Hochfeste Stähle im Freileitungsturmbau: Die Sicht eines Außendienstingenieurs auf Anwendungen und kritische Schweißtechnologien

Autor: Leitender Schweißingenieur vor Ort, 22 Jahre im Übertragungsleitungsbau (1997–2019, dann selbständiger Berater)
Standorte, auf die verwiesen wird: Gebirgiges Gelände in Sichuan (500kV Luzhou-Zigong-Projekt), Küste von Zhejiang (Taifun-anfällige 220-kV-Upgrades), und a 2023 Notreparatur im Hunan-Eissturm.

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1. Warum ich das geschrieben habe – und warum es Sie interessieren sollte

Sie öffnen ein Datenblatt für a Sendemast Projekt. Der Kunde verlangt Q690- oder sogar Q960-Stahl. Ihr Einkäufer zieht eine Augenbraue hoch. Ihre Schweißer – gute Männer, zertifiziert, aber an Q345 und vielleicht etwas Q420 gewöhnt – sie sehen einen an, als hätte man ihnen gerade ein Stück Panzerplatte gegeben. "Chef, Dieses Zeug zerbricht, wenn man darauf niest.“

Ich war dort. Öfter, als ich zählen kann.

Hier ist das Ding: Hochfester Stahl in Sendemasten ist keine Option mehr. Chinas State Grid schreibt jetzt UHSS vor (ultrahochfester Stahl, typische Ausbeute ≥690 MPa) für neue Höchstspannung (UHV) Korridore über den Jangtsekiang und durch seismische Zonen. Das 2025 Überarbeitung von DL/T 5254 – ja, Ich habe an einigen dieser Überprüfungssitzungen teilgenommen – da werden die Obergrenzen für die Ertragsstärke ausdrücklich verschoben 460 MPA zu 690 MPa für kritische Zugglieder. Warum? Zwei Gründe, beides brutal einfach: Gewicht, und Wind.

Eine 100-Meter-Spannweite mit Q690 kann im Vergleich zu Q420 18–22 % des Eigengewichts des Turms einsparen. Das bedeutet nicht nur, dass Stahl gespart wird. Dadurch wird Fundamentbeton eingespart. Das bedeutet, dass weniger Helikopterflüge erforderlich sind, wenn Sie auf einem Bergrücken ohne Straßenanbindung bauen. Deshalb.

Aber Folgendes sagen Ihnen die Designcodes nicht. Von der Nachtschicht im November erzählen sie nichts 2021, als einem Vorwärmbrenner auf halbem Weg durch einen Wurzeldurchgang das Propan ausging, und am nächsten Morgen fanden wir einen drei Zoll großen Riss, der entlang der Hitzeeinflusszone verlief. Sie sagen einem nicht, wie man mit einem Projektmanager argumentiert, der denkt, „Vorwärmen“ bedeute, dreißig Sekunden lang vage mit der Taschenlampe in Richtung des Stahls zu schwenken.

Also schreibe ich das. Nicht als Professor. Nicht als Vertriebsingenieur. Als ein Typ, der den Stachel in der Hand hält, kalibriert den Ultraschall-Fehlerdetektor bei 2 Bin., und die getragenen Gelenke abgemeldet 500 kV seit nunmehr sechs Jahren ohne einen einzigen Ausfall.

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2. Materialverhalten: Was tatsächlich kaputt geht, und warum

Beginnen wir mit dem Elefanten in der Werkstatt. Q690, S690, oder welcher Markenname auch immer Ihr Lieferant aufstempelt – dieses Material weist in der Wärmeeinflusszone eine geringere Zähigkeit auf (Gefahr) als Weichstahl. Zeitraum. Das höhere Kohlenstoffäquivalent (Scheck) und Härtbarkeit bedeuten, dass bei schneller Abkühlung, es entstehen Martensitinseln. Martensit ist hart. Martensit ist außerdem spröde. Falsch geschweißt, und Sie haben im Wesentlichen einen integrierten Crack-Starter erstellt.

Tabelle 1: Typische Stahlsorten für Übertragungstürme – chemischer und mechanischer Vergleich

\[
\Text{Scheck} = C + \Frac{Mn}{6} + \Frac{Cr + Mo + V}{5} + \Frac{In + mit}{15}
\]

Sie sehen, dass Q690 Ceq bei 0.52? Das ist grenzwertig für Feldschweißen ohne strenge Wasserstoffkontrolle. Schauen Sie sich nun Pcm an. Alles oben 0.28 wird nervös. Q960? 0.33. Das ist keine Schweißkonstruktion; Das ist ein Selbstmordpakt, wenn Sie nicht alle Vorsichtsmaßnahmen treffen.

