浅析国内水电用钢的现状和发展

曹佳丽　赵强　徐亚鹏　付晓月

摘要：本文分析了国内水电行业及水电用钢的现状和发展趋势， 指出高强度级别水电用钢的发展瓶颈，论述作为业主单位应及时进行技术储备，积极促进水电用钢研发和生产。

关键词：水电行业； 压力管道； 水电用钢； 焊接性能

0 水电行业的发展现状和未来趋势

我国河流众多，径流丰沛，蕴藏着非常丰富的水能资源，是世界水电资源第一大国。目前全国已修建5万多座水电站，其中长江干流第一坝葛洲坝水电站、二滩水电站、世界最大的水利枢纽三峡水电站代表了我国水电事业的雄厚实力已达到世界先进行列。但是截至 2014 年底，我国水电装机容量突破3.0 亿千瓦，仅占全国发电装机容量的33．3%，占水电技术可开发量的 55% 左右，只达到了世界平均水平，与欧美日等发达国家的75%还有较大差距［1］。

我国是以煤炭资源为主的能源生产和消费大国，煤炭资源的大量开采和消费已成为环境污染的重要原因， 严重影响可持续发展战略的实施， 优化能源结构是能源可持续发展的重要任务。水电是我国仅次于煤炭的第二大常规性能源，也是目前可再生和非化石能源中资源最明确，技术最成熟，最清洁最经济的能源， 因此大力发展水电是未来可再生能源发展的重点。“十二五”时期，我国水电规划的目标为： 2015年水电装机容量达到2.9亿千瓦，其中抽水蓄能0.3亿千瓦，年发电量9100亿千瓦，2020年水电总装机容量达到4.2亿千瓦，其中抽水蓄能0.7亿千瓦，年发电量1.2万亿千瓦时。“十三五”时期，在做好生态环境保护和移民安置的前提下，积极发展水电，到2020年，力争常规水电装机达到3.5亿千瓦左右。可见“十二五”和“十三五”是中国大水电发展的高峰期。

1 水电用钢的简要介绍

据统计，水电发电机组用钢量约为每1万千瓦320吨左右。所使用的钢材主要包括四种：基础建设用钢，主要是地基、坝区等工程建设用；金属结构用钢，用于金属闸门、启闭机和管井内壁等中厚板产品；水轮机用钢，用于水轮机叶片制造，一般使用热轧磁轭钢；压力管道用钢，我们一般所说的水电用钢，特制此类产品，主要用于输水系统的钢管制造以及肋板、岔管、蜗壳等辅助设施［2］。壓力钢管是水力发电中重要金属结构，是从水库或引水道末端的前池或调压室将发电用水在有压的状态下引入水轮机的输水管，或者在抽水蓄能电站由水泵向高处输水，承受较高内水压力的管道。压力水管必须承受巨大的水压以及水流的冲击，且靠近厂房。可见，压力钢管的对水电站的安全运行起重要作用，其安全性和经济性应受到特别重视［3］。另外，其设计、制造和安装有不同于一般水工建筑物的特殊要求，均应本着安全运行第一的原则来进行，因此规范对压力水管用钢提出了很高的要求［4］。

随着近年来我国水电建设的迅猛发展，高水头水电站的兴建和大容量水轮发电机组的应用，特别是国家发改委下发《关于促进抽水蓄能电站健康有序发展有关问题的意见》指出，抽水蓄能行业要“实现500米水头及以上、单机容量400兆瓦级高水头、大容量机组设计制造的自主化”，由此压力钢管的设计也越来越趋向大型化、巨型化［3］。

强度（屈服强度和抗拉强度）、塑性、韧性和焊接性是压力钢管用钢的4个质量特征。按现行压力钢管设计标准，受压部件的强度计算是以弹性失效为设计准则，因此压力钢管用钢首先必须具有足够的强度；其次要具有良好的塑性，它是钢管卷制成形时制造工艺的需要；再其次要具有良好的韧性，是为了避免钢管在承受骤然或意外载荷（水锤）时造成脆性破坏；最后还要具有优良的焊接性，因为压力钢管是焊接件，采用焊接性优良的钢材，可以降低压力钢管的施工难度，节省工程投资［5］。

