白鹤滩水电站压力管道800 MPa级高强钢设计应用

侯 博，赵 毅

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

1 工程概况

中国水力资源十分丰富，主要分布在西南地区的西藏、四川和云南等省份的主干河流上。中国可再生能源中长期发展规划中提到：水电总装机容量在2020年达到3.8 亿kW，其中常规水电3.4 亿kW，抽水蓄能4 000万kW。随着水电工程建设向青藏高原地区扩展，以及抽水蓄能电站的大规模建设，高水头、大装机容量、大HD值的电站建设越来越多，逐步成为行业发展趋势。

白鹤滩水电站作为仅次于三峡工程的国内第二大水电站，位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，电站总装机容量为16 000 MW。引水系统布置方式为单洞单机式，每岸8条，由5段组成：起始为上平、上弯两段，后接竖井段，最后为下弯、下平两段。从上平段尾部开始的压力管道均采用钢板衬砌，单洞全长为236.40～242.40 m，每岸8条压力钢管总长1 921.18 m。压力钢管内径10.2～8.6 m，流速6.7～9.4 m/s。8 条压力钢管均采用垂直进厂，与机组蜗壳延伸段相接。白鹤滩水电站引水压力钢管总工程量3.89万t，其中800 MPa 级高强钢（屈服强度690 MPa）1.01万t，钢板最大厚度68 mm，采用鞍钢生产的SX780CF水电用调质钢板，制造、安装规模为国内水电领域国产800 MPa级高强钢规模性应用的首例。

2 压力钢管设计

2.1 基本地质条件

电站左岸压力钢管竖井位于P2β23～P2β41岩流层内。P2β32层、P2β33层主要为第一、二类柱状节理玄武岩，柱状节理倾角较陡。P2β23层、P2β31层、P2β34层、P2β35层以杏仁状玄武岩、角砾熔岩、隐晶玄武岩为主，P2β41层底部发育第三类柱状节理玄武岩。电站右岸压力钢管竖井位于P2β61～P2β34岩流层内。P2β61层主要为第一、二类柱状节理玄武岩，柱状节理倾角较陡。P2β34层、P2β41层、P2β42层、P2β51层以杏仁状玄武岩、角砾熔岩、隐晶玄武岩为主，P2β41层底部发育第三类柱状节理玄武岩。Ⅲ类围岩弹性抗力系数取4 N/mm3，柱状节理、Ⅳ类围岩弹性抗力系数取2 N/mm3。

图1 压力钢管纵剖面典型布置图Fig.1 Longitudinal section of penstock

2.2 计算原则

（1）考虑厂房开挖松动圈的影响，厂房上游边墙上游-0.65～8.15 m段（L=8.8 m）按明管设计，钢管承担其所有内水压力，以明管抗力限值作为钢板抗力限值。

（2）考虑下平段施工支洞开挖松动圈的影响，厂房上游边墙上游8.15～30 m段下平段（L=21.85 m）及高程574.21 m 以下的下弯段（L=16.13 m）按半埋管设计，不计围岩弹性抗力，钢板抗力限值取埋管抗力限值。

（3）高程574.21 m以上至钢衬起点之间的钢管（L=188.67 m）按埋管设计。

（4）压力钢管结构计算以运行期的内水压力（包括水锤）设计钢管壁厚，以检修期的外水压力进行钢管抗外压稳定计算。

（5）为避免焊后消应处理，Q345R 钢板厚度超过38 mm，则跳档为600 MPa 级高强钢；600 MPa 级高强钢厚度超过48 mm，则跳档为800 MPa 级高强钢。

（6）尽量归并钢板厚度，减少钢板规格。考虑到开坡口工艺的复杂性与焊接难度，弯管段和直管段相邻钢管管壁厚度差均不应超过4 mm，若直管段管壁厚度差大于4 mm，则应按照规范要求开坡口。

（7）考虑锈蚀、磨损及钢板厚度误差，锈蚀裕量c=2 mm。

2.3 设计计算

根据NB/T 35056-2015《水电站压力钢管设计规范》，计算钢管壁厚。

经计算：高程574.21 m以下的下弯段及下平段800 MPa 级压力钢管壁厚52～68 mm；加劲环高200 mm、厚28 mm、间距1 500 mm。

3 压力钢管的生产与安装

3.1 生产

SX780CF生产工艺技术路线为：铁水预处理→转炉冶炼→LF（钢包精炼炉）喂SiCa 线→RH（或VD）→微Ti 处理→B 合金化→连铸（电磁搅拌、轻压）→缓冷→板坯清理→板坯加热→轧制→矫直→堆垛缓冷→（淬火+回火）→探伤→切尺→检查、检验→缴库。

