Acciai ad alta resistenza nella costruzione di torri di trasmissione: La prospettiva di un ingegnere sul campo sulle applicazioni e sulle tecnologie di saldatura critiche

Autore: Ingegnere senior della saldatura sul campo, 22 anni nella costruzione di linee di trasmissione (1997–2019, poi consulente indipendente)
Località referenziate: Terreno montuoso del Sichuan (500Progetto kV Luzhou-Zigong), Zhejiang costiero (aggiornamenti a 220 kV soggetti a tifoni), e un 2023 riparazione di emergenza nella tempesta di ghiaccio dell'Hunan.

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1. Perché ho scritto questo e perché dovresti preoccuparti

Apri una scheda tecnica per a torre di trasmissione progetto. Il cliente richiede acciaio Q690 o addirittura Q960. Il tuo addetto agli approvvigionamenti alza un sopracciglio. I tuoi saldatori... bravi uomini, certificato, ma abituati a Q345 e forse a qualche Q420: ti guardano come se avessi appena consegnato loro un pezzo di armatura. "Capo, questa roba si rompe se ci starnutisci sopra.

Ci sono stato. Più volte di quanto possa contare.

Ecco il punto: l'acciaio altoresistenziale nelle torri di trasmissione non è più un optional. La State Grid cinese ora impone l’UHSS (acciaio ad altissima resistenza, tipicamente producono ≥690 MPa) per la nuova altissima tensione (Uhv) corridoi attraverso il fiume Yangtze e attraverso zone sismiche. Il 2025 revisione del DL/T 5254: sì, Ho partecipato ad alcune di quelle riunioni di revisione, spingendo esplicitamente i limiti di snervamento 460 MPa a 690 MPa per elementi di tensione critica. Perché? Due ragioni, entrambi brutalmente semplici: peso, e vento.

Una campata di 100 metri utilizzando Q690 può ridurre il 18-22% del peso proprio della torre rispetto a Q420. Non si tratta solo di risparmiare acciaio. Questo è il calcestruzzo delle fondamenta risparmiato. I viaggi in elicottero si riducono quando si costruisce su un crinale montuoso senza accesso stradale. Ecco perché.

Ma ecco cosa non ti dicono i codici di progettazione. Non ti dicono del turno di notte a novembre 2021, quando una torcia di preriscaldamento ha esaurito il propano a metà del passaggio della radice, e la mattina dopo trovammo una crepa di tre pollici che correva lungo la zona influenzata dal calore. Non ti dicono come discutere con un project manager che pensa che “preriscaldare” significhi agitare vagamente una torcia nella direzione dell’acciaio per trenta secondi.

Quindi sto scrivendo questo. Non come professore. Non come ingegnere delle vendite. Come un ragazzo che ha tenuto il pungiglione, calibrato il rilevatore di difetti ad ultrasuoni su 2 Sono., e ha firmato le articolazioni che hanno portato avanti 500 kV ormai da sei anni senza un solo guasto.

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2. Comportamento materiale: Ciò che realmente si rompe, e perché

Cominciamo con l'elefante nel laboratorio. Q690, S690, o qualunque sia il nome proprietario che il tuo fornitore stampa su di esso: questa roba ha una resistenza inferiore nella zona influenzata dal calore (Haz) rispetto all'acciaio dolce. Periodo. L’equivalente di carbonio più elevato (Cheq) e temprabilità significano che sotto raffreddamento rapido, ottieni isole di martensite. La martensite è dura. Anche la martensite è fragile. Saldalo in modo sbagliato, e hai essenzialmente creato un avviatore di crack integrato.

tavolo 1: Tipici tipi di acciaio per torri di trasmissione: confronto chimico e meccanico

\[
\testo{Cheq} =C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{In + con}{15}
\]

Vedi che Q690 Ceq a 0.52? Questo è al limite per la saldatura sul campo senza un rigoroso controllo dell’idrogeno. Ora guarda Pcm. Qualunque cosa sopra 0.28 inizia a innervosirsi. Q960? 0.33. Non è una saldatura; è un patto suicida se non prendi tutte le precauzioni.

Ecco un'osservazione personale: il vero nemico non è sempre il metallo saldato. È la HAZ a grana grossa adiacente alla linea di fusione. Nel Q690, quella zona può vedere temperature di picco >1400° C, la dimensione del grano arriva fino a ASTM 3 o più grossolano, e se il raffreddamento è troppo veloce, bam. Hai una microstruttura che al microscopio sembra vetro rotto. Ho inciso dei campioni io stesso. L'ho visto.

Allora perché non normalizzarlo semplicemente in seguito? Perché non è possibile post-trattare termicamente la gamba di una torre di 75 metri sul campo. Nessun forno è adatto a una torre di trasmissione. Si vive con la microstruttura saldata. Questo è il vincolo contro cui combattiamo ogni giorno.

