呼和浩特抽水蓄能電站鋼岔管國(guó)產(chǎn)化研究與工程應(yīng)用

余 健，劉 蕊

（中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

隨著水電工程建設(shè)向青藏高原等地區(qū)擴(kuò)展及抽水蓄能電站的大規(guī)模建設(shè)，高水頭、大HD值電站建設(shè)越來(lái)越多，并逐步成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，此類電站鋼岔管所需的790MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼板及配套的焊接材料是制造的必備品，但與此不相協(xié)調(diào)的是這些關(guān)鍵性基礎(chǔ)材料過(guò)去均需從國(guó)外進(jìn)口，進(jìn)口鋼板不但價(jià)格昂貴，還被附加歧視性條款、用途鎖定，嚴(yán)重影響了國(guó)內(nèi)高水頭電站的發(fā)展。本文以內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能電站（簡(jiǎn)稱呼蓄電站）為例，樞紐工程包括上水庫(kù)、水道系統(tǒng)、地下廠房、泄洪排水洞及下水庫(kù)等，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為300MW的混流可逆式水泵 水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量為1200MW。引水系統(tǒng)采用一管兩機(jī)布置方式，岔管部位的巖石呈微風(fēng)化至新鮮狀態(tài)，巖體較完整，岔管位于地下水位以下約230m，鋼岔管采用對(duì)稱“Y”型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋結(jié)構(gòu)，分岔角70°，支管直徑3.2m，主管直徑4.6m，最大公切球直徑5.2m，鋼岔管前后設(shè)計(jì)流速依次為7.97m/s、8.23m/s，采用790MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板制造，主、支岔壁厚70mm，肋板厚140mm，設(shè)計(jì)水頭906m，HD值約4186m2，是我國(guó)已建水電工程HD值最大、國(guó)產(chǎn)鋼材強(qiáng)度級(jí)別最高的鋼岔管[1]。

1 岔管設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)化

呼蓄電站790MPa級(jí)鋼岔管設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)：

（1）通過(guò)對(duì)岔管區(qū)段圍巖覆蓋厚度的復(fù)核計(jì)算明確岔管是采用鋼筋混凝土襯砌還是采用鋼岔管，并結(jié)合壓力管道布置方式和圍巖情況選定岔管采用的型式和布置位置；

（2）岔管體型設(shè)計(jì)研究，明確岔管體型并進(jìn)行優(yōu)化；

（3）岔管原材料的力學(xué)性能、各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、焊接性能的研究，為選材提供依據(jù)；

（4）岔管制造設(shè)計(jì)，提出岔管制造分割方案、繪制瓦片展開(kāi)圖并進(jìn)行坡口設(shè)計(jì)；

（5）水壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)，提出最大水壓試驗(yàn)壓力值、應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)、水壓試驗(yàn)方案和監(jiān)測(cè)方案[2]。

呼蓄電站鋼岔管國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)的技術(shù)路線特點(diǎn)及技術(shù)成果的先進(jìn)性如下：

（1）內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管由于其體型和結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性，使其成為水道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵性研究問(wèn)題，對(duì)于呼蓄電站如此大規(guī)模鋼岔管，通過(guò)優(yōu)化布置及設(shè)計(jì)參數(shù)，改善應(yīng)力狀態(tài)，充分發(fā)揮材料強(qiáng)度以及合理考慮圍巖分擔(dān)內(nèi)水壓力來(lái)減少鋼板厚度，降低制造、安裝難度成為重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

（2）呼蓄電站是國(guó)內(nèi)首例采用國(guó)產(chǎn)790MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板制造的鋼岔管，對(duì)于首次應(yīng)用于高水頭大HD值鋼岔管的國(guó)產(chǎn)790MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼板化學(xué)成分、力學(xué)性能指標(biāo)的確定，成為其成功應(yīng)用的關(guān)鍵性因素，在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)大型鋼廠實(shí)際鋼板生產(chǎn)能力及鋼材性能的基礎(chǔ)上，對(duì)比國(guó)標(biāo)（GB）、歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN）、ASTM標(biāo)準(zhǔn)、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS），并結(jié)合呼蓄電站的實(shí)際情況，提出了應(yīng)用于呼蓄電站鋼岔管的790MPa鋼板各項(xiàng)性能指標(biāo)。

