采用耐候鋼優(yōu)勢(shì)

熱鍍鋅防腐由于對(duì)環(huán)境污染較嚴(yán)重，一直受到環(huán)保部門(mén)的限制。為適應(yīng)建設(shè)節(jié)約、環(huán)保型社會(huì)的要求，應(yīng)在輸電線路桿塔上探討使用新的防腐蝕方式。結(jié)合冷彎型鋼的使用，在桿塔上使用耐候鋼是一種合適的防腐蝕措施。

耐候鋼是通過(guò)添加少量合金元素，使其在大氣中具有良好耐腐蝕性能的低合金高強(qiáng)度鋼。耐候鋼的耐大氣腐蝕性能為普通碳鋼的2～8倍，并且使用時(shí)間愈長(zhǎng)，耐蝕作用愈突出。耐候鋼除具有良好的耐候性外，還具有優(yōu)良的力學(xué)、焊接使用性能。目前，我國(guó)高強(qiáng)耐候鋼的生產(chǎn)工藝已經(jīng)日趨成熟，成本不斷下降，已廣泛用于鐵路系統(tǒng)，性能良好。

在輸電鐵塔上采用耐候鋼材，與制造鐵塔的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，雖材料的一次性投資略高于普通型鋼，但由于去掉了防腐工序，并減輕了維護(hù)負(fù)擔(dān)，經(jīng)初步測(cè)算，成本與采用普通鋼材基本持平，同時(shí)還能大幅度減少環(huán)境污染，社會(huì)效益、環(huán)保效益顯著。

2.2輸電鐵塔采用冷彎型鋼的優(yōu)勢(shì)

冷彎薄壁型鋼是由帶鋼或鋼板通過(guò)冷軋機(jī)或壓彎成型機(jī)加工成型的輕型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，主要截面型式有槽型、工字型、Z型、角型、T型、方箱型、圓管型等。冷彎型鋼可在常溫下加工成型，能根據(jù)需要生產(chǎn)出材料分布最優(yōu)的合理截面形狀，開(kāi)拓了主要借助截面形狀而不是單純?cè)黾硬牧嫌昧縼?lái)提高承載力的新途徑，這對(duì)于節(jié)約能源和資源具有十分重要的意義。目前它已被廣泛用于工業(yè)廠房、民用建筑、交通及市政設(shè)施。

冷彎薄壁型鋼定尺任意，可加工任意形狀和尺寸的構(gòu)件。定尺任意可避免由于桿件定長(zhǎng)導(dǎo)致的材料浪費(fèi)。冷彎薄壁型鋼形狀可多樣化，批量不受限，對(duì)一基塔上不同部位的桿件可以根據(jù)受力特征加工出相應(yīng)的合理形狀，例如塔身斜材可加工成不等肢角鋼以充分利用材料的承載性能，降低材料重量。

目前我國(guó)熱軋高強(qiáng)度角鋼市場(chǎng)供應(yīng)很少，使高強(qiáng)度角鋼在輸電鐵塔上的應(yīng)用受到很大限制。冷彎薄壁型鋼由鋼板加工成型，鋼材型號(hào)多種多樣，為設(shè)計(jì)人員的選材提供了更大的靈活性，尤其是可推動(dòng)高強(qiáng)鋼在鐵塔上的應(yīng)用。我國(guó)輸電鐵塔長(zhǎng)期使用Q235、Q345角鋼，鐵塔的重量指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)水平有較大差距。應(yīng)用由高強(qiáng)鋼板加工成型的角鋼或其它型式的構(gòu)件可充分發(fā)揮鋼材的特性，降低鐵塔重量指標(biāo)，帶動(dòng)我國(guó)鐵塔設(shè)計(jì)水平的提高。

2.3輸電鐵塔用耐候型冷彎型鋼

目前我國(guó)耐候型熱軋角鋼市場(chǎng)沒(méi)有供應(yīng)，而耐候鋼板在鐵路系統(tǒng)中被廣泛使用，因此將冷彎工藝應(yīng)用到耐候型鋼的加工過(guò)程中。

冷彎型鋼作為一種截面特性優(yōu)良的鋼材，具有重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，已在工業(yè)民用建筑中得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)由于熱軋型鋼軋輥調(diào)整困難，軋模成本高，冷彎型鋼正越來(lái)越得到鋼廠和加工單位的重視，冷彎型鋼的加工能力和水平正不斷提高，冷彎型鋼產(chǎn)品已從普通碳素鋼發(fā)展到各種低合金、高強(qiáng)度、耐腐蝕冷彎型鋼。

冷彎型鋼斷面形狀可以很復(fù)雜，但生產(chǎn)設(shè)備及工藝比較簡(jiǎn)單，一次性投資?。唤M織生產(chǎn)靈活，長(zhǎng)度、寬度可任意選擇；不受批量限制；產(chǎn)品表面光滑，尺寸精度高；在工程應(yīng)用中屬于高效經(jīng)濟(jì)斷面鋼材，一般可節(jié)約金屬材料15%～30%，雖然單價(jià)高于熱軋型材，但工程造價(jià)仍低于常用材料。