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3. Il problema dell’idrogeno e come abbiamo smesso di fingere che non esistesse

Cracking a freddo indotto dall’idrogeno. Conosciamo tutti il ​​nome. Facciamo tutti finta che i nostri elettrodi siano sufficientemente asciutti.

Non lo sono.

Di nuovo dentro 2015, sul progetto di rinforzo costiero del Fujian, abbiamo perso sette giunti su una singola torre a causa della rottura delle punte. È stato scoperto durante l'MPI (ispezione con particelle magnetiche) la mattina dopo la saldatura. Il primo ministro ha insistito sul fatto che si trattava di un “errore del saldatore”. Non lo era. Era idrogeno. Gli elettrodi a basso contenuto di idrogeno (E7015, se sei curioso) era stato conservato in un magazzino non riscaldato per tre giorni. Umidità nel Fujian ad aprile? Ottantacinque per cento. Nessuna cottura. Nessun forno di mantenimento sul posto di lavoro. Basta "toglierli dalla scatola e saldarli".

Ti risparmio i nomi, ma non ho parlato con quel project manager per un mese.

Ecco la soluzione, ed non è negoziabile:

tavolo 2: Misure di controllo sul campo per la gestione dell'idrogeno (La mia lista di controllo personale)

Non mi interessa se stai usando filo solido, rutilico con nucleo di flusso, o con anima metallica. Se il livello di idrogeno consumabile supera 5 ml/100 g su Q690, stai giocando d'azzardo. E la casa vince sempre.

Ancora una cosa: preriscaldare. Ho sentito ogni scusa. "Il tempo è caldo." "È solo una puntina di saldatura." "Abbiamo preriscaldato l'ultimo spinello e l'ispettore non ha nemmeno controllato." Stronzate. Le saldature a punti si rompono per prime. Diventano il sito di inizio del completo fallimento articolare. Ho visto una puntinatura, solo una piccola macchia di 20 mm, dare origine a una fessura che correva per 120 mm attraverso il metallo di base durante la notte.

Ora ho bisogno di pastelli che indichino la temperatura in ogni stazione. Non pistole a infrarossi a meno che non siano state calibrate quella mattina. Non “toccalo e vedi se fa caldo”. I pastelli si sciolgono a temperature specifiche. Non mentono.

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4. Qualificazione della procedura di saldatura: Cosa dice il documento vs. Cosa funziona

Parliamo di PQR (Registro di qualificazione della procedura). In teoria, è un test rigoroso. In realtà, le condizioni del laboratorio sono pulite, il saldatore è il migliore in negozio, l'adattamento è perfetto, e nessuno salda su un'impalcatura con un vento di 20 nodi 30 metri sopra il cemento.

Ho visto PQR che passano sull'S690 senza preriscaldamento. Ho visto test di impatto CVN a -40°C che hanno raggiunto 150J. Numeri bellissimi. Quindi vai al sito, e fai fatica a raggiungere 47J a -20°C.

Perché? Tasso di raffreddamento.

Il coupon del test PQR è solitamente una piastra spessa, trattenuto, spesso saldato in posizione piana con generoso apporto di calore. Condizioni sul campo? In verticale, accesso limitato, sezioni più sottili che si raffreddano più velocemente. Raffreddamento più rapido = maggiore durezza = minore tenacità.

La mia regola: Declassare il PQR. Se lo dice il laboratorio 1.5 kJ/mm è accettabile, mirare a 1,8–2,0 kJ/mm sul campo. Se il laboratorio dice 100°C preriscaldare, dammi 120°C. Costruisci nel margine.

Ecco un caso. 2022, un 690 Giunto sostitutivo MPa su una torre di attraversamento del fiume Yangtze. Il PQR originale utilizzava GMAW con Ar+20%CO2, 1.2filo da mm, apporto di calore 1.3 kJ/mm. L'intaglio a V Charpy a -40°C ha una media di 89J. Bene. Sul posto, la prima saldatura di produzione - stessi parametri - ha fallito l'UT. Lo abbiamo tagliato. Il laboratorio ha testato la durezza HAZ: 412 HV10. Questo è al limite per lo stress cracking da solfuro, non importa il cracking a freddo.

Abbiamo aumentato l'apporto di calore 1.7 kJ/mm rallentando la velocità di spostamento e allargando leggermente la trama. La durezza è scesa a 365 HV10. UT ritestato: passato. Robustezza? Mai misurato sul posto, ma la durezza raccontava la storia.

tavolo 3: Effetto dell'apporto di calore sulla durezza della ZTA (Q690D, 20piastra da mm, misurato da me)

Troppo basso e sei duro. Troppo alto (al di sopra di 2.0 kJ/mm) e l'ingrossamento del grano ti costa comunque la tenacità. Punto ideale per la saldatura sul campo Q690: 1.6–1,9 kJ/mm.