（3）為實(shí)現(xiàn)鋼岔管國(guó)內(nèi)制造，需研究高水頭大HD值鋼岔管的分割制造方案、瓦片展開(kāi)、焊接坡口型式等，有效解決鋼岔管制造過(guò)程中的瓦片分割問(wèn)題，減小施工難度，減少鋼材用量，縮短制造周期，節(jié)約工程投資。

（4）為順利進(jìn)行鋼岔管水壓試驗(yàn)測(cè)試，需合理確定水壓試驗(yàn)最大壓力值，全面監(jiān)測(cè)水壓試驗(yàn)過(guò)程中鋼岔管的應(yīng)力和變形情況，因此需要對(duì)水壓試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究，確保鋼岔管結(jié)構(gòu)安全和水壓試驗(yàn)效果[3]。

在滿足現(xiàn)行國(guó)家規(guī)程規(guī)范的要求下，依靠國(guó)內(nèi)科研及設(shè)計(jì)資源，獨(dú)立完成790MPa級(jí)高強(qiáng)鋼岔管的設(shè)計(jì)工作，結(jié)合鋼岔管三維有限元計(jì)算分析和水力學(xué)特性分析，優(yōu)化了鋼岔管體型，改善了受力條件，使得鋼岔管在受力條件較好的前提下結(jié)構(gòu)尺寸較小，最大外形尺寸約為6.07m×7.10m×5.51m；充分利用圍巖分擔(dān)內(nèi)水壓力，將岔管壁厚減小為70mm、肋板厚度為140mm，減小了加工制造難度；通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算和水力特性研究，岔管具有良好的水流流態(tài)。

2 岔管用鋼國(guó)產(chǎn)化

近年來(lái)，寶山鋼鐵股份有限公司（簡(jiǎn)稱寶鋼）、舞陽(yáng)鋼鐵有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱舞鋼）生產(chǎn)的790MPa級(jí)鋼板已逐步應(yīng)用于寶泉抽水蓄能電站、喀臘塑克水電站、公格爾水電站等實(shí)際工程，其力學(xué)性能、化學(xué)成分、焊接性能等各項(xiàng)指標(biāo)滿足應(yīng)用工程的需要。國(guó)產(chǎn)790MPa級(jí)鋼板在高水頭、大HD值高壓鋼岔管上雖然還沒(méi)有應(yīng)用實(shí)例，但鑒于國(guó)產(chǎn)鋼板的價(jià)格優(yōu)勢(shì)和性能上的逐步進(jìn)步，綜合考慮在呼蓄電站的鋼岔管中使用國(guó)產(chǎn)790MPa級(jí)鋼板。通過(guò)對(duì)寶鋼、舞鋼生產(chǎn)的790MPa級(jí)鋼板實(shí)物鋼板化學(xué)成分和性能指標(biāo)等的分析，其鋼板生產(chǎn)能力、厚度范圍、化學(xué)成分、力學(xué)性能指標(biāo)、厚鋼板抗層狀撕裂性能基本滿足呼蓄電站鋼岔管設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，改善后可滿足呼蓄電站鋼岔管的要求，通過(guò)綜合比選，最終選擇由寶鋼開(kāi)發(fā)出滿足高水頭、大HD值水電站鋼岔管用790MPa級(jí)調(diào)質(zhì)鋼板作為呼蓄電站岔管生產(chǎn)用鋼。

呼蓄電站鋼岔管790MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板以滿足鋼板抗裂、止裂及焊接性能為主要目標(biāo)，從成分設(shè)計(jì)入手，合理進(jìn)行關(guān)鍵合金元素組配與遴選，充分發(fā)揮寶鋼厚板產(chǎn)線的精煉、板坯內(nèi)質(zhì)控制、除鱗、軋制和熱處理淬火設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)鋼板具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能、低焊接裂紋敏感系數(shù)、良好焊接性能及高表面質(zhì)量。呼蓄電站790MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板研發(fā)的技術(shù)路線特點(diǎn)及技術(shù)成果的先進(jìn)性如下：

2.1 低焊接裂紋敏感性設(shè)計(jì)

為滿足鋼板在不預(yù)熱和低預(yù)熱條件下具有優(yōu)異的焊接性能，采用超低焊接裂紋系數(shù)設(shè)計(jì)。采用低碳、合理的淬透性合金元素設(shè)計(jì)，根據(jù)寶鋼淬火機(jī)冷卻能力，控制DI指數(shù)在合適的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)低焊接裂紋敏感系數(shù)Pcm；對(duì)于厚度不大于80mm鋼板，Pcm≤0.24%；對(duì)于厚度大于80～155mm的鋼板，Pcm≤0.26%；實(shí)際生產(chǎn)控制中，鋼板的實(shí)際低焊接裂紋敏感系數(shù)要明顯低于此值[4]。如此低的低焊接裂紋敏感系數(shù)，使鋼板在車間組裝的高拘束、施工安裝現(xiàn)場(chǎng)高濕度、在不預(yù)熱或利用層間溫度焊接條件下，保證接頭不產(chǎn)生氫致裂紋。

