高水头大容量水电站用高强韧易焊接厚钢板关键技术开发及应用

一、研究的背景与问题

基于服务雅江水电超级工程项目开发的国家重大战略，以及“双碳”战略背景下抽水蓄能电站建设的迫切需求，水力发电作为关键的绿色低碳清洁能源与灵活调节储能电源，已成为国家能源安全与可持续发展的重要支撑。国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要明确提出加快抽水蓄能电站及新型储能技术规模化应用，推进西藏雅鲁藏布江下游水电基地建设。随着水电建设向高水头、大容量、高可靠性、可变速机组等方向迈进，高强钢因能在减重的同时保持高承载能力，成为支撑电力能源装备发展的核心材料。然而水电装备制造对引水压力管道、肋板、岔管、蜗壳等受力构件用材料的性能要求不断升级，现有水电材料无法满足关键水电装备制造需求，在高强韧性、优异焊接性及高承载能力等方面仍面临制约性难题，严重制约其工程应用与产业化进程，主要面临以下三大难题：

1、钢材强度级别不能满足大型水电工程材料设计要求。

为了减薄压力钢管、蜗壳和岔管的壁厚，采用提高钢材强度级别来减少壁厚，从低合金钢提高到600MPa、800MPa甚至1000MPa级高强钢。国内高强钢产品关键指标还不能满足项目要求，1000MPa级高强钢只有日本等钢厂能够生产，依赖国外进口，核心产品和关键技术受制于人。

2、钢材质量和成本等不能满足水电工程快速发展需求。

随着600MPa、800MPa、1000MPa级高强钢的强度提高，需要降低材料冲击温度以提高裂纹扩展功，其冲击温度依次降低为-20℃、-40℃、-60℃。然而现有高强钢需添加贵重Mo、Ni等合金元素，采用淬火+回火工艺，对于120mm及以上特厚板需要采用模铸工艺，生产工艺成本高。

3、高强钢焊接裂纹敏感性和工艺性能不能满足现场需求。

现有高强钢受碳含量和碳当量高、现场可焊接性能要求高等影响，难以在水电工程项目中推广应用，急需提升钢材焊接质量和现场焊接效率，保证钢板具有较低的焊接预热温度，同时在较宽的热输入范围内焊接适应性强，焊接热影响区、熔合线等具有优良低温冲击韧性。

二、解决问题的思路与技术方案

在此背景下，南钢联合水电六局、兴澄特钢、北京科技大学等水电行业集设计研发、生产制造、应用评价等产业链上下游一起，组建产学研用协同攻关团队，在江苏省人才攻关联合体、国家自然科学基金等重点项目持续资助下，系统研发了高强水电钢成分设计、冶炼、轧制、热处理以及焊接工艺全流程控制体系，通过计算材料学、先进表征技术与工艺创新的深度融合，明确其强化机制与成分-工艺-性能之间的关联，以奥氏体向贝氏体或马氏体的无扩散切变型相变为核心机理，成分上通过精准调控合金元素配比和与微合金化实现低成本，工艺上经淬火或在线淬火加回火技术优化实现更优的强韧性匹配，全面提升高强水电钢板强塑性、低温韧性、焊接性等关键性能，不仅推动了材料性能的持续突破，为高端装备制造提供更优异的材料解决方案，更促进了钢铁工业的绿色化转型，高度契合钢铁工业绿色化转型及高端装备制造的发展需求。项目开发技术在1000MPa级超高强水电钢、低焊接裂纹敏感性特厚板、低温预热800MPa级高强水电钢、免预热600MPa级高强水电钢等系列产品上实现了推广应用，并开发出在线淬火替代离线淬火的短流程绿色生产工艺，如图1，实现高水头大容量水电站的技术创新和工程示范应用，具有重要的经济效益和社会效益。

图1 项目技术方案

三、主要创新性成果

1、基于数字化设计首发1000MPa水电钢和首次水压爆破及工程应用

（1）基于物理冶金原理与数字化设计协同创新，创制了低C、Ni+Cr+Mo+Ti+B多元复合合金化成分体系，如图2，通过低C≤0.12%、Ti+B微合金化成分设计，优化Ni、Cr、Mo合金元素的组合，构筑了多级片层微观组织结构，国内率先研制了国内外最高强度1000MPa级水电钢，钢板最大厚度120mm，其抗拉强度≥950MPa，横向-60℃冲击功≥100J，应变时效-40℃冲击功≥100J，经江苏省新产品鉴定“水电用1000MPa级高强钢”达国际领先水平。