2 水电用钢的研究现状和发展趋势

目前，水电站压力钢管用钢主要采用 500 MPa、600 MPa、800 MPa 三个级别的钢材，一般按照压力容器用钢规范进行生产。国内压力钢管用钢标准主要有：GB 713-2008《锅炉和压力容器用钢板》、GB 3531-2008《低温压力容器用低合金钢钢板》、GB19189-2003《压力容器用调质高强度钢板》、YB/T 4137-2005《低焊接冷裂纹敏感性高强度钢板》。

2.1 水电用钢的发展

我国早期的水电站建设中大量使用500 MPa级别的钢板。GB713-2008对GB713-1997及GB6654-1996进行了合并及修改，将16MnR、16Mng、19Mng合并为Q345R。修订后500MPa级水电用钢主要有Q345R和美国的ATSM A537C1.1这两种。2000年以来，国内水电站建设普遍采用 600 MPa 级压力钢管， 国产60 kg 级高强钢的生产工艺是成熟的， 在水电站的应用技术也是十分成熟的。如舞阳WDB620，首钢 SG610CF，鞍钢 ADB610D等。2005年三峡右岸工程12台机组蜗壳（12000 t）全部采用国产鞍钢600MPa级钢板ADB610D。

冶勒水电站压力钢管建设和福堂水电站的调压井均使用了舞钢生产的WDB62高强钢，用量分别约为4338 t和1560 t。国产自主研发的600MPa级钢板基本符合国际要求，但是相对来说国外钢材工艺稳定性和成熟性优于国内。随着水电站大装机容量的不断发展，水电站坝体的设计高度不断增加，压力钢管的设计水头越来越高，对钢板的强度级别等级要求逐步提高，高强钢板逐步成为目前大型水电站和抽水蓄能电站的首选钢板。为了减小钢管、蜗壳、岔管的壁厚，降低施工和焊接的难度，已逐步开始采用800 MPa级的水电用钢。十三陵抽水蓄能电站使用日本进口的

800 MPa级别钢板，但截止到2014年，使用国产800 MPa级别的抽水蓄能电站工程已经增加到了5个以上。2008年起，河南宝泉抽水蓄能电站开始使用由舞阳国产的800 MPa级别钢板，浙江仙居抽水蓄能电站采用了首钢800 MPa级钢板，在建中的白鹤滩、乌东德水电站所采用1000 MW巨型水轮发电机组压力钢管及机组部分也将全部采用800 MPa级别高强度钢板。总体来说，国产自主化研制的800 MPa级钢板技术已经相对成熟，但与国外同类产品相比， 其塑性指标、 低温冲击性能以及焊接性等方面还存在着一定的差距。

另外，国内配套的焊接材料开发相对滞后，经常出现焊接接头的冲击功无法满足设计要求的现象，工程应用受到一定的限制［2，6-7］。

可以预计，随着我国大型、巨型水电站的兴建，1000 MPa级别高强钢将会逐步在我国水电工程的建设中得到应用。据计算，高强钢板设计强度从800 MPa提升到1000 MPa，强度提高约25%，同等载荷下钢管壁厚可以减薄越17%，同时节省焊接量，节约成本。近年来，国内外各大钢铁公司和研究院所均已开展1000级别高强钢冶炼的试验研究，且国外已开始进行批量生产，并在一些大型和重要项目中逐渐推广应用。如日本住友公司在上世纪90年代开始研发的SMISUM950钢，在丸川（HD值为4095 m²）和神流川（HD值为4238 m²）抽水蓄能电站工程建设中均得到应用，最大钢板厚度分别为66 mm和62 mm。而国内目前尚无1000 MPa级钢板的应用先例。表1和表2给出了国内外大型水电站压力钢管和岔管的典型选材。