2.2 強(qiáng)韌性匹配

為了滿足水電金屬構(gòu)件的承載要求，通過(guò)合理利用淬透性指數(shù)DI、Mo當(dāng)量控制，達(dá)到屈服強(qiáng)度不小于690MPa，抗拉強(qiáng)度不小于790MPa，同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同厚度鋼板在厚度方向上力學(xué)性能均勻性；利用（Mn當(dāng)量）/C、Ni當(dāng)量、Ca/S等元素組合，實(shí)現(xiàn)鋼板具有良好的強(qiáng)韌性和低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，提高鋼板抗開(kāi)裂和抗裂紋擴(kuò)展能力（即優(yōu)良的止裂性）。

2.3 潔凈鋼成分設(shè)計(jì)

采用超低硫、超低磷成分成計(jì)，即P≤0.010%、S≤0.0020%，并超低控制氫、氧、氮等氣體雜質(zhì)元素，保證鋼板具有良好的塑性和低溫韌性，具有較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。如此成分設(shè)計(jì)，也保證鋼板具有優(yōu)良的Z向性能，可滿足水電結(jié)構(gòu)T型結(jié)構(gòu)和搭接結(jié)構(gòu)要求。

2.4 不同焊接方法和焊接參數(shù)適應(yīng)性

水電金屬構(gòu)件在車間制作時(shí)，可采用手工焊條電弧焊、埋弧焊和氣體保護(hù)焊。在現(xiàn)場(chǎng)組裝并焊接時(shí)，主要采用手工或半自動(dòng)焊接。開(kāi)發(fā)鋼板，要保證不同焊接接頭及其焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度和韌性達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。元素選擇時(shí)，既要保證鋼板的強(qiáng)度，又要保證焊接熱影響區(qū)在小焊接熱輸入時(shí)不因形成淬硬組織而脆化，又要實(shí)現(xiàn)在較大熱輸入（如埋弧焊）時(shí)保證焊接熱影響區(qū)不因組織軟化而形成接頭強(qiáng)度降低和晶粒粗化引起的韌性降低[5]。

3 焊接材料國(guó)產(chǎn)化

為與寶鋼生產(chǎn)的790MPa級(jí)B780CF高強(qiáng)鋼板達(dá)到良好的匹配，用于呼蓄電站鋼岔管鋼板的焊接，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝條件與設(shè)備，開(kāi)展配套焊接工藝試驗(yàn)、配套焊接材料篩選、協(xié)同四川大西洋焊接材料股份有限公司進(jìn)行焊接材料開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)呼蓄電站鋼岔管用鋼790MPa級(jí)鋼板和焊接材料同時(shí)國(guó)產(chǎn)化，滿足大型水電站、抽水蓄能電站鋼岔管制造、安裝等的要求，開(kāi)發(fā)出具有高塑韌性、低焊接裂紋敏感性的790MPa級(jí)低合金高強(qiáng)鋼焊條CHE807RH。大西洋CHE807RH焊條設(shè)計(jì)原則及成果創(chuàng)新性如下：

（1）CHE807RH焊 條 為1.5Mn-0.5Cr-0.5Mo-1.5Ni合金體系，通過(guò)熔敷金屬合金元素的組合配置，可以有效改善焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性。保持熔敷金屬適宜強(qiáng)度和優(yōu)良韌性的關(guān)鍵之一是控制Mn與Ni的配比，隨著Ni含量的增高，必須降低Mn含量，否則會(huì)使焊縫強(qiáng)度過(guò)高而降低焊縫塑性和韌性；焊縫金屬中含Mo量過(guò)高時(shí)對(duì)沖擊不利，因此在滿足強(qiáng)度的前提下，應(yīng)限制Mo含量；Cr是鐵素體形成元素，它可使γ區(qū)縮小，α區(qū)擴(kuò)大，提高Ac1點(diǎn)，焊縫中含有適量的Cr時(shí)可提高焊縫金屬?zèng)_擊功，焊縫含Cr量大于0.40%則顯著降低韌性；Ti是強(qiáng)碳化物形成元素，易形成穩(wěn)定的TiC，Ti的加入即可細(xì)化晶粒提高焊縫韌性，又因其固溶于鐵素體的脆化作用，抵消細(xì)化晶粒對(duì)焊縫韌性的有利影響。

