淺析國內(nèi)水電用鋼的現(xiàn)狀和發(fā)展

曹佳麗　趙強　徐亞鵬　付曉月

摘要：本文分析了國內(nèi)水電行業(yè)及水電用鋼的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢， 指出高強度級別水電用鋼的發(fā)展瓶頸，論述作為業(yè)主單位應(yīng)及時進行技術(shù)儲備，積極促進水電用鋼研發(fā)和生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：水電行業(yè)； 壓力管道； 水電用鋼； 焊接性能

0 水電行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)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(yè)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(fā)電裝機容量的33．3%，占水電技術(shù)可開發(fā)量的 55% 左右，只達到了世界平均水平，與歐美日等發(fā)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(chǎn)和消費大國，煤炭資源的大量開采和消費已成為環(huán)境污染的重要原因， 嚴(yán)重影響可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施， 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)是能源可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)。水電是我國僅次于煤炭的第二大常規(guī)性能源，也是目前可再生和非化石能源中資源最明確，技術(shù)最成熟，最清潔最經(jīng)濟的能源， 因此大力發(fā)展水電是未來可再生能源發(fā)展的重點。“十二五”時期，我國水電規(guī)劃的目標(biāo)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(fā)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(fā)電量1.2萬億千瓦時?！笆濉睍r期，在做好生態(tài)環(huán)境保護和移民安置的前提下，積極發(fā)展水電，到2020年，力爭常規(guī)水電裝機達到3.5億千瓦左右?？梢姟笆濉焙汀笆濉笔侵袊笏姲l(fā)展的高峰期。

1 水電用鋼的簡要介紹

據(jù)統(tǒng)計，水電發(fā)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(chǔ)建設(shè)用鋼，主要是地基、壩區(qū)等工程建設(shè)用；金屬結(jié)構(gòu)用鋼，用于金屬閘門、啟閉機和管井內(nèi)壁等中厚板產(chǎn)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(chǎn)品，主要用于輸水系統(tǒng)的鋼管制造以及肋板、岔管、蝸殼等輔助設(shè)施［2］。壓力鋼管是水力發(fā)電中重要金屬結(jié)構(gòu)，是從水庫或引水道末端的前池或調(diào)壓室將發(fā)電用水在有壓的狀態(tài)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(nèi)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?？梢?，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(jīng)濟性應(yīng)受到特別重視［3］。另外，其設(shè)計、制造和安裝有不同于一般水工建筑物的特殊要求，均應(yīng)本著安全運行第一的原則來進行，因此規(guī)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(shè)的迅猛發(fā)展，高水頭水電站的興建和大容量水輪發(fā)電機組的應(yīng)用，特別是國家發(fā)改委下發(fā)《關(guān)于促進抽水蓄能電站健康有序發(fā)展有關(guān)問題的意見》指出，抽水蓄能行業(yè)要“實現(xiàn)500米水頭及以上、單機容量400兆瓦級高水頭、大容量機組設(shè)計制造的自主化”，由此壓力鋼管的設(shè)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(zhì)量特征。按現(xiàn)行壓力鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，受壓部件的強度計算是以彈性失效為設(shè)計準(zhǔn)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(yōu)良的焊接性，因為壓力鋼管是焊接件，采用焊接性優(yōu)良的鋼材，可以降低壓力鋼管的施工難度，節(jié)省工程投資［5］。

2 水電用鋼的研究現(xiàn)狀和發(fā)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(guī)范進行生產(chǎn)。國內(nèi)壓力鋼管用鋼標(biāo)準(zhǔn)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(diào)質(zhì)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(fā)展

我國早期的水電站建設(shè)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(nèi)水電站建設(shè)普遍采用 600 MPa 級壓力鋼管， 國產(chǎn)60 kg 級高強鋼的生產(chǎn)工藝是成熟的， 在水電站的應(yīng)用技術(shù)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(chǎn)鞍鋼600MPa級鋼板ADB610D。

冶勒水電站壓力鋼管建設(shè)和福堂水電站的調(diào)壓井均使用了舞鋼生產(chǎn)的WDB62高強鋼，用量分別約為4338 t和1560 t。國產(chǎn)自主研發(fā)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(wěn)定性和成熟性優(yōu)于國內(nèi)。隨著水電站大裝機容量的不斷發(fā)展，水電站壩體的設(shè)計高度不斷增加，壓力鋼管的設(shè)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(chǎn)800 MPa級別的抽水蓄能電站工程已經(jīng)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)自主化研制的800 MPa級鋼板技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但與國外同類產(chǎn)品相比， 其塑性指標(biāo)、 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(nèi)配套的焊接材料開發(fā)相對滯后，經(jīng)常出現(xiàn)焊接接頭的沖擊功無法滿足設(shè)計要求的現(xiàn)象，工程應(yīng)用受到一定的限制［2，6-7］。

