淺析國內水電用鋼的現狀和發展

曹佳麗　趙強　徐亞鵬　付曉月

摘要：本文分析了國內水電行業及水電用鋼的現狀和發展趨勢， 指出高強度級別水電用鋼的發展瓶頸，論述作為業主單位應及時進行技術儲備，積極促進水電用鋼研發和生產。

關鍵詞：水電行業； 壓力管道； 水電用鋼； 焊接性能

0 水電行業的發展現狀和未來趨勢

我國河流眾多，徑流豐沛，蘊藏著非常豐富的水能資源，是世界水電資源第一大國。目前全國已修建5萬多座水電站，其中長江干流第一壩葛洲壩水電站、二灘水電站、世界最大的水利樞紐三峽水電站代表了我國水電事業的雄厚實力已達到世界先進行列。但是截至 2014 年底，我國水電裝機容量突破3.0 億千瓦，僅占全國發電裝機容量的33．3%，占水電技術可開發量的 55% 左右，只達到了世界平均水平，與歐美日等發達國家的75%還有較大差距［1］。

我國是以煤炭資源為主的能源生產和消費大國，煤炭資源的大量開采和消費已成為環境污染的重要原因， 嚴重影響可持續發展戰略的實施， 優化能源結構是能源可持續發展的重要任務。水電是我國僅次于煤炭的第二大常規性能源，也是目前可再生和非化石能源中資源最明確，技術最成熟，最清潔最經濟的能源， 因此大力發展水電是未來可再生能源發展的重點。“十二五”時期，我國水電規劃的目標為： 2015年水電裝機容量達到2.9億千瓦，其中抽水蓄能0.3億千瓦，年發電量9100億千瓦，2020年水電總裝機容量達到4.2億千瓦，其中抽水蓄能0.7億千瓦，年發電量1.2萬億千瓦時。“十三五”時期，在做好生態環境保護和移民安置的前提下，積極發展水電，到2020年，力爭常規水電裝機達到3.5億千瓦左右。可見“十二五”和“十三五”是中國大水電發展的高峰期。

1 水電用鋼的簡要介紹

據統計，水電發電機組用鋼量約為每1萬千瓦320噸左右。所使用的鋼材主要包括四種：基礎建設用鋼，主要是地基、壩區等工程建設用；金屬結構用鋼，用于金屬閘門、啟閉機和管井內壁等中厚板產品；水輪機用鋼，用于水輪機葉片制造，一般使用熱軋磁軛鋼；壓力管道用鋼，我們一般所說的水電用鋼，特制此類產品，主要用于輸水系統的鋼管制造以及肋板、岔管、蝸殼等輔助設施［2］。壓力鋼管是水力發電中重要金屬結構，是從水庫或引水道末端的前池或調壓室將發電用水在有壓的狀態下引入水輪機的輸水管，或者在抽水蓄能電站由水泵向高處輸水，承受較高內水壓力的管道。壓力水管必須承受巨大的水壓以及水流的沖擊，且靠近廠房。可見，壓力鋼管的對水電站的安全運行起重要作用，其安全性和經濟性應受到特別重視［3］。另外，其設計、制造和安裝有不同于一般水工建筑物的特殊要求，均應本著安全運行第一的原則來進行，因此規范對壓力水管用鋼提出了很高的要求［4］。

隨著近年來我國水電建設的迅猛發展，高水頭水電站的興建和大容量水輪發電機組的應用，特別是國家發改委下發《關于促進抽水蓄能電站健康有序發展有關問題的意見》指出，抽水蓄能行業要“實現500米水頭及以上、單機容量400兆瓦級高水頭、大容量機組設計制造的自主化”，由此壓力鋼管的設計也越來越趨向大型化、巨型化［3］。

強度（屈服強度和抗拉強度）、塑性、韌性和焊接性是壓力鋼管用鋼的4個質量特征。按現行壓力鋼管設計標準，受壓部件的強度計算是以彈性失效為設計準則，因此壓力鋼管用鋼首先必須具有足夠的強度；其次要具有良好的塑性，它是鋼管卷制成形時制造工藝的需要；再其次要具有良好的韌性，是為了避免鋼管在承受驟然或意外載荷（水錘）時造成脆性破壞；最后還要具有優良的焊接性，因為壓力鋼管是焊接件，采用焊接性優良的鋼材，可以降低壓力鋼管的施工難度，節省工程投資［5］。