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5. Specifiche tecniche 2023, Hunan: Un caso di studio sul quasi fallimento

Tempesta di ghiaccio. Rete elettrica dell'Hunan. Il braccio trasversale di una torre da 220 kV, in acciaio Q690, ha ceduto alla saldatura della flangia. Nessun collasso, per fortuna. La crepa si propagò 60% attraverso la sezione prima dell'arresto. Siamo stati chiamati per valutare e riparare.

Quello che ho trovato:

• Materiali di consumo per saldatura: E71T-1C animato, 1.6mm. Valutazione dell'idrogeno: 8 ml/100 g tipico.
• Nessun record di preriscaldamento. I saldatori hanno detto di averlo “riscaldato un po’”.
• Ambiente: -5° C, vento freddo forse -12°C.
• Progettazione congiunta: smusso singolo, 45°, faccia della radice 2 mm, spazio tra le radici 3 mm.

Crack iniziato sulla punta, correva lungo la HAZ, poi trasformato nel metallo saldato. Superficie della frattura: lucido, granulare. Classico crack freddo assistito da idrogeno, con forse qualche stress di contenimento dovuto alla mancata corrispondenza dello spessore della flangia.

Non l’abbiamo semplicemente riparato. Abbiamo rifatto l'intera procedura.

La mia ricetta:

1. Cambia materiale di consumo. Il nucleo di flusso se ne andò. È arrivato il filo pieno GMAW con 82%Ar/18%CO2, idrogeno diffusibile garantito ≤3 mL/100g.

2. Preriscaldamento obbligatorio. 120°C minimo. Controllato ogni 30 minuti.

3. Controllo della temperatura di interpass. Massimo 200°C. Mantienilo coerente.

4. Rilascio di idrogeno post-saldatura. Mantenere a 150°C per 2 ore immediatamente dopo la saldatura, avvolto in una coperta termoisolante.

5. Digrignamento delle dita dei piedi. Leggera molatura del raggio per ridurre la concentrazione dello stress. Questa è un'assicurazione economica. Ci vogliono dieci minuti. Previene le screpolature delle dita.

Giunti riparati ricontrollati dopo sei mesi. Nessuna indicazione. La torre è ancora in piedi.

Si impara di più da un incidente mancato che da un progetto perfetto.

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6. 2025 Tendenze: Cosa sta cambiando (e cosa non lo è)

Nel momento in cui sto scrivendo questo (Presto 2025), tre cambiamenti stanno rimodellando il modo in cui lavoriamo con l’HSS nelle torri.

Prima: saldatura robotica. State Grid sta sperimentando robot a portale mobile per la saldatura in officina delle gambe delle torri. Queste non sono fantascienza: sono a Zhengzhou, stanno saldando Q690 con archi laser-ibridi, e il controllo dell'apporto di calore è ±0,05 kJ/mm. Sono scettico riguardo ai robot da campo, ma nei negozi di prefabbricazione, stanno eliminando la variabile più grande: incoerenza umana.

Secondo: Acciaio TMCP. L'acciaio lavorato termomeccanicamente sta guadagnando terreno. Ceq inferiore, migliore tenacità. L'anno scorso ho visto un lotto di prova di Q690TMCP. Ceq era 0.46, Pcm 0.26. È vicino ai vecchi livelli Q420. Lo abbiamo saldato con preriscaldamento a 75°C, torre della linea di trasmissione a doppio circuito, Durezza HAZ 335 HV10. Se TMCP diventa standard, metà dei miei mal di testa da saldatura scompaiono. Ma il costo è ancora più alto del 15-20%.. I clienti esitano.

Terzo: il 2024 DL/T 5254 emendamento. Questo non è ancora ampiamente noto, ma la bozza del linguaggio ora richiede un preriscaldamento minimo di 100°C per qualsiasi elemento Q550+, indipendentemente dallo spessore. Questo è un cambiamento importante. Precedentemente, il preriscaldamento veniva spesso rinunciato per le sezioni sottili (<16mm). Non più. I dati sulla fessurazione a freddo degli HSS a pareti sottili erano troppo convincenti per essere ignorati.

tavolo 4: 2024 Bozza di modifiche a DL/T 5254 (Parziale, Non ufficiale)

Ciò colpirà duramente il settore. Ho già visto i fornitori affrettarsi a rinominare il Q550 come “grado premium a basso preriscaldamento”. Leggi le clausole scritte in piccolo.

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7. Fattori culturali e locali che non vedrai negli standard ISO

Lasciatemi allontanarmi dalla metallurgia per un minuto.

