Aços de alta resistência na construção de torres de transmissão: A perspectiva de um engenheiro de campo sobre aplicações e tecnologias críticas de soldagem

Autor: Engenheiro Sênior de Soldagem de Campo, 22 anos na construção de linhas de transmissão (1997–2019, então consultor independente)
Locais referenciados: Terreno montanhoso de Sichuan (500Projeto kV Luzhou – Zigong), litoral de Zhejiang (atualizações de 220kV propensas a tufões), e um 2023 reparo de emergência na tempestade de gelo de Hunan.

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1. Por que escrevi isso - e por que você deveria se importar

Você abre uma folha de especificações de um torre de transmissão projeto. O cliente exige aço Q690 ou mesmo Q960. Seu cara de compras levanta uma sobrancelha. Seus soldadores – bons homens, certificado, mas acostumados com o Q345 e talvez com algum Q420 - eles olham para você como se você tivesse acabado de entregar a eles um pedaço de armadura. "Chefe, essa coisa racha se você espirrar nela.”

eu estive lá. Mais vezes do que posso contar.

Aqui está a coisa: aço de alta resistência em torres de transmissão não é mais opcional. A State Grid da China agora exige UHSS (aço de ultra-alta resistência, normalmente rende ≥690 MPa) para nova tensão ultra-alta (Uhv) corredores através do rio Yangtze e através de zonas sísmicas. o 2025 revisão do DL/T 5254 – sim, Participei de algumas dessas reuniões de revisão – empurrando explicitamente os limites de limite de rendimento de 460 MPa para 690 MPa para membros de tensão crítica. Por que? Duas razões, ambos brutalmente simples: peso, e vento.

Um vão de 100 metros usando o Q690 pode reduzir de 18 a 22% do peso próprio da torre em comparação com o Q420. Isso não é apenas aço salvo. Isso é o concreto da fundação salvo. Isso significa que as viagens de helicóptero são reduzidas quando você está construindo no cume de uma montanha sem acesso rodoviário. É por isso.

Mas aqui está o que os códigos de design não dizem. Eles não falam sobre o turno da noite em novembro 2021, quando uma tocha de pré-aquecimento ficou sem propano no meio de uma passagem de raiz, e na manhã seguinte encontramos uma rachadura de sete centímetros ao longo da zona afetada pelo calor. Eles não ensinam como argumentar com um gerente de projeto que pensa que “pré-aquecer” significa balançar uma tocha vagamente na direção do aço por trinta segundos..

Então estou escrevendo isso. Não como professor. Não como engenheiro de vendas. Como um cara que segurou o ferrão, calibrou o detector ultrassônico de falhas em 2 sou., e assinado em juntas que carregam 500 kV há seis anos sem uma única falha.

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2. Comportamento Material: O que realmente quebra, e por quê

Vamos começar com o elefante na oficina. Q690, S690, ou qualquer nome proprietário que seu fornecedor carimbe nele - esse material tem menor resistência na zona afetada pelo calor (Haz) do que o aço macio. Período. O maior equivalente de carbono (Cheque) e temperabilidade significam que sob resfriamento rápido, você obtém ilhas de martensita. Martensita é difícil. A martensita também é frágil. Solde errado, e você basicamente criou um crack starter integrado.

Mesa 1: Classes típicas de aço para torres de transmissão - comparação química e mecânica

\[
\texto{Cheque} =C + \Frac{Mn}{6} + \Frac{Cr + Mo + V}{5} + \Frac{Em + com}{15}
\]

Você vê aquele Q690 Ceq em 0.52? Isso é limítrofe para soldagem em campo sem controle rigoroso de hidrogênio. Agora olhe para Pcm. Qualquer coisa acima 0.28 começa a ficar nervoso. Q960? 0.33. Isso não é uma solda; isso é um pacto de suicídio se você não tomar todas as precauções.

Aqui está uma observação pessoal: o verdadeiro inimigo nem sempre é o metal de solda. É a ZTA de granulação grossa adjacente à linha de fusão. Em Q690, essa zona pode ver temperaturas máximas >1400° C, tamanho de grão dispara até ASTM 3 ou mais grosso, e se o resfriamento for muito rápido – bam. Você tem uma microestrutura que parece vidro quebrado sob o microscópio. Eu mesmo gravei amostras. eu já vi isso.

Então, por que não normalizar isso depois? Porque você não pode pós-tratar termicamente uma perna de torre de 75 metros no campo. Nenhum forno cabe em uma torre de transmissão. Você vive com a microestrutura soldada. Essa é a restrição que lutamos todos os dias.

