Introducción

El acero tiene buena plasticidad y tenacidad a temperatura ambiente, pero a medida que la temperatura desciende, la plasticidad y tenacidad del acero se deterioran continuamente, y las propiedades mecánicas a baja temperatura del acero están relacionadas con su material, forma de la sección transversal y espesor. Con la mejora continua de la construcción de la red eléctrica, cada vez más líneas de transmisión de ultra alta tensión deben pasar por regiones frías, especialmente en el noreste de China, donde las temperaturas invernales son bajas y duran mucho tiempo, y la temperatura mínima extrema anual en algunas áreas puede alcanzar los -45℃o incluso menos. Dado que las torres de las líneas de transmisión están expuestas al ambiente atmosférico, son susceptibles a cargas estáticas, dinámicas y de impacto como el hielo, los vientos fuertes y el deshielo de los conductores. Si el diseño y la construcción no son adecuados, las líneas de transmisión de ultra alta tensión que operan en regiones frías son propensas a sufrir fracturas frágiles por baja temperatura en el acero angular. Según estadísticas incompletas, entre 1988 y 2013, hubo decenas de accidentes de colapso de torres causados por ambientes de baja temperatura en China. Para facilitar el procesamiento y el transporte, los componentes principales de las torres de transmisión suelen estar hechos de múltiples secciones de acero angular conectadas con pernos. Los agujeros para pernos se procesan principalmente mediante punzonado. Durante el proceso de punzonado de los agujeros para pernos, se generan fácilmente microgrietas alrededor de la pared del agujero, formando fuentes de grietas. Una vez que la temperatura desciende por debajo de la temperatura de transición dúctil-frágil del acero angular, bajo carga externa, estas microgrietas pueden propagarse fácilmente, lo que lleva al fallo de las conexiones con pernos y a accidentes de colapso de torres de líneas de transmisión. Los componentes principales son partes críticas de las torres de transmisión; una vez que ocurre una fractura frágil por baja temperatura, inevitablemente conducirá al colapso de toda la torre, poniendo en peligro la operación segura y estable de todo el sistema eléctrico. Por lo tanto, estudiar las propiedades mecánicas a baja temperatura del acero angular utilizado en las torres de líneas de transmisión, prevenir fracturas frágiles por baja temperatura en la estructura de la torre y proporcionar una base para la selección de materiales es de gran importancia para los proyectos de líneas de transmisión de ultra alta tensión.

1. Resumen del experimento

Este experimento estudia principalmente las propiedades mecánicas a baja temperatura del acero angular principal Q345B y Q420C y sus uniones soldadas. Los estándares referenciados para las pruebas de tracción a baja temperatura son GB/T 228-2002 "Método de prueba de tracción para materiales metálicos a temperatura ambiente" y GB/T 13239-2006 "Método de prueba de tracción a baja temperatura para materiales metálicos". El estándar utilizado para las pruebas de impacto a baja temperatura es GB/T 2009-2007 "Método de prueba de impacto por péndulo Charpy para materiales metálicos". Los estándares referenciados para el procesamiento y muestreo de las muestras son GB/T 2975-1998 "Ubicación de muestreo y preparación de muestras para pruebas de rendimiento mecánico de acero y productos de acero".

Las dimensiones geométricas de las muestras se muestran en la Figura 1. Los resultados después del experimento se muestran en la Figura 2.

Los tipos de material para la prueba de tracción a baja temperatura incluyen acero angular Q345B, uniones soldadas Q345B, acero angular Q420C y uniones soldadas Q420C. Las especificaciones seleccionadas para el acero angular principal son L125×12, L140×14 y L160×16 (denotadas como 12, 14 y 16 mm, respectivamente), y los espesores seleccionados para las placas de soldadura son 12, 14 y 16 mm. Las temperaturas de prueba incluyeron temperatura ambiente (20℃), -10℃, -20℃y -45℃, y se completaron un total de 144 pruebas de tracción.

Los tipos de acero, modelos de acero angular y espesores de placas soldadas para las pruebas de impacto a baja temperatura fueron los mismos que los de las pruebas de tracción. Las temperaturas utilizadas durante las pruebas fueron temperatura ambiente (20℃), -10℃(acero angular Q345B), -20℃, -45℃y -60℃(uniones soldadas Q345B, acero angular Q420C y sus uniones soldadas), y se completaron un total de 144 pruebas de impacto. La lista específica de pruebas se muestra en la Tabla 1.

2. Análisis de resultados de pruebas de tracción

2.1 Indicadores de resistencia

En condiciones de baja temperatura, la resistencia a la tracción del acero angular Q345B, las uniones soldadas Q345B, el acero angular Q420C y las uniones soldadas Q420C aumentaron. Sin embargo, la resistencia a la tracción no aumentó monótonamente con la disminución de la temperatura. Los valores de resistencia a la tracciónvariaron significativamente con diferentes espesores de acero, pero entre las tres especificaciones de espesor de 12-16 mm, la resistencia a la tracción no fue necesariamente mayor para aceros más delgados; no hubo una relación definitiva entre el espesor y la resistencia a la tracción. El metal base tanto del Q345B como del Q420C tuvo mayor resistencia a la tracción que las uniones soldadas, con una diferencia de 50-100 MPa, lo que indica que la soldadura reduce la resistencia a la tracción del acero.