2 水電用鋼的研究現狀和發展趨勢

目前，水電站壓力鋼管用鋼主要采用 500 MPa、600 MPa、800 MPa 三個級別的鋼材，一般按照壓力容器用鋼規范進行生產。國內壓力鋼管用鋼標準主要有：GB 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》、GB 3531-2008《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》、GB19189-2003《壓力容器用調質高強度鋼板》、YB/T 4137-2005《低焊接冷裂紋敏感性高強度鋼板》。

2.1 水電用鋼的發展

我國早期的水電站建設中大量使用500 MPa級別的鋼板。GB713-2008對GB713-1997及GB6654-1996進行了合并及修改，將16MnR、16Mng、19Mng合并為Q345R。修訂后500MPa級水電用鋼主要有Q345R和美國的ATSM A537C1.1這兩種。2000年以來，國內水電站建設普遍采用 600 MPa 級壓力鋼管， 國產60 kg 級高強鋼的生產工藝是成熟的， 在水電站的應用技術也是十分成熟的。如舞陽WDB620，首鋼 SG610CF，鞍鋼 ADB610D等。2005年三峽右岸工程12臺機組蝸殼（12000 t）全部采用國產鞍鋼600MPa級鋼板ADB610D。

冶勒水電站壓力鋼管建設和福堂水電站的調壓井均使用了舞鋼生產的WDB62高強鋼，用量分別約為4338 t和1560 t。國產自主研發的600MPa級鋼板基本符合國際要求，但是相對來說國外鋼材工藝穩定性和成熟性優于國內。隨著水電站大裝機容量的不斷發展，水電站壩體的設計高度不斷增加，壓力鋼管的設計水頭越來越高，對鋼板的強度級別等級要求逐步提高，高強鋼板逐步成為目前大型水電站和抽水蓄能電站的首選鋼板。為了減小鋼管、蝸殼、岔管的壁厚，降低施工和焊接的難度，已逐步開始采用800 MPa級的水電用鋼。十三陵抽水蓄能電站使用日本進口的

800 MPa級別鋼板，但截止到2014年，使用國產800 MPa級別的抽水蓄能電站工程已經增加到了5個以上。2008年起，河南寶泉抽水蓄能電站開始使用由舞陽國產的800 MPa級別鋼板，浙江仙居抽水蓄能電站采用了首鋼800 MPa級鋼板，在建中的白鶴灘、烏東德水電站所采用1000 MW巨型水輪發電機組壓力鋼管及機組部分也將全部采用800 MPa級別高強度鋼板。總體來說，國產自主化研制的800 MPa級鋼板技術已經相對成熟，但與國外同類產品相比， 其塑性指標、 低溫沖擊性能以及焊接性等方面還存在著一定的差距。

另外，國內配套的焊接材料開發相對滯后，經常出現焊接接頭的沖擊功無法滿足設計要求的現象，工程應用受到一定的限制［2，6-7］。

可以預計，隨著我國大型、巨型水電站的興建，1000 MPa級別高強鋼將會逐步在我國水電工程的建設中得到應用。據計算，高強鋼板設計強度從800 MPa提升到1000 MPa，強度提高約25%，同等載荷下鋼管壁厚可以減薄越17%，同時節省焊接量，節約成本。近年來，國內外各大鋼鐵公司和研究院所均已開展1000級別高強鋼冶煉的試驗研究，且國外已開始進行批量生產，并在一些大型和重要項目中逐漸推廣應用。如日本住友公司在上世紀90年代開始研發的SMISUM950鋼，在丸川（HD值為4095 m²）和神流川（HD值為4238 m²）抽水蓄能電站工程建設中均得到應用，最大鋼板厚度分別為66 mm和62 mm。而國內目前尚無1000 MPa級鋼板的應用先例。表1和表2給出了國內外大型水電站壓力鋼管和岔管的典型選材。