图2 1000MPa水电钢成分和工艺设计

（2）国内首次完成模型钢岔管水压爆破试验和行业技术评审，如图3，解决了1000MPa水电钢强韧性和焊接性能协同调控的技术难题；推进1000MPa水电钢在辽宁清源水电项目上实现国内首次工程应用，填补了国产化1000MPa级高强水电钢及压力钢管焊接技术的空白，成为国内首次1000MPa级钢板的引水压力钢管示范性工程应用。

图3 1000MPa级高强钢钢岔管水压爆破试验

2、创新DQ+T短流程绿色工艺及连铸替代模铸研制高强水电钢特厚板

（1）创新开发高强钢微合金化和轧后在线淬火+回火（DQ+T）短流程绿色制造工艺，通过精确调控相变获得了以片层化原始奥氏体晶界/大角度晶界为界面、马氏体板条束为基体、纳米析出相钉扎位错胞状结构的多尺度复合组织，显著提升了材料的低温韧性及抗断裂能力。创新DQ+T工艺对马氏体单元的细化作用使得马氏体block单元的数量和取向增多，显著提高了大角度晶界的比例，对比新开发的DQ+T工艺和原Q+T工艺见图4，平均晶粒尺寸分别为6.5μm和9.1μm，大角度晶界的比例分别为64.3%和51.6%，密度ρGND分别为9.3×1014m²和8.3×1014m²。

图4  DQ+T和Q+T工艺微观组织

（2）利用460mm大厚度连铸坯替代传统模铸，开发130-150mm 保心部-40℃冲击800MPa级水电钢（牌号780CF、N800CF、Q690SE），以及120mm 1000MPa水电钢（牌号950CF、N980CF），满足钢岔管用特厚板心部低温冲击、抗层状撕裂、NB/T 47013.3 T1级探伤等苛刻性能要求，如图5，通过了中国三峡外委第三方检测评定，经江苏省新产品鉴定“150mm厚的780CF大型水电工程用高强度易焊接钢板”达国际领先水平。

图5 高强钢厚板检测、鉴定和工程应用

3、突破低Pcm成分+复合夹杂调控实现高强水电钢低温或免预热焊接

（1）突破了低Pcm成分设计与冶炼过程复合微合金化调控技术瓶颈，通过600MPa高强钢Pcm≤0.18%、800MPa高强钢Pcm≤0.21%、1000MPa高强钢Pcm≤0.22%成分设计，冶炼精炼过程中复合微合金化技术精准控制夹杂物尺寸，促使纳米级微颗粒夹杂成为针状铁素体形核核心，增加了细小弥散分布的(Nb,Ti)(C,N)等析出纳米级相颗粒在回火索氏体板条束内的分布，如图6，显著降低高强钢焊接裂纹敏感性，并成功克服大热输入焊接下热影响区粗化和软化技术难题。

图6  微观组织和析出形貌

（2）水电行业首例应用双丝埋弧自动焊焊接钢管环缝，行业首次实现高强钢600MPa级免预热焊接、800MPa级不超过50℃低温预热焊接、1000MPa级不超过120℃预热焊接，如图7，大幅提升现场焊接效率，极大地缩短建设工期，降低了施工成本，经中国安装协会、中国电建集团等成果鉴定达国际领先水平。

图7  水电工程现场焊接效率提升

四、应用情况与效果

项目组于国内率先完成大型水电站用600MPa级、800MPa级和1000MPa级系列低焊接裂纹敏感性调质高强钢开发，2010年开始水电站用高强韧易焊接厚钢板关键技术开发，2013年将DQ+T短流程绿色工艺技术应用于生产低焊接裂纹敏感性高强钢板，2017年采用连铸替代模铸工艺生产高强水电钢特厚板、最大厚度达到150mm，满足最低-60℃冲击要求。坚持技术创新与工程应用相结合，持续开发高性能水电用钢核心产品和先进技术，可按照中国标准、欧洲标准、行业标准、技术协议等不同水电项目要求进行供货，联合水电项目业主、设计、用户等一起，积极推广新材料、新技术和新工艺的应用，用于水电站压力钢管、钢岔管、蜗壳、配水环管等水电关键设备制造，产品助力大国重器，累计供货国内外40多座特大型水电站和大型抽水蓄能电站项目。