Hier ist eine persönliche Beobachtung: Der wahre Feind ist nicht immer das Schweißgut. Es handelt sich um die grobkörnige WEZ neben der Fusionslinie. In Q690, In dieser Zone können Spitzentemperaturen auftreten >1400° C, Die Korngröße erreicht ASTM 3 oder gröber, und wenn die Abkühlung zu schnell ist – bam. Sie haben eine Mikrostruktur, die unter dem Mikroskop wie zerbrochenes Glas aussieht. Ich habe selbst Muster geätzt. Ich habe es gesehen.

Warum also nicht einfach nachträglich normalisieren?? Denn ein 75 Meter langes Turmbein kann man nicht im Feld nachwärmen. Kein Ofen passt zu einem Sendemast. Sie leben mit der Mikrostruktur im Schweißzustand. Das ist der Zwang, gegen den wir jeden Tag ankämpfen.

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3. Das Wasserstoffproblem – und wie wir aufgehört haben, so zu tun, als gäbe es es nicht

Wasserstoffinduziertes Kaltcracken. Wir alle kennen den Namen. Wir alle tun so, als wären unsere Elektroden trocken genug.

Das sind sie nicht.

Wieder rein 2015, zum Küstenbefestigungsprojekt in Fujian, Wir haben an einem einzelnen Turm sieben Gelenke aufgrund von Zehenrissen verloren. Es wurde während des MPI entdeckt (Magnetpulverprüfung) am Morgen nach dem Schweißen. Der Premierminister bestand darauf, dass es sich um einen „Schweißerfehler“ handele. Das war es nicht. Es war Wasserstoff. Die wasserstoffarmen Elektroden (E7015, wenn Sie neugierig sind) drei Tage lang in einer unbeheizten Lagerhalle gelagert. Luftfeuchtigkeit in Fujian im April? Fünfundachtzig Prozent. Kein Backen. Keine Warmhalteöfen auf der Baustelle. Nehmen Sie sie einfach aus der Verpackung und schweißen Sie sie.

Ich erspare Ihnen die Namen, Aber ich habe einen Monat lang nicht mit diesem Projektmanager gesprochen.

Hier ist die Lösung, und es ist nicht verhandelbar:

Tabelle 2: Feldkontrollmaßnahmen für das Wasserstoffmanagement (Meine persönliche Checkliste)

Es ist mir egal, ob Sie Massivdraht verwenden, Rutil-Flussmittelkern, oder mit Metallkern. Wenn Ihr verbrauchbarer Wasserstoffwert übersteigt 5 ml/100 g bei Q690, du spielst. Und das Haus gewinnt immer.

Noch etwas: vorheizen. Ich habe jede Ausrede gehört. „Das Wetter ist warm.“ „Es ist nur eine Heftschweißung.“ „Wir haben die letzte Verbindung vorgewärmt und der Prüfer hat nicht einmal nachgesehen.“ Blödsinn. Heftnähte reißen zuerst. Sie werden zum Ausgangspunkt für ein vollständiges Gelenkversagen. Ich habe gesehen, wie eine Heftschweißung – nur ein kleiner 20-mm-Klecks – über Nacht einen Riss verursachte, der 120 mm durch das Grundmetall verlief.

Jetzt benötige ich an jeder Station Farbstifte mit Temperaturanzeige. Keine Infrarotpistolen, es sei denn, sie wurden an diesem Morgen kalibriert. Nicht „Fass es an und schau, ob es heiß ist.“ Buntstifte schmelzen bei bestimmten Temperaturen. Sie lügen nicht.

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4. Schweißverfahrensqualifikation: Was das Papier sagt vs. Was funktioniert

Lassen Sie uns über PQR sprechen (Verfahrensqualifikationsaufzeichnung). Theoretisch, Es ist ein strenger Test. In Wirklichkeit, Die Laborbedingungen sind sauber, Der Schweißer ist der beste in der Werkstatt, die Passform ist perfekt, und niemand schweißt bei 20 Knoten Wind auf einem Gerüst 30 Meter über Beton.

Ich habe PQRs gesehen, die S690 ohne Vorheizen weitergeben. Ich habe CVN-Schlagtests bei -40 °C gesehen, bei denen 150 J erreicht wurden. Schöne Zahlen. Dann gehen Sie zur Website, und Sie haben Schwierigkeiten, bei -20 °C 47 J zu erreichen.