3.2 运输

钢板运输主要从坝址上游的葫芦口进入工地。葫芦口大桥可通过省道分别至四川省的西昌市和攀枝花市、云南省的昆明市和昭通市等地。其中从葫芦口至西昌和东川现有公路等级为三级或二级，里程分别约158 km 和113 km，路况较好，是主要对外通道，两地均有铁路通达。

从葫芦口至枢纽工程建设区现有左、右岸低线沿江公路相连接。左岸沿江公路路基宽6.5 m，路面宽6.0 m，沥青碎石路面；右岸沿江公路路基宽4.5 m，路面宽3.5 m，设置错车道和双车道路段的路基宽6.5 m，路面宽6.0 m，沥青碎石路面。

从葫芦口至枢纽工程建设区的进场专用公路（三级公路，全长约28.5 km）位于左岸，已在2015年底具备通车条件。专用公路设计速度40 km/h，路基宽9.5 m，行车道宽8.0 m，桥涵荷载标准为公路-Ⅰ级、挂-300级，隧道净高5.0 m（中部4.5 m范围净高5.3 m）。

3.3 质量控制

钢板尺寸、外形及允许偏差应符合标准GB/T 709-2006《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》的规定，其中，800 MPa 钢板的厚度允许偏差应符合C类偏差。化学成分、力学性能及工艺特性应满足三峡公司企业标准Q/CTG 99-2017《水电工程780 MPa级压力钢管制作安装及验收规范》。

钢板表面质量检查按GB 713-2014《锅炉和压力容器用钢板》标准执行。800 MPa 级钢板出厂前应参照JB/T 4730.3-2016《超声检测承压设备无损检测》进行超声波法探伤检查，且应逐张检查，确认达到Ⅰ级标准。

800 MPa 钢板到达白鹤滩水电站工地后，由卖方、买方、制作安装单位有关技术人员共同组成抽样检验小组进行联合抽检。表面质量、尺寸、外形应逐张检查，对加长板进行化学成分、力学性能取样检验，超声波检验按到货数量的20%进行抽检。

3.4 焊接

800 MPa级高强钢制造压力钢管管体布置在下平段和部分下弯段，具有管壁厚、关节多的特点，左右岸共296 节，管壁最厚为68 mm。钢材具有相当复杂的合金化体系，并含有较高的金元素，有较大屈强比，供货状态为调质状态。SX780CF材料具有低温冲击性能要求高、焊接裂纹敏感系数高、碳当量大的特点，淬硬倾向大的情况下很可能导致焊接区域出现冷裂纹，严重影响焊缝的冲击韧性指标。因此，施工期间应严格把关钢材冷裂倾向，严格要求层间及预热温度、最佳焊接线能量的确定范围及其控制。

焊接工艺选择全自动熔化极气体保护焊（GMAW）和焊条电弧焊（SMAW）焊接压力钢管纵缝，选择SMAW进行加劲环对接缝和安装环缝的施工。焊接工艺评定共做了两组试验，试板为厚52 mm的SX780CF钢板。试板开设不对称“X”型坡口，小坡口侧与大坡口侧角度分别为58°±2°和46°±2°，对口间隙2 mm，钝边2～3 mm。操作技术如下：先对大坡口侧进行焊接，按顺序焊接7层后使用碳弧气刨进行小坡口侧清根，完成小坡口侧的所有焊接工作后再完成大坡口剩余焊接工作。焊接时用SMAW 焊接打底及填充层，用GMAW 焊接焊缝盖面层。评定结果为：试板MT、TOFD、UT、探伤合格，焊缝冲击功在相关规范要求范围内，弯曲试样无开裂现象，韧性储备较多。

对进厂后的800 MPa 级钢板进行100%UT 复探，以批号顺序依次送检。坡口制备时，用高效的专用坡口机对火焰切割预留的2～3 mm余量进行机械铣削加工，以改善管节装配质量。焊接时应时刻保证坡口干燥清洁，严格管理焊接材料，焊接时采用多道措施，如控制预热、层间、后热温度，控制焊接线能量，采用分层退步多层多道焊等，成功防止了焊缝中冷裂缝的出现。白鹤滩水电站压力钢管800 MPa级已完成施工，Ⅰ类纵缝UT、TOFD、MT检查一次合格率99.9%，二次复查合格率100%，所有焊接接头的力学性能指标符合设计要求。

4 结语

白鹤滩水电站已完成下闸蓄水及压力管道充排水试验，左右岸部分机组已通水发电，从巡视情况及监测数据来看，压力钢管荷载及材料参数取值合理，各项指标均能满足设计要求。白鹤滩压力钢管800 MPa级高强钢设计，应用实例对类似工程具有一定的参考、借鉴意义。