Étude expérimentale sur les propriétés mécaniques à basse température des matériaux de la tour de transmission

Abstrait

tours de transmission, Composantes critiques des réseaux électriques, sont exposés à des conditions environnementales extrêmes, y compris les basses températures dans les régions froides, qui peut affecter les propriétés mécaniques de leurs matériaux. Cet article présente une étude expérimentale sur les propriétés mécaniques à basse température de l'acier utilisées dans les tours de transmission, Se concentrer sur la force de traction, limite d'élasticité, ductilité, et impact de la ténacité. Des matériaux tels que les aciers à haute résistance Q345B et Q420C sont testés à des températures allant de 20 ° C à -45 ° C, Simulation des conditions hivernales dures. Les tables comparatives fournissent des données sur les performances mécaniques, tandis que l'analyse explore les implications pour la conception et la sécurité des tour dans les climats froids. L'étude met en évidence les stratégies de sélection des matériaux et les orientations de recherche futures pour améliorer la fiabilité des tours de transmission en mars 22, 2025.

1. introduction

Les tours de transmission prennent en charge les lignes électriques aériennes, Assurer la livraison fiable de l'électricité sur de vastes distances. Dans les régions avec de graves hivers, comme le nord de la Chine, Canada, et la Russie - les températures peuvent tomber en dessous de -40 ° C, remettre en question l'intégrité structurelle des matériaux de la tour. Les basses températures peuvent induire un comportement fragile en acier, Augmenter le risque de fractures et de compromission de la stabilité de la tour. À mesure que l'énergie mondiale exige une augmentation et une variabilité du climat s'intensifie, Comprendre les propriétés mécaniques à basse température de tour de transmission Les matériaux deviennent essentiels pour une infrastructure d'énergie sûre et efficace.

Cet article détaille une enquête expérimentale sur le comportement des aciers couramment utilisés (Q345B et Q420C) Dans des conditions à basse température. Il examine les propriétés de traction, résistance à l'impact, et changements microstructuraux, Comparaison des échantillons soudés et non soudés. L'étude vise à éclairer la sélection des matériaux, Normes de conception, et les pratiques de rénovation pour les tours de transmission dans les climats froids, Fournir une ressource complète aux ingénieurs et aux chercheurs.

2. Méthodologie expérimentale

La configuration expérimentale évalue les propriétés mécaniques des matériaux de la tour de transmission à diverses températures basse. Les paramètres et méthodes clés sont décrits ci-dessous.

2.1 Matériaux et spécimens

Deux aciers à haute résistance, Q345B et Q420C, Largement utilisé dans les tours de transmission, ont été sélectionnés. Q345B offre un équilibre de force et de coût, tandis que le Q420C fournit une force plus élevée pour les applications exigeantes. Les spécimens inclus en acier d'angle (composants de la tour principale) et joints soudés, préparé selon les normes ASTM.

2.2 Conditions de test

Les tests ont été effectués à 20 ° C (base de base), 0° C, -20° C, et -45 ° C, refléter les conditions hivernales typiques et extrêmes. Une chambre à contrôler la température a maintenu des conditions précises, avec refroidissement réalisé via de l'azote liquide.

2.3 Tests mécaniques

• Essai de traction: Mesure la limite d'élasticité (S_y), résistance à la traction ultime (Σ_u), et allongement à l'aide d'une machine de test universelle.
• Test d'impact à chary: Évalue la ténacité à l'impact (énergie absorbée) à un en V, Déterminer la température de transition ductile à brittle (DBTT).
• Analyse microstructurale: Examine la structure des grains et les surfaces de fracture par microscopie électronique à balayage (OMS).

3. Résultats expérimentaux

Les résultats des tests de traction et d'impact fournissent un aperçu des performances à basse température. Table 1 présente les propriétés de traction, tandis que la table 2 Détails Impact de la ténacité.