1、金沙江白鹤滩水电站，南钢供货1.2万吨高强水电钢。如图8，世界技术难度最大、单机容量世界第一水电站，主要用于水轮机座环、发电机顶盖、控制环、引水压力管道、钢岔管等关键部件的制造。

图8  金沙江白鹤滩水电站

2、河北丰宁抽水蓄能电站，南钢供货1.7万吨高强水电钢。如图9，世界装机容量规模最大抽水蓄能电站，2022年冬奥配套绿色能源重点工程，作为“超级充电宝”为北京绿色冬奥赋能。

图9  河北丰宁抽水蓄能电站

3、辽宁清原抽水蓄能电站，南钢独家供货2.8万吨高强水电钢。如图10，国家振兴东北、东北地区最大的抽水蓄能电站，实现600MPa免预热焊接，800MPa焊接预热温度由之前80℃及以上降低至50℃，使用1000MPa级高强钢实现工程示范应用从”0”到”1”的重大突破。

图10  辽宁清原水电站

4、西藏大唐扎拉水电站，南钢供货2.5万吨高强水电钢。如图11，国家研制大容量冲击式水轮发电机组的支撑项目，承载两台单机容量500兆瓦冲击式水轮发电机组，作为全球单机容量最大的冲击式水轮发电机组，为后续西藏雅下墨脱水电工程示范项目。

图11 西藏扎拉水电站

5、印尼巴塘水电站，南钢供货2.5万吨高强水电钢。如图12，印尼最大水电站总装机510兆瓦，堪称印尼的“三峡工程”，采用国标牌号600兆帕级Q490SD和800兆帕级高强水电钢Q690SE。

图12 印尼巴塘水电站

项目组于2016年国内最早启动1000MPa级高强钢产品研发，经江苏省新产品鉴定达国际领先水平，是国内唯一覆盖24mm-120mm全厚度规格产品。联合国内主要焊材厂完成配套焊材国产化开发，通过权威第三方焊接工艺评定，2022年国内首家钢厂完成1000MPa级水电钢模型钢岔管水压爆破试验和行业新产品技术评审，专家组认为南钢国产1000MPa级高强水电钢开发填补国内空白，实现国产化替代进口，解决了水电行业超高强钢材料的问题，被列入国家工信部《重点新材料首批次应用示范目录》。南钢牵头联合水电业主、设计院、水电工程局等产业链上下游等首次完成1000MPa水电钢新材料标准制定，推进1000MPa水电钢在辽宁清源水电项目上实现国内首次应用，如图13，为超大规模水电项目提供“先行示范”和“技术样板”。

图13 南钢1000MPa级高强水电钢国内首家应用

项目组攻坚克难积累多项研究成果，牵头或参与制定标准4项（国家标准1项、行业标准1项、团体标准2项），获授权专利20件，发表论文5篇，近三年累计供货12.82万吨，新增产值10.71亿元，新增利税1.32亿元。经中国钢铁工业协会组织、中国工程院院士等专家技术评价，以及中国安装协会、中国电建集团等组织的科技成果鉴定，项目整体达到国际领先水平。世界金属导报重点报道了“南钢1000MPa级高强水电钢国际领先、国内首创”，如图14，评价“南钢首次完成24毫米-120毫米厚度1000MPa级高强水电钢开发，实现替代进口，其中70毫米-120毫米厚度的产品整体技术达到国际领先水平，120毫米厚度的产品属于全球首制”。“水电工程用1000MPa级高强度钢板”入围国家工信部《重点新材料首批次应用示范指导目录》,南钢牵头联合水电六局、兴澄特钢等组建联合体中标工信部国家级重大水电钢专项，将深度对接西藏雅江水电超级工程建设。

图14 大型水电工程用1000MPa级高强钢技术评审和报道

高水头大容量水电站用高强韧易焊接厚钢板关键技术开发及应用，推进我国水电钢产品技术水平从跟跑到领跑，加速推进雅鲁藏布江下游水电开发和高水头大容量抽水蓄能电站项目的应用，有力支撑国家重大水电工程建设，助力推动能源结构从以化石能源为主向清洁能源为主的转变。

信息来源：南京钢铁股份有限公司