2.2 高強度級別水電用鋼發展瓶頸

高強度級水電用鋼的技術難點，主要體現為以下幾個方面：

1. 鋼板強度級別越高，碳含量和合金元素含量也會提高，用“碳當量”法和“裂紋敏感系數法”來評估材料的焊接性是最常用的分析方法。一般碳當量越高，則材料的冷裂敏感性越大，焊接性越差。高級別鋼材的合金含量高，熱影響區易脆化，易出現馬氏體組織，勢必會進一步惡化焊接性。

國際焊接學會（IIW）推薦的CEIIW及日本的JIS標準所規定的CEjis分別適用于屈服強度不同的鋼材，且都適用于含碳量偏高（C%≥0.18%）的鋼種。隨著低碳微合金高強度鋼的開發，發展了Pcm公式，Pcm原則上適用于含碳量較低（0.07%～0.22%）的鋼。之后又發展了新的碳當量公式CEN，適用于含碳量從0.034%～0.254%，如式（1）所示：

CEN=ω（C）+A（C）［1/24ω（Si）+1/16ω（Mn）+1/15ω（Cu）+1/20ω（Ni）+1/5ω（Cr+Mo+V+Nb）+5ω（B）］（1）

式中A（C）表示碳的適當系數，

A（C）=0.75+0.25tanh［20w（C）-0.12］? ? （2）

CEN公式是目前含碳量范圍較寬的碳當量公式，從碳當量來看，CEN ＞ 0.5%，則屬于高淬硬傾向、焊接性差的鋼種，CEN ≤0.45%時，鋼種的焊接性良好。

焊接冷裂紋敏感指數是日本焊接接協會于1983年制訂的“低焊接接冷裂紋敏感性高強度鋼”標準中提出的用于評定煌接冷裂紋敏感的指數。根據該標準中有關鋼板低裂紋敏感性的規定，只有當鋼板的P_cm≤0.20%時，防止根部裂紋的預熱溫度才不會高于50℃，如式（3）所示。

P_cm=W（C）+1/30w（Si）+1/20w（Mn+Cu+Cr）+1/60w（Ni）+1/15w（Mo）+1/10w（V）+5w（B）? ? ? ?（3）

2. 國內的焊接材料對高強度級別鋼板進行手工焊和埋弧焊時，線能量都較低，焊接線能量窗口窄，且焊縫處-40℃的沖擊功不穩定，經常出現低值。首鋼利用國內知名廠家的焊材進行焊接工藝評定時，800 MPa級鋼板的焊縫在常規熱輸入窗口下-40℃沖擊功余量不大［8］。洪屏項目的施工單位完成的焊接工藝評定報告中，焊縫-40℃沖擊功每組出現個別小于47 J的情況也較多。進口焊材焊接熱輸入窗口相對較大，焊縫沖擊功也優于國產焊材，但是價格較貴，焊接材料成為限制800 MPa級及以上鋼板工程應用的關鍵因素。

3 結論

作為業主單位，一方面在國內采購材料時，需要加強無損檢測的檢驗與驗收，尤其焊接性能對比性研究，保證工程質量；另一方面，目前我國的水電事業發展迅猛，國內寶鋼、武鋼、鞍鋼、舞鋼、首鋼（首秦）等技術水平較高的鋼廠已研制出部分達到國際標準的高端水電用鋼，對國外進口依賴程度也出現降低。但是，技術上仍存在相對不成熟和不穩定，若和鋼鐵企業聯合，進行高端鋼板的研制、配套焊材的開發以及焊接工藝評定及推廣，不僅可以保證實現巨大的經濟效益，還能打破壟斷，有利于我國水電行業材料研發領先水平的發展。

參考文獻

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［7］ 周林， 屈剛. 國產 WSD690E 高強鋼焊接試驗及工程應用［J］. 科學技術與工程， 2014 （6）：247-250.

［8］ 張熹，章軍 ，金茹等.首 鋼 級 水 電 壓 力 鋼 管 用 鋼 焊 接 技 術 研 究［J］.水電站壓力管道--第八屆全國水電站壓力管道學術會議論文集，2014.