En la región extremadamente fría de -45℃, la resistencia a la fluencia de los cuatro tipos de acero mencionados aumentó, pero la resistencia a la fluencia no aumentó monótonamente con la disminución de la temperatura. La resistencia a la fluencia de las uniones soldadas Q420C fue menor que la de su metal base, mientras que la resistencia a la fluencia de las uniones soldadas Q345B fue mayor que la de su metal base, lo que indica que el rendimiento de soldadura del Q345B es superior al del Q420C en condiciones de baja temperatura.

En condiciones de baja temperatura, la relación de fluencia del acero aumentó ligeramente, y la resistencia del material a la deformación se debilitó. Al mismo tiempo, la relación de fluencia tanto de las uniones soldadas Q345B como Q420C fue mayor que la del metal base, lo que indica que las uniones soldadas tienen menor resistencia a la deformación y son más propensas a fracturas frágiles a bajas temperaturas. 2.2 Índice de plasticidad

En condiciones de baja temperatura, el alargamiento después de la fractura del acero angular Q345B disminuye ligeramente, lo que indica una peor plasticidad. Sin embargo, el alargamiento después de la fractura de las uniones soldadas Q345B, el acero angular Q420C y algunos espesores de las uniones soldadas Q420C aumenta ligeramente o muestra tendencias inconsistentes a bajas temperaturas. La capacidad de deformación plástica del acero angular Q420C a bajas temperaturas es superior a la del acero angular Q345B, mientras que el rendimiento de soldadura del material Q345B a bajas temperaturas es superior al del Q420C.

3 Análisis de resultados de pruebas de impacto

La relación entre la energía de impacto y la temperatura se analizó utilizando la función de Boltzmann. Los resultados muestran que la energía de impacto de ambos tipos de acero angular y uniones soldadas disminuye con la disminución de la temperatura, y después de alcanzar un cierto punto de temperatura, el valor de energía de impacto disminuye rápidamente con una mayor disminución de la temperatura.

Las temperaturas de transición dúctil-frágil (t₀) y otros parámetros se obtuvieron ajustando la función de Boltzmann para diferentes materiales y espesores. Se calcularon las temperaturas promedio de transición dúctil-frágil para los tres espesores diferentes del mismo material, lo que resultó en temperaturas de transición dúctil-frágil de -2.59℃, -15.28℃, -32.33℃y -6.76℃para el acero angular Q345B, las uniones soldadas Q345B, el acero angular Q420C y las uniones soldadas Q420C, respectivamente. Claramente, la capacidad del acero angular Q420C para resistir fracturas frágiles por baja temperatura es muy superior a la del acero angular Q345B. Al mismo tiempo, la resistencia a fracturas frágiles por baja temperatura de las uniones soldadas Q345B es más fuerte que la del metal base, mientras que la resistencia a fracturas frágiles por baja temperatura de las uniones soldadas Q420C es mucho menor que la de su metal base.

En el peor de los casos, a una temperatura de -45℃, solo el acero angular Q420C cumple con el requisito de especificación de energía de impacto≥34J.

4 Conclusiones

1) En regiones extremadamente frías a -45℃, las bajas temperaturas aumentan la resistencia a la tracción y la resistencia a la fluencia del acero angular Q345B, las uniones soldadas Q345B, el acero angular Q420C y las uniones soldadas Q420C. La resistencia a la tracción del acero de diferentes espesores varía en condiciones de baja temperatura, pero no es el caso que el acero más delgado siempre tenga mayor resistencia a la tracción. 2) Las temperaturas de transición dúctil-frágil para el acero angular Q345B, las uniones soldadas Q345B, el acero angular Q420C y las uniones soldadas Q420C son -2.59℃, -15.28℃, -32.33℃y -6.76℃, respectivamente. El acero angular Q420C tiene una resistencia significativamente mejor a las fracturas frágiles por baja temperatura que el acero angular Q345B. En torres de transmisión de energía ubicadas en regiones extremadamente frías a -45℃, el uso de acero angular Q345B no es seguro, mientras que el acero angular Q420C puede cumplir con los requisitos de diseño.

3) La soldadura reduce la resistencia a la tracción y la resistencia a la fluencia del acero angular Q420C, aumentando la relación de fluencia. En condiciones de baja temperatura, la soldadura reduce significativamente la resistencia del acero angular Q420C a fracturas frágiles por baja temperatura. Por lo tanto, en torres de transmisión de energía ubicadas en regiones extremadamente frías a -45℃, se debe evitar la soldadura del Q420C tanto como sea posible.