呼和浩特抽水蓄能電站鋼岔管國產化研究與工程應用

余 健，劉 蕊

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

隨著水電工程建設向青藏高原等地區擴展及抽水蓄能電站的大規模建設，高水頭、大HD值電站建設越來越多，并逐步成為行業發展趨勢，此類電站鋼岔管所需的790MPa級高強度鋼板及配套的焊接材料是制造的必備品，但與此不相協調的是這些關鍵性基礎材料過去均需從國外進口，進口鋼板不但價格昂貴，還被附加歧視性條款、用途鎖定，嚴重影響了國內高水頭電站的發展。本文以內蒙古呼和浩特抽水蓄能電站（簡稱呼蓄電站）為例，樞紐工程包括上水庫、水道系統、地下廠房、泄洪排水洞及下水庫等，安裝4臺單機容量為300MW的混流可逆式水泵 水輪機組，總裝機容量為1200MW。引水系統采用一管兩機布置方式，岔管部位的巖石呈微風化至新鮮狀態，巖體較完整，岔管位于地下水位以下約230m，鋼岔管采用對稱“Y”型內加強月牙肋結構，分岔角70°，支管直徑3.2m，主管直徑4.6m，最大公切球直徑5.2m，鋼岔管前后設計流速依次為7.97m/s、8.23m/s，采用790MPa級高強鋼板制造，主、支岔壁厚70mm，肋板厚140mm，設計水頭906m，HD值約4186m2，是我國已建水電工程HD值最大、國產鋼材強度級別最高的鋼岔管[1]。

1 岔管設計國產化

呼蓄電站790MPa級鋼岔管設計階段的主要任務：

（1）通過對岔管區段圍巖覆蓋厚度的復核計算明確岔管是采用鋼筋混凝土襯砌還是采用鋼岔管，并結合壓力管道布置方式和圍巖情況選定岔管采用的型式和布置位置；

（2）岔管體型設計研究，明確岔管體型并進行優化；

（3）岔管原材料的力學性能、各項技術指標、焊接性能的研究，為選材提供依據；

（4）岔管制造設計，提出岔管制造分割方案、繪制瓦片展開圖并進行坡口設計；

（5）水壓試驗設計，提出最大水壓試驗壓力值、應力控制標準、水壓試驗方案和監測方案[2]。

呼蓄電站鋼岔管國產化設計的技術路線特點及技術成果的先進性如下：

（1）內加強月牙肋鋼岔管由于其體型和結構受力的復雜性，使其成為水道系統設計中的一個關鍵性研究問題，對于呼蓄電站如此大規模鋼岔管，通過優化布置及設計參數，改善應力狀態，充分發揮材料強度以及合理考慮圍巖分擔內水壓力來減少鋼板厚度，降低制造、安裝難度成為重點關注的問題。

（2）呼蓄電站是國內首例采用國產790MPa級高強鋼板制造的鋼岔管，對于首次應用于高水頭大HD值鋼岔管的國產790MPa級高強度鋼板化學成分、力學性能指標的確定，成為其成功應用的關鍵性因素，在充分調研國內大型鋼廠實際鋼板生產能力及鋼材性能的基礎上，對比國標（GB）、歐洲標準（EN）、ASTM標準、日本工業標準（JIS），并結合呼蓄電站的實際情況，提出了應用于呼蓄電站鋼岔管的790MPa鋼板各項性能指標。

（3）為實現鋼岔管國內制造，需研究高水頭大HD值鋼岔管的分割制造方案、瓦片展開、焊接坡口型式等，有效解決鋼岔管制造過程中的瓦片分割問題，減小施工難度，減少鋼材用量，縮短制造周期，節約工程投資。

（4）為順利進行鋼岔管水壓試驗測試，需合理確定水壓試驗最大壓力值，全面監測水壓試驗過程中鋼岔管的應力和變形情況，因此需要對水壓試驗監測點布置及各監測點應力控制標準進行深入研究，確保鋼岔管結構安全和水壓試驗效果[3]。

在滿足現行國家規程規范的要求下，依靠國內科研及設計資源，獨立完成790MPa級高強鋼岔管的設計工作，結合鋼岔管三維有限元計算分析和水力學特性分析，優化了鋼岔管體型，改善了受力條件，使得鋼岔管在受力條件較好的前提下結構尺寸較小，最大外形尺寸約為6.07m×7.10m×5.51m；充分利用圍巖分擔內水壓力，將岔管壁厚減小為70mm、肋板厚度為140mm，減小了加工制造難度；通過計算機進行仿真計算和水力特性研究，岔管具有良好的水流流態。

