水电工程用1000MPa级高强钢的研发与应用

雷清华，夏政海，刘心阳，潘中德

（1.华电郑州机械设计研究院有限公司，河南省郑州市 450046；2.南京钢铁股份有限公司，江苏省南京市 210035）

0 引言

在国家提出“碳达峰、碳中和”目标、加快能源结构调整情形下，清洁能源、可再生能源的利用达到了前所未有的高度。我国水能资源丰富，不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，均位居世界首位，水力发电作为一种可再生的新能源，取之不尽，用之不竭。为加快能源结构的调整，大型水电工程项目的快速发展显得十分重要而紧迫[1]。与这些水电工程相配套的水电用宽厚钢板，主要用于厂坝内的引水压力管道制造以及肋板、岔管、蜗壳等设施的制造，对钢板的化学成分、屈服强度、抗拉强度、低温韧性、可焊性等性能指标有严格的要求。

基于高寒地区或高水头大型水电工程的需求，水电用钢也向着大型化、高强化、绿色化、节能化的方向发展，现有设计采用800MPa级钢板时最大壁厚已经超过70mm，由此带来了压力钢管加工制作中的一系列问题，例如卷板、焊接、无损检测、运输、安装等。为了解决高HD值抽水蓄能电站的施工难题，设计单位在800MPa级水电钢板的基础上，提出了1000MPa级高强度水电钢板的需求。

水电用钢宽厚板在钢铁行业内属于高端板材产品，技术含量高，要求具有低的焊接裂纹敏感性、极高的强度、优良的低温冲击韧性与优异的焊接性能[2]。结合国内某大型水电工程项目设计技术要求，南钢采用低碳、低Pcm、Nb+V+Ti微合金化等成分设计，控制轧制和淬火+高温回火工艺，全面分析了试制钢种的组织与性能情况，并对材料的可焊接性能进行了详细的试验研究，结果表明，试制开发的48mm 1000MPa级高强度低裂纹焊接敏感性钢板，完全满足水电工程设计对于1000MPa级高强度用钢的各项技术要求。

1 技术要求

根据大型水电工程项目设计的技术要求，1000MPa级高强度水电用钢板的熔炼化学成分要求见表1，拉伸、冲击、Z向等机械性能要求见表2。

表1 1000MPa高强度钢板熔炼化学成分（Wt%）Table 1 Ladle chemical composition of 1000MPa high strength steel （Wt%）

表2 1000MPa高强度钢板的机械性能Table 2 Mechanical properties of 1000MPa high strength steel

2 钢种设计思路

综合考虑1000MPa级高强度水电用钢板的各项力学性能要求，采用低碳、低Pcm、合金钢的成分设计，两阶段轧制与淬火和高温回火的生产工艺，获得晶粒细小等轴的α相基体上分布着弥散的颗粒状碳化物的回火索氏体组织，保证钢板具备高强度、高韧性的同时，还需保证钢板在一定的焊接热输入后，其热影响区低温韧性不出现明显下降。钢种设计主要包括：

（1）钢成分设计与生产工艺的最佳配合；

（2）实现低碳、低硫、低磷纯净钢的冶炼，提高全厚度韧性；

（3）利用控制轧制及热处理技术，实现高强高韧性的同时，具有适应焊接和低裂纹敏感性的组织控制；

（4）淬火+回火热处理技术，组织均匀性和性能稳定性控制。

3 化学成分及制造工艺

3.1 化学成分

成分设计采用低碳、低Pcm，以及Nb+V+Ti微合金化，其中Nb可以在轧制过程中细化奥氏体晶粒；V具有较强的析出强化作用，可提高强度；Ti可以形成Ti（CN）粒子，阻止焊接时热影响区的晶粒长大，可以显著改善焊接性能。另外适当加入Cr、Mo、Ni等合金元素有利于提高钢的强度与淬透性，同时加入微量的B，通过Mo-B复合可以使钢的CCT曲线右移，显著提高淬透性。钢水冶炼尽量降低钢中有害元素含量，主要通过低P、低S含量的控制，来提高钢的低温韧性和焊接性能[3，4]。48mm 1000MPa级高强度水电用钢板的成分设计及各元素含量要求见表3。