（2）通過(guò)各種原輔材料合理的配備、試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一種具有良好操作性能的CaF2-CaCO3-Si2O3-TiO2高堿度渣系，堿度系數(shù)達(dá)到3.2。設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)熔渣的表面張力、黏度的調(diào)整，改善熔渣的流動(dòng)性；通過(guò)對(duì)熔渣熔點(diǎn)、線膨脹系數(shù)等方面的調(diào)整，改善渣殼的脫渣性；通過(guò)對(duì)鉀、鈉等物質(zhì)含量的調(diào)整，改善了焊條的電弧穩(wěn)定性[6]。

（3）通過(guò)對(duì)某些原輔材料進(jìn)行特殊處理，降低了焊條藥皮的結(jié)晶水含量，同時(shí)加入多種碳酸鹽、氟化物等提高脫氫能力降低熔敷金屬擴(kuò)散氫的含量。

4 岔管制造國(guó)產(chǎn)化

通過(guò)調(diào)研已建和在建工程岔管的制造質(zhì)量、技術(shù)指標(biāo)、國(guó)內(nèi)外岔管制造的技術(shù)手段和制造設(shè)備能力以及國(guó)內(nèi)岔管制造能力，采取由國(guó)內(nèi)公開(kāi)招標(biāo)方式擇優(yōu)選擇制造企業(yè)，最終決定由國(guó)內(nèi)單位擔(dān)任呼蓄電站鋼岔管的制安工作。受鋼岔管外形尺寸及公路運(yùn)輸條件限制，岔管分瓦片在制造廠內(nèi)下料卷制、組裝成型，并通過(guò)水壓試驗(yàn)后，運(yùn)往洞內(nèi)與高壓支管焊接成型、混凝土回填等施工。由于強(qiáng)度高、厚度大，岔管瓦片的下料、卷制成型、焊接變形控制和質(zhì)量控制等難度相當(dāng)大，本工程厚板加工創(chuàng)造性提出了通過(guò)鉆孔法加強(qiáng)切割控制、“五段式”卷制法等措施進(jìn)行質(zhì)量控制，還設(shè)計(jì)了壓縫專用夾具。另外，鋼材的強(qiáng)度越高、厚度越大，其制造和焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)如焊接變形、焊接裂紋、熔合區(qū)脆化等問(wèn)題[7]。依據(jù)呼蓄電站鋼岔管的實(shí)際情況，明確了鋼岔管放樣、下料、瓦片卷制、月牙肋焊接、縱（環(huán)）縫焊接、岔管整體組裝、水壓試驗(yàn)、洞內(nèi)安裝及混凝土回填等施工工藝。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）呼蓄電站鋼岔管是國(guó)內(nèi)額定水頭在500m以上首例全面采用國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼制造的，在設(shè)計(jì)、選材、制造、監(jiān)測(cè)等各方面都進(jìn)行了深入的分析和研究，呼蓄電站鋼岔管經(jīng)過(guò)水壓試驗(yàn)、雙機(jī)甩負(fù)荷以及近2年的運(yùn)行考驗(yàn)，兩套鋼岔管的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，完全滿足電站運(yùn)行要求。

（2）呼蓄電站高壓鋼岔管采用國(guó)產(chǎn)790MPa級(jí)高強(qiáng)鋼材及配套焊材，完全由國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)和制造，開(kāi)創(chuàng)了高水頭、大HD值高壓鋼岔管全面國(guó)產(chǎn)化的先河，拓寬了高水頭鋼岔管設(shè)計(jì)、制造和原材料選擇范圍，為我國(guó)抽水蓄能電站鋼岔管的設(shè)計(jì)、選材及制造的國(guó)產(chǎn)化發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。根據(jù)抽水蓄能電站的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)水電站將朝著高水頭、大管徑的鋼岔管發(fā)展，高水頭、大HD值高壓鋼岔管的設(shè)計(jì)、選材、制造將成為普遍面臨的難題，呼蓄電站高壓鋼岔管的成功國(guó)產(chǎn)化提供了解決問(wèn)題思路，其相關(guān)成果值得以廣泛推廣，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大。