2 岔管用鋼國產化

近年來，寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼）、舞陽鋼鐵有限責任公司（簡稱舞鋼）生產的790MPa級鋼板已逐步應用于寶泉抽水蓄能電站、喀臘塑克水電站、公格爾水電站等實際工程，其力學性能、化學成分、焊接性能等各項指標滿足應用工程的需要。國產790MPa級鋼板在高水頭、大HD值高壓鋼岔管上雖然還沒有應用實例，但鑒于國產鋼板的價格優勢和性能上的逐步進步，綜合考慮在呼蓄電站的鋼岔管中使用國產790MPa級鋼板。通過對寶鋼、舞鋼生產的790MPa級鋼板實物鋼板化學成分和性能指標等的分析，其鋼板生產能力、厚度范圍、化學成分、力學性能指標、厚鋼板抗層狀撕裂性能基本滿足呼蓄電站鋼岔管設計技術指標，改善后可滿足呼蓄電站鋼岔管的要求，通過綜合比選，最終選擇由寶鋼開發出滿足高水頭、大HD值水電站鋼岔管用790MPa級調質鋼板作為呼蓄電站岔管生產用鋼。

呼蓄電站鋼岔管790MPa級高強鋼板以滿足鋼板抗裂、止裂及焊接性能為主要目標，從成分設計入手，合理進行關鍵合金元素組配與遴選，充分發揮寶鋼厚板產線的精煉、板坯內質控制、除鱗、軋制和熱處理淬火設備的優勢，實現鋼板具有優良的綜合力學性能、低焊接裂紋敏感系數、良好焊接性能及高表面質量。呼蓄電站790MPa級高強鋼板研發的技術路線特點及技術成果的先進性如下：

2.1 低焊接裂紋敏感性設計

為滿足鋼板在不預熱和低預熱條件下具有優異的焊接性能，采用超低焊接裂紋系數設計。采用低碳、合理的淬透性合金元素設計，根據寶鋼淬火機冷卻能力，控制DI指數在合適的范圍內，實現低焊接裂紋敏感系數Pcm；對于厚度不大于80mm鋼板，Pcm≤0.24%；對于厚度大于80～155mm的鋼板，Pcm≤0.26%；實際生產控制中，鋼板的實際低焊接裂紋敏感系數要明顯低于此值[4]。如此低的低焊接裂紋敏感系數，使鋼板在車間組裝的高拘束、施工安裝現場高濕度、在不預熱或利用層間溫度焊接條件下，保證接頭不產生氫致裂紋。

2.2 強韌性匹配

為了滿足水電金屬構件的承載要求，通過合理利用淬透性指數DI、Mo當量控制，達到屈服強度不小于690MPa，抗拉強度不小于790MPa，同時實現不同厚度鋼板在厚度方向上力學性能均勻性；利用（Mn當量）/C、Ni當量、Ca/S等元素組合，實現鋼板具有良好的強韌性和低的韌脆轉變溫度，提高鋼板抗開裂和抗裂紋擴展能力（即優良的止裂性）。

2.3 潔凈鋼成分設計

采用超低硫、超低磷成分成計，即P≤0.010%、S≤0.0020%，并超低控制氫、氧、氮等氣體雜質元素，保證鋼板具有良好的塑性和低溫韌性，具有較低的韌脆轉變溫度。如此成分設計，也保證鋼板具有優良的Z向性能，可滿足水電結構T型結構和搭接結構要求。

2.4 不同焊接方法和焊接參數適應性

水電金屬構件在車間制作時，可采用手工焊條電弧焊、埋弧焊和氣體保護焊。在現場組裝并焊接時，主要采用手工或半自動焊接。開發鋼板，要保證不同焊接接頭及其焊接熱影響區強度和韌性達到設計技術要求。元素選擇時，既要保證鋼板的強度，又要保證焊接熱影響區在小焊接熱輸入時不因形成淬硬組織而脆化，又要實現在較大熱輸入（如埋弧焊）時保證焊接熱影響區不因組織軟化而形成接頭強度降低和晶粒粗化引起的韌性降低[5]。