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3. O problema do hidrogênio – e como paramos de fingir que ele não existia

Craqueamento a frio induzido por hidrogênio. Todos nós sabemos o nome. Todos nós fingimos que nossos eletrodos estão secos o suficiente.

Eles não são.

De volta 2015, no projeto de reforço costeiro de Fujian, perdemos sete juntas em uma única torre devido a rachaduras nos dedos. Foi descoberto durante o MPI (inspeção de partículas magnéticas) na manhã seguinte à soldagem. O PM insistiu que foi um “erro de Weldor”. Não foi. Era hidrogênio. Os eletrodos de baixo hidrogênio (E7015, se você está curioso) foi armazenado em um armazém sem aquecimento por três dias. Umidade em Fujian em abril? Oitenta e cinco por cento. Sem cozimento. Não é permitido segurar fornos no local de trabalho. Basta “tirá-los da caixa e soldá-los”.

Vou poupar você dos nomes, mas não falei com aquele gerente de projeto por um mês.

Aqui está a solução, e não é negociável:

Mesa 2: Medidas de controle de campo para gerenciamento de hidrogênio (Minha lista de verificação pessoal)

Eu não me importo se você está usando fio sólido, rutilo fluxado, ou com núcleo metálico. Se a sua classificação de hidrogênio consumível exceder 5 mL/100g no Q690, você está jogando. E a casa sempre ganha.

Mais uma coisa: pré-aquecer. Eu ouvi todas as desculpas. “O tempo está quente.” “É apenas uma solda por pontos.” “Pré-aquecemos o último baseado e o inspetor nem checou.” Besteira. Soldas adesivas quebram primeiro. Eles se tornam o local de iniciação para falha articular completa. Eu vi uma solda por pontos - apenas uma pequena bolha de 20 mm - iniciar uma rachadura que percorreu 120 mm através do metal base durante a noite.

Agora preciso de lápis de cor que indiquem a temperatura em todas as estações. Não armas infravermelhas, a menos que sejam calibradas naquela manhã. Não “toque e veja se está quente”. Os giz de cera derretem em temperaturas específicas. Eles não mentem.

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4. Qualificação do procedimento de soldagem: O que o jornal diz vs.. O que funciona

Vamos falar sobre PQR (Registro de qualificação de procedimento). Em teoria, é um teste rigoroso. Na realidade, as condições do laboratório estão limpas, o soldador é o melhor da loja, o ajuste é perfeito, e ninguém está soldando em um andaime com vento de 20 nós 30 metros acima do concreto.

Já vi PQRs que passam no S690 sem pré-aquecimento. Já vi testes de impacto CVN a -40°C que atingiram 150J. Números bonitos. Então você vai ao site, e você está lutando para obter 47J a -20°C.

Por que? Taxa de refrigeração.

O cupom de teste PQR geralmente é uma placa grossa, contido, frequentemente soldado em uma posição plana com generosa entrada de calor. Condições de campo? Vertical para cima, acesso restrito, seções mais finas que esfriam mais rápido. Resfriamento mais rápido = maior dureza = menor tenacidade.

Minha regra: Desclassificar o PQR. Se o laboratório disser 1.5 kJ/mm é aceitável, apontar para 1,8–2,0 kJ/mm no campo. Se o laboratório disser 100°C pré-aquecimento, me dê 120°C. Construir na margem.

Aqui está um caso. 2022, uma 690 Junta de substituição MPa em uma torre de travessia do rio Yangtze. PQR original usado GMAW com Ar+20%CO2, 1.2fio mm, entrada de calor 1.3 kJ/mm. Entalhe em V Charpy a -40°C com média de 89J. Multar. No local, primeira solda de produção – mesmos parâmetros – falhou no UT. Nós cortamos isso. O laboratório testou a dureza HAZ: 412 HV10. Isso é limítrofe para o cracking por estresse de sulfeto, não importa rachaduras a frio.

Aumentamos a entrada de calor para 1.7 kJ/mm diminuindo a velocidade de deslocamento e alargando ligeiramente a trama. A dureza caiu para 365 HV10. UT testado novamente: passou. Resistência? Nunca medido no local, mas a dureza contou a história.

Mesa 3: Efeito da entrada de calor na dureza HAZ (Q690D, 20placa mm, medido por mim)

Muito baixo e você é difícil. Muito alto (sobre 2.0 kJ/mm) e o engrossamento dos grãos custa resistência de qualquer maneira. Ponto ideal para soldagem em campo Q690: 1.6–1,9kJ/mm.

