水電工程用1000MPa級高強鋼的研發與應用

雷清華，夏政海，劉心陽，潘中德

（1.華電鄭州機械設計研究院有限公司，河南省鄭州市 450046；2.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇省南京市 210035）

0 引言

在國家提出“碳達峰、碳中和”目標、加快能源結構調整情形下，清潔能源、可再生能源的利用達到了前所未有的高度。我國水能資源豐富，不論是水能資源蘊藏量，還是可能開發的水能資源，均位居世界首位，水力發電作為一種可再生的新能源，取之不盡，用之不竭。為加快能源結構的調整，大型水電工程項目的快速發展顯得十分重要而緊迫[1]。與這些水電工程相配套的水電用寬厚鋼板，主要用于廠壩內的引水壓力管道制造以及肋板、岔管、蝸殼等設施的制造，對鋼板的化學成分、屈服強度、抗拉強度、低溫韌性、可焊性等性能指標有嚴格的要求。

基于高寒地區或高水頭大型水電工程的需求，水電用鋼也向著大型化、高強化、綠色化、節能化的方向發展，現有設計采用800MPa級鋼板時最大壁厚已經超過70mm，由此帶來了壓力鋼管加工制作中的一系列問題，例如卷板、焊接、無損檢測、運輸、安裝等。為了解決高HD值抽水蓄能電站的施工難題，設計單位在800MPa級水電鋼板的基礎上，提出了1000MPa級高強度水電鋼板的需求。

水電用鋼寬厚板在鋼鐵行業內屬于高端板材產品，技術含量高，要求具有低的焊接裂紋敏感性、極高的強度、優良的低溫沖擊韌性與優異的焊接性能[2]。結合國內某大型水電工程項目設計技術要求，南鋼采用低碳、低Pcm、Nb+V+Ti微合金化等成分設計，控制軋制和淬火+高溫回火工藝，全面分析了試制鋼種的組織與性能情況，并對材料的可焊接性能進行了詳細的試驗研究，結果表明，試制開發的48mm 1000MPa級高強度低裂紋焊接敏感性鋼板，完全滿足水電工程設計對于1000MPa級高強度用鋼的各項技術要求。

1 技術要求

根據大型水電工程項目設計的技術要求，1000MPa級高強度水電用鋼板的熔煉化學成分要求見表1，拉伸、沖擊、Z向等機械性能要求見表2。

表1 1000MPa高強度鋼板熔煉化學成分（Wt%）Table 1 Ladle chemical composition of 1000MPa high strength steel （Wt%）

表2 1000MPa高強度鋼板的機械性能Table 2 Mechanical properties of 1000MPa high strength steel

2 鋼種設計思路

綜合考慮1000MPa級高強度水電用鋼板的各項力學性能要求，采用低碳、低Pcm、合金鋼的成分設計，兩階段軋制與淬火和高溫回火的生產工藝，獲得晶粒細小等軸的α相基體上分布著彌散的顆粒狀碳化物的回火索氏體組織，保證鋼板具備高強度、高韌性的同時，還需保證鋼板在一定的焊接熱輸入后，其熱影響區低溫韌性不出現明顯下降。鋼種設計主要包括：

（1）鋼成分設計與生產工藝的最佳配合；

（2）實現低碳、低硫、低磷純凈鋼的冶煉，提高全厚度韌性；

（3）利用控制軋制及熱處理技術，實現高強高韌性的同時，具有適應焊接和低裂紋敏感性的組織控制；

（4）淬火+回火熱處理技術，組織均勻性和性能穩定性控制。

3 化學成分及制造工藝

3.1 化學成分

成分設計采用低碳、低Pcm，以及Nb+V+Ti微合金化，其中Nb可以在軋制過程中細化奧氏體晶粒；V具有較強的析出強化作用，可提高強度；Ti可以形成Ti（CN）粒子，阻止焊接時熱影響區的晶粒長大，可以顯著改善焊接性能。另外適當加入Cr、Mo、Ni等合金元素有利于提高鋼的強度與淬透性，同時加入微量的B，通過Mo-B復合可以使鋼的CCT曲線右移，顯著提高淬透性。鋼水冶煉盡量降低鋼中有害元素含量，主要通過低P、低S含量的控制，來提高鋼的低溫韌性和焊接性能[3，4]。48mm 1000MPa級高強度水電用鋼板的成分設計及各元素含量要求見表3。

表3 1000MPa高強度鋼板成分設計（Wt%）Table 3 Composition design of 1000MPa high strength steel（Wt%）