耐候鋼板出廠價(jià)格比普通熱軋型鋼要高1500元/噸左右，材質(zhì)的一次性投資高于普通型鋼，但由于去掉了防腐工序，并減輕了維護(hù)負(fù)擔(dān)。最重要的是使用耐候性結(jié)構(gòu)鋼取消了鍍鋅帶來(lái)的環(huán)境污染，當(dāng)耐候型結(jié)構(gòu)鋼使用批量大時(shí)，其成本將進(jìn)一步降低，宜逐步推廣應(yīng)用。

因此，在輸電線路桿塔上推廣使用耐候型冷彎型鋼，不僅可減少鐵塔鋼耗，還能降低加工成本，大幅度減少環(huán)境污染，是一項(xiàng)具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義的工作，應(yīng)及時(shí)開(kāi)展冷彎型鋼，尤其是耐候型冷彎型鋼在輸電鐵塔上的應(yīng)用研究?？梢韵嘈?，當(dāng)耐候型冷彎型鋼在輸電鐵塔上的應(yīng)用得到檢驗(yàn)，并納入設(shè)計(jì)規(guī)程體系中，耐候型冷彎型鋼將在輸電鐵塔上得到大量應(yīng)用。

3、耐候型冷彎型鋼的研究

3.1冷彎型鋼成型工藝數(shù)值模擬

運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA對(duì)角鋼的冷彎成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析整個(gè)變形過(guò)程中，不同成型階段的等效應(yīng)力、各個(gè)分應(yīng)力、主應(yīng)力及等效應(yīng)變、各個(gè)分應(yīng)變、主應(yīng)變的變化情況；利用POST26分析整個(gè)成型過(guò)程中，剛性軋輥與板材的接觸力、滑動(dòng)界面能量、回彈及阻尼能量、剛性體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等；利用LS-PREPOST了解板材在成型過(guò)程中，圓角彎曲處的厚度減薄量變化及沙漏能的變化情況等。

運(yùn)用有限元分析軟件，對(duì)冷彎型鋼的生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析研究，得到了板材變形區(qū)在輥彎過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布，以及成型過(guò)程中的減薄、板型，成型角度變化等工藝參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值分析。

通過(guò)對(duì)冷彎型鋼成型過(guò)程的仿真優(yōu)化，并對(duì)比分析型鋼產(chǎn)品冷彎前后材料性能和組織變化，改進(jìn)了現(xiàn)有冷彎工藝制度，開(kāi)發(fā)了一種新的高效耐候冷彎型鋼Q460的生產(chǎn)工藝。通過(guò)新的冷彎型鋼工藝控制技術(shù)，保證了冷彎型鋼Q460的各項(xiàng)力學(xué)性能、尺寸精度（厚度、回彈角度等）、產(chǎn)品質(zhì)量（表面質(zhì)量、微觀組織等）。

3.2高效耐候冷彎型鋼力學(xué)性能分析

測(cè)試角鋼冷彎前后的各項(xiàng)力學(xué)性能，包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、洛氏硬度，并測(cè)試出應(yīng)力-應(yīng)變曲線等。對(duì)變形區(qū)變形前后的金相組織進(jìn)行檢驗(yàn)分析。為進(jìn)一步改進(jìn)冷彎角鋼生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量提供技術(shù)參考。

高效耐候冷彎型鋼母材拉伸樣品

高效耐候冷彎型鋼彎弧拉伸樣品

 經(jīng)過(guò)冷彎變形，在角鋼變形區(qū)（R弧部位）有明顯加工硬化現(xiàn)象，屈服強(qiáng)度增加了30.1%，抗拉強(qiáng)度增加了19.7%，增加明顯；角鋼側(cè)翼板屈服強(qiáng)度增加4.4%，抗拉強(qiáng)度增加了1.2%，略有增加。在角鋼變形區(qū)（R弧部位）斷后伸長(zhǎng)率下降，塑性降低，側(cè)翼變化不明顯。冷彎變形過(guò)程對(duì)型鋼產(chǎn)品的沖擊韌性影響不大，靠近R弧角鋼側(cè)翼板和母材的沖擊韌性基本無(wú)變化。冷彎產(chǎn)品在角鋼變形區(qū)硬度增加20.3%，角鋼側(cè)翼板硬度基本無(wú)變化。冷彎產(chǎn)品在角鋼變形區(qū)（R弧部位）厚度減薄量約為0.11 mm，減薄約2.1%；角鋼側(cè)翼板部位減薄約0.56%，減薄量較小。

根據(jù)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（GB/T 1591-2008）國(guó)標(biāo)中關(guān)于Q420及Q460的鋼材性能要求對(duì)Q450NQR1材料生產(chǎn)的高效耐候冷彎型鋼進(jìn)行評(píng)定。高效耐候冷彎型鋼，平均屈服強(qiáng)度大于460MPa，抗拉強(qiáng)度度介于550～720MPa之間，平均斷后伸長(zhǎng)率大于19%，-40℃沖擊功遠(yuǎn)大于34J，力學(xué)性能滿足規(guī)范要求。