2.2 高强度级别水电用钢发展瓶颈

高强度级水电用钢的技术难点，主要体现为以下几个方面：

1. 钢板强度级别越高，碳含量和合金元素含量也会提高，用“碳当量”法和“裂纹敏感系数法”来评估材料的焊接性是最常用的分析方法。一般碳当量越高，则材料的冷裂敏感性越大，焊接性越差。高级别钢材的合金含量高，热影响区易脆化，易出现马氏体组织，势必会进一步恶化焊接性。

国际焊接学会（IIW）推荐的CEIIW及日本的JIS标准所规定的CEjis分别适用于屈服强度不同的钢材，且都适用于含碳量偏高（C%≥0.18%）的钢种。随着低碳微合金高强度钢的开发，发展了Pcm公式，Pcm原则上适用于含碳量较低（0.07%～0.22%）的钢。之后又发展了新的碳当量公式CEN，适用于含碳量从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）表示碳的適当系数，

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

CEN公式是目前含碳量范围较宽的碳当量公式，从碳当量来看，CEN ＞ 0.5%，则属于高淬硬倾向、焊接性差的钢种，CEN ≤0.45%时，钢种的焊接性良好。

焊接冷裂纹敏感指数是日本焊接接协会于1983年制订的“低焊接接冷裂纹敏感性高强度钢”标准中提出的用于评定煌接冷裂纹敏感的指数。根据该标准中有关钢板低裂纹敏感性的规定，只有当钢板的P_cm≤0.20%时，防止根部裂纹的预热温度才不会高于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. 国内的焊接材料对高强度级别钢板进行手工焊和埋弧焊时，线能量都较低，焊接线能量窗口窄，且焊缝处-40℃的冲击功不稳定，经常出现低值。首钢利用国内知名厂家的焊材进行焊接工艺评定时，800 MPa级钢板的焊缝在常规热输入窗口下-40℃冲击功余量不大［8］。洪屏项目的施工单位完成的焊接工艺评定报告中，焊缝-40℃冲击功每组出现个别小于47 J的情况也较多。进口焊材焊接热输入窗口相对较大，焊缝冲击功也优于国产焊材，但是价格较贵，焊接材料成为限制800 MPa级及以上钢板工程应用的关键因素。

3 结论

作为业主单位，一方面在国内采购材料时，需要加强无损检测的检验与验收，尤其焊接性能对比性研究，保证工程质量；另一方面，目前我国的水电事业发展迅猛，国内宝钢、武钢、鞍钢、舞钢、首钢（首秦）等技术水平较高的钢厂已研制出部分达到国际标准的高端水电用钢，对国外进口依赖程度也出现降低。但是，技术上仍存在相对不成熟和不稳定，若和钢铁企业联合，进行高端钢板的研制、配套焊材的开发以及焊接工艺评定及推广，不仅可以保证实现巨大的经济效益，还能打破垄断，有利于我国水电行业材料研发领先水平的发展。

参考文献

［1］ 孙振刚， 张岚， 段中德. 我国水电站工程数量与规模［J］. 中国水利， 2013 （7）： 12-13.

［2］ 赵英杰. 水电行业及其用钢的现状与发展趋势［J］. 莱钢科技， 2015 （2）： 5-7.

［3］ 李荣锋. 水电站压力钢管用钢及其工程可靠性研究的展望［J］. 钢铁研究， 1998 （5）： 60-63.

［4］ 许义群， 杜灿勋， 邹锐. 景洪水电站压力钢管综述［J］. 水力发电， 2008， 34（4）： 68-70.

［5］ 朱晓英， 梅燕， 胡木生， 等. 国内大型水电站压力钢管用钢的探讨［J］. 水利电力机械， 2007， 29（8）： 42-46.

［6］ 周林， 屈刚， 罗栓定. 两种不同牌号 800 MPa 级高强钢焊接性试验比较［J］. 电焊机， 2013， 43（10）： 67-70.

［7］ 周林， 屈刚. 国产 WSD690E 高强钢焊接试验及工程应用［J］. 科学技术与工程， 2014 （6）：247-250.

［8］ 张熹，章军 ，金茹等.首 钢 级 水 电 压 力 钢 管 用 钢 焊 接 技 术 研 究［J］.水电站压力管道--第八届全国水电站压力管道学术会议论文集，2014.