Ho lavorato nel Sichuan, dove le torri sono ancorate alle scogliere di arenaria, e l'unico modo per sollevare l'attrezzatura è tramite gru a fune o manualmente. Ho lavorato nel Jiangsu, piatto come un tavolo, ma l'umidità arrugginisce il filo prima di avvolgerlo. Ho formato saldatori nel Guangdong che hanno imparato il mestiere nei cantieri navali e potevano eseguire un cordone verticale che sembrava scanalature lavorate. E ho lavorato con equipaggi nel remoto Yunnan che non avevano mai toccato il Q690 prima dell’anno scorso.

Quello che so è: Il livello medio dei saldatori cinesi è estremamente abile nella saldatura posizionale. Il loro modello di apprendistato è forte. Ma spesso sono poco attrezzati e poco supportati. Un saldatore americano potrebbe avere un ingegnere di saldatura dedicato sul posto. In Cina, l'ingegnere del sito, io, si occupa della saldatura, bullonatura, calcestruzzo, sondaggio, e sicurezza. Non è possibile eseguire la microgestione di ogni torcia.

Quindi non lo faccio.

Mi concentro sui pochi critici. Preriscaldare. Interpass. Controllo dell'idrogeno. Se ho capito bene, tutto il resto segue.

Anche: le catene di fornitura regionali sono importanti. Nello Zhejiang, avevamo accesso agli elettrodi giapponesi LB-52U, idrogeno ultra-basso, ma costoso. Nell'entroterra, abbiamo utilizzato marchi nazionali con maggiore variabilità. Adesso provo ogni lotto. Non fidarsi, verificare.

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8. Perché preferisco ancora SMAW per alcuni passaggi root (Contro tutte le tendenze)

Questa è un'eresia 2025. Tutti stanno spingendo GMAW, FCAW, anche laser ibrido. Tassi di deposizione più elevati. Meno abilità necessarie.

Ma sui passaggi root Q690, soprattutto in posizioni sopra la testa o verticali, A volte specifico ancora SMAW con elettrodi basici. E7015, E7016. Perché?

Poiché il trasferimento in cortocircuito GMAW, a meno che non sia perfettamente sintonizzato, può produrre una fusione incompleta alla faccia della radice. Nell'HSS, questo è un ottimo inizio. Ho effettuato controlli NDT sufficienti su radici GMAW su giunti ad alta costrizione per essere cauto. SMAW è più lento. È più dipendente dall'operatore. Ma la forza dell'arco scava nel fianco, e un abile saldatore sente la fusione. Questo feedback tattile è assente nei processi semiautomatici.

Quindi la mia procedura tipica per i giunti critici delle torri Q690:

1. Passaggio radice SMAW, 3.2elettrodo da mm, DCEN, 110–130A.
2. Riempimento e tappo GMAW, 1.2filo da mm, Ar/CO2, trasferimento a spruzzo, se possibile.
3. Cap pass riduce l'amperaggio per affinare la struttura del grano HAZ.

Vecchia scuola? SÌ. Efficace? Anche sì.

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9. Conclusione: Il saldatore non è l’anello più debole: lo è il sistema

Lavoro in questo settore da allora 1997. Ho visto l'acciaio della torre evolversi da A3F (sostanzialmente acciaio dolce) a Q420, poi Q550, ora Q690, e presto Q960 su progetti dimostrativi. Ogni salto di forza è stato accompagnato da un salto di difficoltà di saldabilità. E ogni volta, la reazione immediata è dare la colpa al saldatore. “Tecnica scadente.” "Mancanza di abilità."

Non è quasi mai solo il saldatore.

È l’ufficio acquisti che acquista gli elettrodi in base al prezzo al chilo, idrogeno non diffusibile. È il programma che non consente il tempo per il preriscaldamento. È l’ispettore che supera un giunto con inclusione di scorie perché “non è un membro primario”. Sono io, A volte, non spiegando abbastanza chiaramente perché dobbiamo tenere chiuso il forno degli elettrodi.

L’acciaio ad alta resistenza nelle torri di trasmissione è qui per restare. La metallurgia è matura. Le procedure di saldatura sono pubblicate. Ciò che manca è la volontà di eseguirli, giorno dopo giorno, turno dopo turno, senza scorciatoie.

Ho scritto questo perché sono stanco di scavare crepe nelle HAZ che non avrebbero mai dovuto rompersi. Ho scritto questo perché esiste la tecnologia per rendere i giunti Q690 affidabili quanto Q235. Richiede solo rispetto per la materia.

La prossima volta che vedi una torre di trasmissione, guarda le saldature. Se sono lisci, uniforme, nessun sottosquadro: a qualcuno importava. Qualcuno ha cotto gli elettrodi. Qualcuno ha asciugato la pioggia dal locale. Qualcuno ha usato un pastello a temperatura 2 Chiamaci. a dicembre.

Quel qualcuno non è l’anello debole. Quel qualcuno è il motivo per cui le luci restano accese.

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- Ingegnere sul campo senior
22 anni. Ho ancora un pastello termico nella tasca della giacca.