Warum? Kühlrate.

Der PQR-Testcoupon ist normalerweise eine dicke Platte, zurückhaltend, oft in flacher Position mit großzügiger Wärmezufuhr geschweißt. Feldbedingungen? Vertikal nach oben, eingeschränkter Zugang, dünnere Abschnitte, die schneller abkühlen. Schnellere Abkühlung = höhere Härte = geringere Zähigkeit.

Meine Regel: Reduzieren Sie den PQR. Wenn das Labor sagt 1.5 kJ/mm ist akzeptabel, 1,8–2,0 kJ/mm im Feld anstreben. Wenn das Labor 100°C vorheizt, gib mir 120°C. Marge einbauen.

Hier ist ein Fall. 2022, ein 690 MPa-Ersatzverbindung an einem Jangtse-Flussübergangsturm. Ursprünglich verwendete PQR GMAW mit Ar+20 % CO2, 1.2mm Draht, Wärmeeintrag 1.3 kJ/mm. Charpy V-Notch bei -40 °C durchschnittlich 89 J. Bußgeld. Vor Ort, Erste Produktionsschweißung – gleiche Parameter – UT fehlgeschlagen. Wir haben es herausgeschnitten. Im Labor wurde die HAZ-Härte getestet: 412 HV10. Das ist grenzwertig für Sulfid-Spannungsrisse, Ganz zu schweigen von Kaltrissen.

Wir haben die Wärmezufuhr erhöht 1.7 kJ/mm durch Verlangsamung der Bewegungsgeschwindigkeit und leichte Verbreiterung des Gewebes. Härte fiel auf 365 HV10. UT erneut getestet: bestanden. Zähigkeit? Nie vor Ort gemessen, aber die Härte erzählte die Geschichte.

Tabelle 3: Einfluss der Wärmezufuhr auf die HAZ-Härte (Q690D, 20mm Platte, von mir gemessen)

Zu niedrig und du bist hart. Zu hoch (Über 2.0 kJ/mm) und eine Kornvergröberung kostet Sie ohnehin Zähigkeit. Idealer Punkt für Feldschweißen Q690: 1.6–1,9 kJ/mm.

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5. Maximale Produktionskapazität 2023, Hunan: Eine Fallstudie zum Beinahe-Ausfall

Eissturm. Hunan-Stromnetz. Der Querarm eines 220-kV-Turms – Q690-Stahl – versagte an einer Flanschschweißung. Kein Zusammenbruch, Zum Glück. Der Riss breitete sich weiter aus 60% durch den Abschnitt vor der Festnahme. Wir wurden zur Begutachtung und Reparatur hinzugezogen.

Was ich gefunden habe:

• Schweißzusatzstoffe: E71T-1C mit Flussmittelseele, 1.6Millimeter. Wasserstoffbewertung: 8 ml/100 g typisch.
• Keine Vorwärmaufzeichnungen. Schweißer sagten, sie hätten „es etwas aufgewärmt“.
• Ambiente: -5° C, Windkälte vielleicht -12°C.
• Gelenkgestaltung: einseitig abgeschrägt, 45°, Wurzelfläche 2mm, Wurzelspalt 3mm.

Der Riss begann am Zeh, lief entlang der HAZ, dann zum Schweißgut verarbeitet. Bruchfläche: glänzend, körnig. Klassische wasserstoffunterstützte Kaltspaltung, mit möglicherweise etwas Rückhaltespannung aufgrund der Nichtübereinstimmung der Flanschdicke.

Wir haben es nicht nur repariert. Wir haben den gesamten Vorgang noch einmal überarbeitet.

Mein Rezept:

1. Verbrauchsmaterial wechseln. Die Flussmittelseele ging raus. Es kam Volldraht-GMAW mit 82 % Ar/18 % CO2 zum Einsatz, Diffusionsfähiger Wasserstoff garantiert ≤3 ml/100 g.

2. Obligatorisches Vorheizen. 120°C mindestens. Alle überprüft 30 Minuten.

3. Temperaturregelung zwischen den Durchgängen. Maximal 200°C. Habe es konsequent gehalten.

4. Wasserstofffreisetzung nach dem Schweißen. Bei 150 °C halten 2 Stunden unmittelbar nach dem Schweißen, eingehüllt in eine wärmeisolierende Decke.