3.3高效耐候冷彎型鋼金相組織分析

從輥彎試樣中截取金相試樣，1號(hào)試樣取自角鋼圓角部分（即變形區(qū)），2號(hào)試樣取自角鋼側(cè)翼（未變形區(qū)，組織與母材組織相同）。試樣截面經(jīng)拋光后腐蝕，檢驗(yàn)其硬度及金相組織。

通過(guò)金相分析，該冷彎型鋼產(chǎn)品基體組織為鐵素體加珠光體組織，與原材料Q450NQR1耐候鋼的組織一致。冷彎邊部組織晶粒發(fā)生明顯形變，彎弧外層的晶粒組織沿寬度方向被拉長(zhǎng)，彎弧內(nèi)弧的晶粒組織沿厚度方向上被拉伸。該產(chǎn)品的金相組織保證了它的各項(xiàng)力學(xué)性能。

3.4高效耐候冷彎型鋼焊接性能分析

耐候型冷彎型鋼輸電鐵塔塔腳底板采用的Q345B鋼材，因此存在Q450NQR1之間的焊接和Q450NQR1與Q345B之間的焊接，兩種類型的連接焊縫。為了檢測(cè)耐候鋼的焊接質(zhì)量，對(duì)兩種類型的焊接試件進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)。

-8mmQ450NQR1和-8mmQ450NQR1鋼板焊接標(biāo)準(zhǔn)試件拉伸試驗(yàn)破壞發(fā)生在母材處，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率滿足要求；-12mmQ450NQR1和-12mmQ345B鋼板焊接標(biāo)準(zhǔn)試件拉伸試驗(yàn)破壞發(fā)生在母材Q345B處，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率滿足要求。對(duì)兩種類型的焊接試件進(jìn)行常溫下的沖擊試驗(yàn)，滿足要求。對(duì)兩種類型的焊接試件進(jìn)行了180°彎曲試驗(yàn)，滿足要求。

根據(jù)GB11345-89標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)-8mmQ450NQR1對(duì)接焊縫進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)，判定焊縫質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)合格。 

根據(jù)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（GB/T 1591-2008）國(guó)標(biāo)中關(guān)于Q420及Q460的鋼材性能要求對(duì)Q450NQR1進(jìn)行評(píng)定。Q450NQR1鋼材，屈服強(qiáng)度大于450MPa，抗拉強(qiáng)度度介于550～720MPa之間，斷后伸長(zhǎng)率大于19%，-40℃沖擊功大于34J，力學(xué)性能滿足規(guī)范要求；化學(xué)成分含量及碳當(dāng)量滿足規(guī)范要求。

4、高效耐候冷彎型鋼的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著我國(guó)冷彎型鋼應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，冷彎薄壁型鋼等經(jīng)濟(jì)型材發(fā)展很快，與傳統(tǒng)軋制型材相比，冷彎薄壁型鋼具有斷面材料分布合理、回轉(zhuǎn)半徑大、抗彎和抗扭性能好等特點(diǎn)。它不是像熱軋型鋼以增加材料面積來(lái)提高其承載力，而是通過(guò)變化型鋼斷面形狀達(dá)到提高承載力和節(jié)約鋼材的目的。為了提升冷彎產(chǎn)品的性能，高效耐候冷彎型鋼將在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

4.1鐵路車輛行業(yè)

高效耐候冷彎型鋼具有高強(qiáng)度、高腐蝕性、成形性能和焊接性能優(yōu)越，為提高運(yùn)載能力及車輛的應(yīng)用，高強(qiáng)耐候冷彎型鋼將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

4.2電力行業(yè)

由于高強(qiáng)耐候冷彎型鋼具有高強(qiáng)度的型材、產(chǎn)品規(guī)格隨意、產(chǎn)品定尺可變、耐腐等優(yōu)點(diǎn)，在輸電鐵塔上采用高強(qiáng)耐候冷彎型鋼材料，與制造鐵塔的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，雖材質(zhì)的一次性投資略高，但由于去掉了防腐工序，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，經(jīng)粗步測(cè)算，每噸成本可下降20%左右。 

4.3鋼結(jié)構(gòu)建筑

近年來(lái)。隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，冷彎薄壁型鋼等經(jīng)濟(jì)型材發(fā)展很快，這些經(jīng)濟(jì)型材用量在逐年增加，加工成本在降低，加上其自身截面的優(yōu)良性能，經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。 在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，經(jīng)濟(jì)的截面特性為設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。高效耐候冷彎型鋼可根據(jù)構(gòu)件受力特點(diǎn)選擇合適截面形式，充分發(fā)揮其截面界面特性，使其更經(jīng)濟(jì)合理。

4.4汽車行業(yè)

高強(qiáng)鋼板的屈服強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了1500Mpa,并且具有良好的成形性能和焊接性能，滿足車輛車架的性能要求。根據(jù)汽車工業(yè)節(jié)能降耗的發(fā)展目標(biāo)，要求車身強(qiáng)量化、載重量最大化、抗不同大氣環(huán)境腐蝕性能，高效耐候鋼將在汽車行業(yè)有很大的發(fā)展前景。