3.1 Propriétés de traction

Q345B et Q420C présentent un rendement et des résistances à la traction accrues à des températures plus basses, un comportement commun dans les aciers dus à la réduction de la mobilité atomique. toutefois, allongement diminue, indiquant une ductilité réduite. À -45 ° C, L'allongement du Q345b tombe à 16% (de 24%), tandis que le Q420C tombe à 15% (de 22%).

3.2 Résistance à l'impact

L'énergie d'impact diminue considérablement avec la température, refléter un changement vers un comportement fragile. Q420C maintient une ténacité plus élevée à -45 ° C (45 J) par rapport au q345b (30 J), avec un DBTT inférieur (-32.3° C VS. -2.5° C), suggérant une meilleure résistance au froid.

3.3 Articulations soudées

Les échantillons soudés montrent une ténacité légèrement plus faible en raison des zones touchées par la chaleur (Haz). Pour les soudures Q345B, DBTT monte à -15,3 ° C, Et pour le Q420C, c'est -6,8 ° C, indiquer que les soudures sont plus sensibles à la fragilité.

4. Analyse comparative

Table 3 Compare Q345B et Q420C avec des matériaux alternatifs comme Q235 (acier à faible résistance) et alliage d'aluminium (par exemple,, 6061-T6) à -45 ° C.

4.1 Force et ténacité

Q420C surpasse les Q345B et Q235 en force et en ténacité à -45 ° C, le rendre préférable pour un froid extrême. L'alliage d'aluminium offre une ténacité supérieure (60 J) mais une faible force, Limiter son utilisation dans des tours à charge lourde.

4.2 Rentabilité

Q345B ($800/ton) bilans coût et performance, tandis que le Q420C ($1000/ton) justifie son coût plus élevé avec des propriétés améliorées. Q235 ($600/ton) est moins cher mais inadéquat pour les climats froids, et l'aluminium ($2500/ton) est le coût prohibitif.

5. Discussion

5.1 Effets à basse température

Les basses températures augmentent la résistance mais réduisent la ductilité et la ténacité, augmenter le risque de fractures fragiles. Le DBTT inférieur du Q420C le rend plus résilient, en particulier dans les régions inférieures à -20 ° C.

5.2 Imperfections de soudure

Les joints soudés présentent des DBT plus élevés, suggérant que les techniques de soudage (par exemple,, préchauffage, sélection de remplissage) Doit être optimisé pour maintenir la ténacité dans les environnements froids.

5.3 Implications de conception

Les conceptions de tour dans les climats froids devraient prioriser le Q420C pour les composants critiques, avec des facteurs de sécurité augmentés (par exemple,, 1.5–2.0) pour rendre compte de la fragilité. Des inspections régulières des soudures sont recommandées.

6. Défis

• Variabilité de test: Le contrôle de la température et la préparation des échantillons affectent la cohérence.
• Contraintes de coût: Les aciers de qualité supérieure augmentent les budgets du projet.
• Conditions de terrain: Les résultats du laboratoire peuvent ne pas reproduire entièrement les charges de vent et de glace.

7. Future Research

• Développement: Explorez les aciers avec une ténacité à basse température améliorée.
• Chargement dynamique: Tester la fatigue et les effets du vent à basses températures.
• Effets de revêtement: Étudier l'impact de la galvanisation sur les propriétés mécaniques.

8. Conclusion

Cette étude expérimentale révèle que les basses températures améliorent la force des aciers Q345B et Q420C mais réduisent leur ductilité et leur ténacité, avec Q420C démontrant une résistance au froid supérieure en raison de son DBTT inférieur. Positions comparatives d'analyse Q420C comme choix optimal pour les tours de transmission dans les hivers rigoureux, Équilibrer les performances et les coûts. Ces résultats éclairent les normes de sélection et de conception des matériaux, Assurer la sécurité et la fiabilité des infrastructures de puissance dans les climats froids. Les recherches futures peuvent affiner davantage ces idées, améliorer la résilience des tour à mesure que les demandes d'énergie augmentent.