3 焊接材料國產化

為與寶鋼生產的790MPa級B780CF高強鋼板達到良好的匹配，用于呼蓄電站鋼岔管鋼板的焊接，結合施工現場焊接工藝條件與設備，開展配套焊接工藝試驗、配套焊接材料篩選、協同四川大西洋焊接材料股份有限公司進行焊接材料開發，實現呼蓄電站鋼岔管用鋼790MPa級鋼板和焊接材料同時國產化，滿足大型水電站、抽水蓄能電站鋼岔管制造、安裝等的要求，開發出具有高塑韌性、低焊接裂紋敏感性的790MPa級低合金高強鋼焊條CHE807RH。大西洋CHE807RH焊條設計原則及成果創新性如下：

（1）CHE807RH焊 條 為1.5Mn-0.5Cr-0.5Mo-1.5Ni合金體系，通過熔敷金屬合金元素的組合配置，可以有效改善焊縫金屬的強度和韌性。保持熔敷金屬適宜強度和優良韌性的關鍵之一是控制Mn與Ni的配比，隨著Ni含量的增高，必須降低Mn含量，否則會使焊縫強度過高而降低焊縫塑性和韌性；焊縫金屬中含Mo量過高時對沖擊不利，因此在滿足強度的前提下，應限制Mo含量；Cr是鐵素體形成元素，它可使γ區縮小，α區擴大，提高Ac1點，焊縫中含有適量的Cr時可提高焊縫金屬沖擊功，焊縫含Cr量大于0.40%則顯著降低韌性；Ti是強碳化物形成元素，易形成穩定的TiC，Ti的加入即可細化晶粒提高焊縫韌性，又因其固溶于鐵素體的脆化作用，抵消細化晶粒對焊縫韌性的有利影響。

（2）通過各種原輔材料合理的配備、試驗，設計出一種具有良好操作性能的CaF2-CaCO3-Si2O3-TiO2高堿度渣系，堿度系數達到3.2。設計過程中通過對熔渣的表面張力、黏度的調整，改善熔渣的流動性；通過對熔渣熔點、線膨脹系數等方面的調整，改善渣殼的脫渣性；通過對鉀、鈉等物質含量的調整，改善了焊條的電弧穩定性[6]。

（3）通過對某些原輔材料進行特殊處理，降低了焊條藥皮的結晶水含量，同時加入多種碳酸鹽、氟化物等提高脫氫能力降低熔敷金屬擴散氫的含量。

4 岔管制造國產化

通過調研已建和在建工程岔管的制造質量、技術指標、國內外岔管制造的技術手段和制造設備能力以及國內岔管制造能力，采取由國內公開招標方式擇優選擇制造企業，最終決定由國內單位擔任呼蓄電站鋼岔管的制安工作。受鋼岔管外形尺寸及公路運輸條件限制，岔管分瓦片在制造廠內下料卷制、組裝成型，并通過水壓試驗后，運往洞內與高壓支管焊接成型、混凝土回填等施工。由于強度高、厚度大，岔管瓦片的下料、卷制成型、焊接變形控制和質量控制等難度相當大，本工程厚板加工創造性提出了通過鉆孔法加強切割控制、“五段式”卷制法等措施進行質量控制，還設計了壓縫專用夾具。另外，鋼材的強度越高、厚度越大，其制造和焊接過程中容易出現如焊接變形、焊接裂紋、熔合區脆化等問題[7]。依據呼蓄電站鋼岔管的實際情況，明確了鋼岔管放樣、下料、瓦片卷制、月牙肋焊接、縱（環）縫焊接、岔管整體組裝、水壓試驗、洞內安裝及混凝土回填等施工工藝。

5 結束語

（1）呼蓄電站鋼岔管是國內額定水頭在500m以上首例全面采用國產高強鋼制造的，在設計、選材、制造、監測等各方面都進行了深入的分析和研究，呼蓄電站鋼岔管經過水壓試驗、雙機甩負荷以及近2年的運行考驗，兩套鋼岔管的各項技術性能指標均達到或超過了設計和規范標準，完全滿足電站運行要求。

（2）呼蓄電站高壓鋼岔管采用國產790MPa級高強鋼材及配套焊材，完全由國內設計和制造，開創了高水頭、大HD值高壓鋼岔管全面國產化的先河，拓寬了高水頭鋼岔管設計、制造和原材料選擇范圍，為我國抽水蓄能電站鋼岔管的設計、選材及制造的國產化發展奠定良好的基礎。根據抽水蓄能電站的發展趨勢，國內水電站將朝著高水頭、大管徑的鋼岔管發展，高水頭、大HD值高壓鋼岔管的設計、選材、制造將成為普遍面臨的難題，呼蓄電站高壓鋼岔管的成功國產化提供了解決問題思路，其相關成果值得以廣泛推廣，其經濟和社會效益巨大。