5. Knirschende Zehen. Leichter Radiusschliff zur Reduzierung der Spannungskonzentration. Das ist eine günstige Versicherung. Dauert zehn Minuten. Verhindert Zehenrisse.

Reparierte Verbindungen werden nach sechs Monaten erneut überprüft. Keine Hinweise. Der Turm steht noch.

Aus einem Beinahe-Unfall lernt man mehr als aus einem perfekten Projekt.

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6. 2025 Trends: Was sich ändert (und was nicht)

Zu der Zeit, in der ich das schreibe (früh 2025), Drei Schichten verändern die Art und Weise, wie wir mit HSS in Türmen arbeiten.

Erste: Roboterschweißen. State Grid testet mobile Portalroboter zum Schweißen von Turmbeinen. Das ist keine Science-Fiction – sie spielt in Zhengzhou, Sie schweißen Q690 mit Laser-Hybrid-Lichtbögen, und die Wärmezufuhrsteuerung beträgt ±0,05 kJ/mm. Ich bin skeptisch gegenüber Feldrobotern, sondern in Fertigbauwerkstätten, Sie eliminieren die größte Variable: menschliche Inkonsistenz.

Zweite: TMCP-Stahl. Thermomechanisch kontrolliert verarbeiteter Stahl ist auf dem Vormarsch. Unterer Ceq, bessere Zähigkeit. Ich habe letztes Jahr eine Testcharge von Q690TMCP gesehen. Ceq war 0.46, PCM 0.26. Das liegt nahe an den alten Q420-Werten. Wir haben es mit 75°C Vorwärmung geschweißt, keine Rissbildung, HAZ-Härte 335 HV10. Wenn TMCP zum Standard wird, Die Hälfte meiner Schweißkopfschmerzen verschwindet. Die Kosten sind jedoch immer noch 15–20 % höher. Kunden zögern.

Dritte: das 2024 DL/T 5254 Änderung. Dies ist noch nicht allgemein bekannt, Die Entwurfssprache erfordert jedoch jetzt eine Mindestvorwärmung von 100 °C für jedes Q550+-Element, unabhängig von der Dicke. Das ist eine große Veränderung. Vorher, Bei dünnen Abschnitten wurde oft auf Vorwärmen verzichtet (<16Millimeter). Nicht mehr. Die Daten zur Kaltrissbildung in dünnwandigem HSS waren zu überzeugend, als dass man sie ignorieren könnte.

Tabelle 4: 2024 Entwurf von Änderungen an DL/T 5254 (Teilweise, Inoffiziell)

Das wird die Branche hart treffen. Ich habe bereits Lieferanten gesehen, die sich beeilten, Q550 in „Premium-Qualität mit geringer Vorwärmung“ umzubenennen. Lesen Sie das Kleingedruckte.

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7. Kulturelle und lokale Faktoren, die Sie in ISO-Standards nicht sehen werden

Lassen Sie mich für eine Minute von der Metallurgie Abstand nehmen.

Ich habe in Sichuan gearbeitet, wo die Türme in Sandsteinfelsen verankert sind, und die einzige Möglichkeit, die Ausrüstung hochzuheben, ist ein Seilkran oder von Hand. Ich habe in Jiangsu gearbeitet, flach wie ein Tisch, Aber die Feuchtigkeit lässt Ihren Draht rosten, bevor Sie ihn aufspulen. Ich habe in Guangdong Schweißer ausgebildet, die ihr Handwerk auf Werften erlernt haben und eine vertikal nach oben gerichtete Schweißnaht ausführen konnten, die wie maschinell bearbeitete Rillen aussah. Und ich habe mit Crews im abgelegenen Yunnan zusammengearbeitet, die Q690 vor letztem Jahr noch nie berührt hatten.

Was ich weiß ist: Chinesische Schweißer sind im Durchschnitt äußerst geschickt im Positionsschweißen. Ihr Ausbildungsmodell ist stark. Aber sie sind oft unzureichend ausgestattet und werden nicht ausreichend unterstützt. Ein amerikanischer Schweißer könnte einen eigenen Schweißingenieur vor Ort haben. In China, Der Bauingenieur – ich – kümmert sich um das Schweißen, Verschraubung, Beton, Umfrage, und Sicherheit. Sie können nicht jede Fackel im Mikromanagement verwalten.

Also ich nicht.

Ich konzentriere mich auf die wenigen kritischen Dinge. Vorheizen. Interpass. Wasserstoffkontrolle. Wenn ich das richtig verstehe, alles weitere folgt.