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5. Mínimo 2023, Hunan: Um estudo de caso em quase fracasso

Tempestade de gelo. Rede elétrica de Hunan. O braço transversal de uma torre de 220kV – aço Q690 – falhou em uma solda de flange. Sem colapso, felizmente. A rachadura se propagou por cerca de 60% através da seção antes da prisão. Fomos chamados para avaliar e reparar.

O que eu encontrei:

• Consumíveis de soldagem: E71T-1C com núcleo fluxado, 1.6milímetros. Classificação de hidrogênio: 8 mL/100g típico.
• Sem registros de pré-aquecimento. Welders disse que “aqueceu um pouco”.
• Ambiente: -5° C, sensação térmica talvez -12°C.
• Projeto conjunto: bisel único, 45°, face raiz 2mm, lacuna raiz 3mm.

Rachadura iniciada no dedo do pé, correu ao longo do HAZ, então se transformou no metal de solda. Superfície de fratura: brilhante, granular. Crack a frio clássico assistido por hidrogênio, talvez com alguma tensão de restrição devido à incompatibilidade de espessura do flange.

Nós não apenas consertamos. Refizemos todo o procedimento.

Minha receita:

1. Trocar consumível. Saiu o núcleo de fluxo. Chegou o fio sólido GMAW com 82%Ar/18%CO2, hidrogênio difusível garantido ≤3 mL/100g.

2. Pré-aquecimento obrigatório. 120°C mínimo. Verificado todos 30 minutos.

3. Controle de temperatura entre passagens. Máx. 200°C. Manteve-o consistente.

4. Liberação de hidrogênio pós-soldagem. Mantenha a 150°C por 2 horas imediatamente após a soldagem, envolto em manta de isolamento térmico.

5. Moendo os dedos dos pés. Ligeira retificação de raio para reduzir a concentração de tensão. Este é um seguro barato. Demora dez minutos. Previne rachaduras nos dedos dos pés.

Juntas reparadas reinspecionadas após seis meses. Sem indicações. A torre ainda está de pé.

Você aprende mais com um quase acidente do que com um projeto perfeito.

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6. 2025 Tendências: O que está mudando (e o que não é)

No momento em que estou escrevendo isso (cedo 2025), três mudanças estão remodelando a forma como trabalhamos com HSS em torres.

Primeira: soldagem robótica. State Grid está testando robôs de pórtico móvel para soldagem de pernas de torre. Não são ficção científica – estão em Zhengzhou, eles estão soldando Q690 com arcos híbridos a laser, e o controle de entrada de calor é de ±0,05 kJ/mm. Sou cético em relação aos robôs de campo, mas em lojas de pré-fabricação, eles estão eliminando a maior variável: inconsistência humana.

Segundo: Aço TMCP. O aço processado controlado termomecanicamente está ganhando terreno. Ceq Inferior, melhor resistência. Eu vi um lote de teste do Q690TMCP no ano passado. Ceq era 0.46, Pcm 0.26. Isso está próximo dos antigos níveis do Q420. Soldamos com pré-aquecimento de 75°C, sem rachaduras, Dureza HAZ 335 HV10. Se o TMCP se tornar padrão, metade das minhas dores de cabeça com soldagem desaparecem. Mas o custo ainda é 15–20% maior. Os clientes hesitam.

Terceiro: a 2024 DL/T 5254 alteração. Isso ainda não é amplamente conhecido, mas a linguagem preliminar agora requer pré-aquecimento mínimo de 100°C para qualquer membro Q550+, independentemente da espessura. Essa é uma grande mudança. Anteriormente, o pré-aquecimento era frequentemente dispensado para seções finas (<16milímetros). Não mais. Os dados sobre fissuração a frio em HSS de paredes finas eram demasiado convincentes para serem ignorados.

Mesa 4: 2024 Rascunho de alterações no DL/T 5254 (Parcial, Não oficial)

Isso afetará duramente a indústria. Já vi fornecedores correndo para renomear o Q550 como “classe premium de baixo pré-aquecimento”. Leia as letras miúdas.

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7. Fatores culturais e locais que você não verá nos padrões ISO

Deixe-me me afastar da metalurgia por um minuto.