表3 1000MPa高强度钢板成分设计（Wt%）Table 3 Composition design of 1000MPa high strength steel（Wt%）

3.2 制造工艺

试制钢板的制造工艺路线包括炼钢、轧钢及热处理等工序，其中炼钢工序包括铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空精炼、板坯连铸等，轧钢及热处理工序包括铸坯加热、除鳞、控制轧制、控制冷却、切割、淬火、回火、探伤、检验、标识、合格品入库等。

炼钢工序中，为了得到高纯净度的钢水和优良的铸坯质量，炼钢采用铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空精炼、板坯连铸等先进炼钢技术，其中钢水冶炼过程执行低P、低S控制，最大限度降低残余有害元素含量，连铸过程采用结晶器电磁搅拌、动态轻压下技术等先进控制技术，提高铸坯的中心偏析、中心疏松等内部质量。

轧钢及热处理工序中，1000MPa级高强度水电用钢板采用粗轧阶段的奥氏体再结晶轧制、精轧阶段的奥氏体未再结晶轧制等两阶段轧制工艺，其中粗轧阶段采用高温、最后2道次的压下率不低于18%的大压下轧制工艺，轧制变形更多渗透至钢板心部，提高厚度方向性能的均匀性；精轧阶段充分避开混晶区轧制，累计轧制形变和位错；轧后钢板进行淬火和高温回火热处理，以便获得均匀、细小的相变组织[5]。

4 实物质量

为全面了解1000MPa级高强度水电用钢板的实物质量，对钢板进行超声波探伤，并在钢板上取样进行拉伸、Z向、冲击等力学性能的测试。

4.1 内部质量

对于试制1000MPa级高强度水电用钢板，采用NB/T 47013标准进行100%超声波自动探伤，探伤结果显示，48mm厚钢板内部未见明显缺陷，按照标准NB/T 47013评级可达T1级别要求，说明本次试制生产的48mm 1000MPa级高强度水电用钢板内部质量较好，符合水电工程项目技术要求[6]。

4.2 拉伸性能

在试制48 mm厚1000MPa级高强度水电用钢板的宽度1/4处取样、加工钢板厚度1/4处横向拉伸试样，宽度1/4处取样、加工厚度方向Z向拉伸试样，拉伸实验使用BPC-F1600EN型材料试验机，拉伸检测结果见表4。

表4 1000MPa高强度钢板的力学性能Table 4 Mechanical properties of 1000MPa high strength steel

从表4可以看出，钢板的拉伸性能符合项目技术要求，其中屈服强度高于标准下限值50 MPa以上，抗拉强度高于标准下限值40 MPa以上；Z向断面收缩率符合GB/T 5313标准中Z35指标要求，平均断面收缩率≥60%，钢板抗层状撕裂性能优异。

4.3 冲击性能

在试制48 mm厚1000MPa级高强度水电用钢板的宽度1/4处取样，加工钢板厚度1/4处纵向、横向冲击试样，使用RKP450型摆锤冲击试验机对其进行低温冲击实验，分别检测钢板的纵向、横向-60℃冲击，检验结果见表5。

表5 1000MPa高强度钢板的冲击性能Table 5 Impact test of 1000MPa high strength steel

从表5可以看出，钢板-60℃纵向、横向低温冲击值均不低于100J，钢板低温韧性较好。

对试制的1000MPa高强度水电钢，进行不同温度的系列温度冲击试验，试验结果见图1。

图1 1000MPa高强度钢板的系列温度冲击Figure 1 Series temperature shock of 1000MPa high strength steel plate

4.4 显微组织

对48 mm厚1000MPa级高强度水电用钢板取样，加工钢板厚度1/4处试样，利用LEICAQ550IW 型光学显微镜和FEI QUANTA 600 扫描电子显微镜对实验钢的显微组织进行观察，试制钢板金相组织照片见图2。

从图2可以看出，钢板试样的显微组织类型主要为回火索氏体及极少量回火马氏体，并有细小的弥散分布的析出相颗粒（Nb，Ti） （C，N）分布在板条束内，金相组织整体较为均匀和细小[7]。