Ebenfalls: Regionale Lieferketten sind wichtig. In Zhejiang, Wir hatten Zugang zu japanischen LB-52U-Elektroden, extrem niedriger Wasserstoffgehalt, aber teuer. Inland, Wir verwendeten inländische Marken mit höherer Variabilität. Ich teste jetzt jede Charge. Nicht vertrauen, verifizieren.

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8. Warum ich für bestimmte Root-Durchgänge immer noch SMAW bevorzuge (Gegen alle Trends)

Das ist Ketzerei 2025. Alle drängen auf GMAW, FCAW, sogar Hybridlaser. Höhere Ablagerungsraten. Weniger Geschick erforderlich.

Aber auf Q690 geht Root durch, insbesondere in Überkopf- oder Vertikalpositionen, Ich spezifiziere immer noch manchmal SMAW mit Basiselektroden. E7015, E7016. Warum?

Wegen MSG-Kurzschlussübertragung, es sei denn, es ist perfekt abgestimmt, kann zu einer unvollständigen Fusion an der Wurzelfläche führen. Im HSS, Das ist ein Knallerstarter. Ich habe genügend MSG-Wurzeln an Verbindungen mit hoher Festigkeit zerstörungsfrei geprüft, um vorsichtig zu sein. SMAW ist langsamer. Es ist stärker betreiberabhängig. Aber die Lichtbogenkraft gräbt sich in die Seitenwand ein, und ein erfahrener Schweißer spürt die Fusion. Dieses taktile Feedback fehlt bei halbautomatischen Prozessen.

Also mein typisches Vorgehen für kritische Q690-Turmverbindungen:

1. SMAW-Root-Pass, 3.2mm-Elektrode, DCEN, 110–130A.
2. GMAW-Füllung und -Verschluss, 1.2mm Draht, Ar/CO2, Sprühübertragung wenn möglich.
3. Der Cap-Pass reduzierte die Stromstärke, um die HAZ-Kornstruktur zu verfeinern.

Alte Schule? Ja. Wirksam? Auch ja.

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9. Fazit: Der Schweißer ist nicht das schwächste Glied – das System ist es

Seitdem bin ich in dieser Branche tätig 1997. Ich habe gesehen, wie sich Turmstahl aus A3F entwickelt hat (grundsätzlich Weichstahl) zu Q420, dann Q550, jetzt Q690, und bald Q960 für Demonstrationsprojekte. Jeder Festigkeitssprung ging mit einem Anstieg der Schweißbarkeitsschwierigkeiten einher. Und jedes Mal, Die unmittelbare Reaktion besteht darin, dem Schweißer die Schuld zu geben. „Schlechte Technik.“ „Mangelnde Fähigkeiten.“

Es liegt fast nie nur am Schweißer.

Es ist die Beschaffungsabteilung, die Elektroden auf Basis des Kilopreises einkauft, nicht diffundierbarer Wasserstoff. Es ist der Zeitplan, der keine Zeit zum Vorheizen lässt. Es ist der Inspektor, der einen Joint mit Schlackeneinschlüssen ausgibt, weil „es kein primärer Joint ist“. Da ich bin, Manchmal, Wir erklären nicht klar genug, warum wir den Elektrodenofen geschlossen halten müssen.

Hochfester Stahl in Sendemasten ist von Dauer. Die Metallurgie ist ausgereift. Die Schweißverfahren werden veröffentlicht. Was fehlt, ist der Wille, sie umzusetzen, Tag für Tag, Schicht für Schicht, ohne Abkürzungen.

Ich habe das geschrieben, weil ich es leid bin, Risse aus WEZs zu graben, die niemals hätten reißen dürfen. Ich habe dies geschrieben, weil die Technologie vorhanden ist, um Q690-Verbindungen genauso zuverlässig wie Q235 herzustellen. Es erfordert lediglich Respekt vor dem Material.

Das nächste Mal sehen Sie einen Sendemast, Schauen Sie sich die Schweißnähte an. Wenn sie glatt sind, Uniform, keine Unterbietung – jemand hat sich darum gekümmert. Jemand hat seine Elektroden gebacken. Jemand hat den Regen von der Fuge gewischt. Jemand hat einen Temperaturstift verwendet 2 Rufen Sie uns an. im Dezember.

Dass jemand nicht das schwache Glied ist. Dieser Jemand ist der Grund, warum die Lichter an bleiben.

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— Leitender Feldingenieur
22 Jahre. Ich habe immer noch einen Temperaturmessstift in meiner Jackentasche.