Eu trabalhei em Sichuan, onde as torres estão ancoradas em penhascos de arenito, e a única maneira de levantar o equipamento é por meio de guindaste ou manualmente. Eu trabalhei em Jiangsu, plana como uma mesa, mas a umidade enferruja seu fio antes de você enrolá-lo. Treinei soldadores em Guangdong que aprenderam seu ofício em estaleiros e podiam executar um cordão vertical que parecia ranhuras usinadas. E trabalhei com equipes na remota Yunnan que nunca haviam tocado no Q690 antes do ano passado.

O que eu sei é: O nível médio dos soldadores chineses é extremamente qualificado em soldagem posicional. Seu modelo de aprendizagem é forte. Mas muitas vezes estão mal equipados e com pouco apoio. Um soldador americano pode ter um engenheiro de soldagem dedicado no local. Na China, o engenheiro local – eu – cobre soldagem, aparafusamento, concreto, enquete, e segurança. Você não pode microgerenciar cada tocha.

Então eu não.

Eu me concentro nos poucos críticos. Pré-aquecer. Interpasse. Controle de hidrogênio. Se eu acertar, tudo o resto segue.

Também: cadeias de abastecimento regionais são importantes. Em Zhejiang, tivemos acesso aos eletrodos japoneses LB-52U, hidrogênio ultrabaixo, mas caro. Interior, usamos marcas nacionais com maior variabilidade. Eu testo cada lote agora. Não confie, verificar.

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8. Por que ainda prefiro SMAW para certos passes de root (Contra todas as tendências)

Isso é heresia em 2025. Todo mundo está incentivando o GMAW, FCAW, até mesmo laser híbrido. Taxas de deposição mais altas. Menos habilidade necessária.

Mas nas passagens de root do Q690, especialmente em posições acima da cabeça ou verticais, Às vezes ainda especifico SMAW com eletrodos básicos. E7015, E7016. Por que?

Porque a transferência de curto-circuito GMAW, a menos que esteja perfeitamente sintonizado, pode produzir fusão incompleta na face da raiz. Em HSS, isso é um começo de crack. Já apliquei raízes GMAW suficientes em juntas de alta restrição para ser cauteloso. SMAW é mais lento. É mais dependente do operador. Mas a força do arco penetra na parede lateral, e um soldador habilidoso sente a fusão. Esse feedback tátil está ausente em processos semiautomáticos.

Então, meu procedimento típico para juntas críticas de torres Q690:

1. Passe de raiz SMAW, 3.2eletrodo mm, DCEN, 110–130A.
2. Preenchimento e tampa GMAW, 1.2fio mm, Ar/CO2, transferência por spray, se possível.
3. Cap pass reduziu amperagem para refinar a estrutura de grãos HAZ.

Velha escola? Sim. Eficaz? Também sim.

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9. Conclusão: O soldador não é o elo mais fraco – o sistema é

Estou neste setor desde 1997. Eu vi o aço da torre evoluir do A3F (basicamente aço macio) para Q420, então Q550, agora Q690, e em breve Q960 em projetos de demonstração. Cada salto na força foi acompanhado por um salto na dificuldade de soldabilidade. E cada vez, a reação imediata é culpar o soldador. “Técnica ruim.” “Falta de habilidade.”

Quase nunca é apenas o soldador.

É o departamento de compras que compra eletrodos com base no preço por quilo, hidrogênio não difusível. É a programação que não permite tempo para pré-aquecimento. É o fiscal que passa um baseado com inclusão de escória porque “não é membro primário”. Sou eu, às vezes, não explicando com clareza suficiente por que precisamos manter o forno de eletrodo fechado.

O aço de alta resistência em torres de transmissão veio para ficar. A metalurgia está madura. Os procedimentos de soldagem são publicados. O que falta é vontade de executá-los, dia após dia, turno após turno, sem atalhos.

Escrevi isso porque estou cansado de cavar rachaduras em HAZs que nunca deveriam ter quebrado. Escrevi isso porque existe tecnologia para tornar as juntas Q690 tão confiáveis ​​quanto Q235. Requer apenas respeito pelo material.

Da próxima vez que você vir uma torre de transmissão, olha as soldas. Se eles são suaves, uniforme, sem corte inferior - alguém se importava. Alguém assou seus eletrodos. Alguém limpou a chuva do baseado. Alguém usou um lápis de temperatura em 2 sou. em dezembro.

Esse alguém não é o elo mais fraco. Esse alguém é o motivo pelo qual as luzes permanecem acesas.

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— Engenheiro de Campo Sênior
22 anos. Ainda carrego um giz de cera no bolso da jaqueta.