图2 1000MPa高强度钢板1/4厚度处的金相组织Figure 2 Metallographic structure of 1000MPa high strength steel - place of 1/4 thickness

5 焊接试验

为了满足某大型水电工程施工的需要，选用日本产的L-100S焊条，Y-100S焊丝+NB-100S焊剂，分别进行了抗裂性试验、热输入试验和工艺评定试验。采用24mm厚的N980CF钢板进行抗裂性试验和焊接热输入试验，采用48mm厚的N980CF钢板进行焊接工艺评定试验。

5.1 预热温度

在环境温度15～18℃，相对湿度50%～65%的条件下，预热到80℃未出现裂纹。根据抗裂性试验结果，以及焊材厂家的建议，结合以往的工程经验，N980CF确定预热温度为：焊条电弧焊100℃，埋弧自动焊80℃。工程应用时，根据板厚的增加或环境温度、湿度条件，可以适当提高预热温度。

5.2 热输入范围

参考日本同类材料的试验数据[8]，焊条电弧焊试板分别采用10、18、24、32kJ/cm的热输入，埋弧自动焊分别采用14、22、28、36kJ/cm的热输入，各个试板的拉伸强度、弯曲性能、-60℃的冲击功均符合标准要求。但较高的热输入条件下，焊缝和热影响区的冲击韧性有明显下降的趋势。研究表明，中等或偏小的热输入对保证接头的断裂韧性是有利的[9]。

5.3 工艺评定试验

按照NB/T 47014—2011承压设备焊接工艺评定标准要求进行焊接工艺评定试验。焊接方法采用焊条电弧焊和埋弧自动焊，分别采用适中和偏高的焊接热输入各焊两副试板，试板焊接参数见表6，试板力学性能检验结果见表7～表8。

表6 N980CF钢（δ=48mm）焊接工艺评定试验焊接参数Table 6 Welding parameters of welding procedure qualification of N980CF（δ=48mm）

表7 N980CF钢（δ=48mm）焊接工艺评定试板拉伸和弯曲试验结果Table 7 Bending and tensile test results of welding procedure qualification test plate of N980CF（δ=48mm）

表8 N980CF钢（δ=48mm）焊接工艺评定试板冲击试验结果Table 8 Impact test results of welding procedure qualification test plate of N980CF（δ=48mm）

试验数据表明，焊接接头的拉伸强度、弯曲性能、冲击韧性满足相关标准要求。硬度测试数据基本上在350HV0.5以下，在偏大的热输入条件下，个别数据略超350HV0.5。

5.4 焊接接头金相组织分析

焊条电弧焊、埋弧焊均能获得组织均匀、晶粒细小的贝氏体组织和第二相沉淀物。但是随着焊接热输入的增加，第二相沉淀物有聚集长大的趋势，对接头的强度和冲击韧性不利。焊接时必须严格控制焊接热输入，避免第二相沉淀物聚集。焊接接头的金相组织见图3。

图3 1000MPa级高强度钢焊接接头1/4厚度处的金相组织（一）Figure 3 Metallographic structure at 1/4 thickness of welded joint of 1000MPa grade high strength steel（No.1）

图3 1000MPa级高强度钢焊接接头1/4厚度处的金相组织（二）Figure 3 Metallographic structure at 1/4 thickness of welded joint of 1000MPa grade high strength steel（No.2）

6 结论

（1）南钢采用低碳、低Pcm成分设计，淬火+回火工艺生产的1000MPa级高强钢具有良好的综合性能，钢板抗拉强度≥950MPa，断后伸长率≥17%，-60℃横向低温冲击值≥100J，厚度方向性能满足GB/T 5313标准Z35级别，内部质量按NB/T 47013标准探伤满足T1级要求。

（2）试验48mm钢板采用光学显微镜和扫描电子显微镜进行观察，显微组织类型主要为回火索氏体及极少量回火马氏体，并有细小的弥散分布的析出相颗粒（Nb，Ti） （C，N）分布在板条束内，从而保证了试制钢种具备高强度和优异的低温冲击韧性。

（3）选用日本产的L-100S焊条、Y-100S焊丝+NB-100S焊剂，通过合适的焊接工艺，可以获得满足标准要求的焊接接头。