可以預(yù)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(shè)中得到應(yīng)用。據(jù)計算，高強鋼板設(shè)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(jié)省焊接量，節(jié)約成本。近年來，國內(nèi)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(chǎn)，并在一些大型和重要項目中逐漸推廣應(yīng)用。如日本住友公司在上世紀(jì)90年代開始研發(fā)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(shè)中均得到應(yīng)用，最大鋼板厚度分別為66 mm和62 mm。而國內(nèi)目前尚無1000 MPa級鋼板的應(yīng)用先例。表1和表2給出了國內(nèi)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(fā)展瓶頸

高強度級水電用鋼的技術(shù)難點，主要體現(xiàn)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(dāng)量”法和“裂紋敏感系數(shù)法”來評估材料的焊接性是最常用的分析方法。一般碳當(dāng)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(qū)易脆化，易出現(xiàn)馬氏體組織，勢必會進一步惡化焊接性。

國際焊接學(xué)會（IIW）推薦的CEIIW及日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)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(fā)，發(fā)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(fā)展了新的碳當(dāng)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(dāng)系數(shù)，

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(dāng)量公式，從碳當(dāng)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(shù)是日本焊接接協(xié)會于1983年制訂的“低焊接接冷裂紋敏感性高強度鋼”標(biāo)準(zhǔn)中提出的用于評定煌接冷裂紋敏感的指數(shù)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)鋼板低裂紋敏感性的規(guī)定，只有當(dāng)鋼板的P_cm≤0.20%時，防止根部裂紋的預(yù)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(nèi)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(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)低值。首鋼利用國內(nèi)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(guī)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(xiàn)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(yōu)于國產(chǎn)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(yīng)用的關(guān)鍵因素。

3 結(jié)論

作為業(yè)主單位，一方面在國內(nèi)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(zhì)量；另一方面，目前我國的水電事業(yè)發(fā)展迅猛，國內(nèi)寶鋼、武鋼、鞍鋼、舞鋼、首鋼（首秦）等技術(shù)水平較高的鋼廠已研制出部分達到國際標(biāo)準(zhǔn)的高端水電用鋼，對國外進口依賴程度也出現(xiàn)降低。但是，技術(shù)上仍存在相對不成熟和不穩(wěn)定，若和鋼鐵企業(yè)聯(lián)合，進行高端鋼板的研制、配套焊材的開發(fā)以及焊接工藝評定及推廣，不僅可以保證實現(xiàn)巨大的經(jīng)濟效益，還能打破壟斷，有利于我國水電行業(yè)材料研發(fā)領(lǐng)先水平的發(fā)展。

參考文獻

［1］ 孫振剛， 張嵐， 段中德. 我國水電站工程數(shù)量與規(guī)模［J］. 中國水利， 2013 （7）： 12-13.

［2］ 趙英杰. 水電行業(yè)及其用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］. 萊鋼科技， 2015 （2）： 5-7.

［3］ 李榮鋒. 水電站壓力鋼管用鋼及其工程可靠性研究的展望［J］. 鋼鐵研究， 1998 （5）： 60-63.

［4］ 許義群， 杜燦勛， 鄒銳. 景洪水電站壓力鋼管綜述［J］. 水力發(fā)電， 2008， 34（4）： 68-70.

［5］ 朱曉英， 梅燕， 胡木生， 等. 國內(nèi)大型水電站壓力鋼管用鋼的探討［J］. 水利電力機械， 2007， 29（8）： 42-46.

［6］ 周林， 屈剛， 羅栓定. 兩種不同牌號 800 MPa 級高強鋼焊接性試驗比較［J］. 電焊機， 2013， 43（10）： 67-70.

［7］ 周林， 屈剛. 國產(chǎn) WSD690E 高強鋼焊接試驗及工程應(yīng)用［J］. 科學(xué)技術(shù)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(shù) 研 究［J］.水電站壓力管道--第八屆全國水電站壓力管道學(xué)術(shù)會議論文集，2014.