3.2 制造工藝

試制鋼板的制造工藝路線包括煉鋼、軋鋼及熱處理等工序，其中煉鋼工序包括鐵水預處理、轉爐冶煉、LF精煉、RH真空精煉、板坯連鑄等，軋鋼及熱處理工序包括鑄坯加熱、除鱗、控制軋制、控制冷卻、切割、淬火、回火、探傷、檢驗、標識、合格品入庫等。

煉鋼工序中，為了得到高純凈度的鋼水和優良的鑄坯質量，煉鋼采用鐵水預處理、轉爐冶煉、LF精煉、RH真空精煉、板坯連鑄等先進煉鋼技術，其中鋼水冶煉過程執行低P、低S控制，最大限度降低殘余有害元素含量，連鑄過程采用結晶器電磁攪拌、動態輕壓下技術等先進控制技術，提高鑄坯的中心偏析、中心疏松等內部質量。

軋鋼及熱處理工序中，1000MPa級高強度水電用鋼板采用粗軋階段的奧氏體再結晶軋制、精軋階段的奧氏體未再結晶軋制等兩階段軋制工藝，其中粗軋階段采用高溫、最后2道次的壓下率不低于18%的大壓下軋制工藝，軋制變形更多滲透至鋼板心部，提高厚度方向性能的均勻性；精軋階段充分避開混晶區軋制，累計軋制形變和位錯；軋后鋼板進行淬火和高溫回火熱處理，以便獲得均勻、細小的相變組織[5]。

4 實物質量

為全面了解1000MPa級高強度水電用鋼板的實物質量，對鋼板進行超聲波探傷，并在鋼板上取樣進行拉伸、Z向、沖擊等力學性能的測試。

4.1 內部質量

對于試制1000MPa級高強度水電用鋼板，采用NB/T 47013標準進行100%超聲波自動探傷，探傷結果顯示，48mm厚鋼板內部未見明顯缺陷，按照標準NB/T 47013評級可達T1級別要求，說明本次試制生產的48mm 1000MPa級高強度水電用鋼板內部質量較好，符合水電工程項目技術要求[6]。

4.2 拉伸性能

在試制48 mm厚1000MPa級高強度水電用鋼板的寬度1/4處取樣、加工鋼板厚度1/4處橫向拉伸試樣，寬度1/4處取樣、加工厚度方向Z向拉伸試樣，拉伸實驗使用BPC-F1600EN型材料試驗機，拉伸檢測結果見表4。

表4 1000MPa高強度鋼板的力學性能Table 4 Mechanical properties of 1000MPa high strength steel

從表4可以看出，鋼板的拉伸性能符合項目技術要求，其中屈服強度高于標準下限值50 MPa以上，抗拉強度高于標準下限值40 MPa以上；Z向斷面收縮率符合GB/T 5313標準中Z35指標要求，平均斷面收縮率≥60%，鋼板抗層狀撕裂性能優異。

4.3 沖擊性能

在試制48 mm厚1000MPa級高強度水電用鋼板的寬度1/4處取樣，加工鋼板厚度1/4處縱向、橫向沖擊試樣，使用RKP450型擺錘沖擊試驗機對其進行低溫沖擊實驗，分別檢測鋼板的縱向、橫向-60℃沖擊，檢驗結果見表5。

表5 1000MPa高強度鋼板的沖擊性能Table 5 Impact test of 1000MPa high strength steel

從表5可以看出，鋼板-60℃縱向、橫向低溫沖擊值均不低于100J，鋼板低溫韌性較好。

對試制的1000MPa高強度水電鋼，進行不同溫度的系列溫度沖擊試驗，試驗結果見圖1。

圖1 1000MPa高強度鋼板的系列溫度沖擊Figure 1 Series temperature shock of 1000MPa high strength steel plate

4.4 顯微組織

對48 mm厚1000MPa級高強度水電用鋼板取樣，加工鋼板厚度1/4處試樣，利用LEICAQ550IW 型光學顯微鏡和FEI QUANTA 600 掃描電子顯微鏡對實驗鋼的顯微組織進行觀察，試制鋼板金相組織照片見圖2。

從圖2可以看出，鋼板試樣的顯微組織類型主要為回火索氏體及極少量回火馬氏體，并有細小的彌散分布的析出相顆粒（Nb，Ti） （C，N）分布在板條束內，金相組織整體較為均勻和細小[7]。

圖2 1000MPa高強度鋼板1/4厚度處的金相組織Figure 2 Metallographic structure of 1000MPa high strength steel - place of 1/4 thickness

5 焊接試驗

為了滿足某大型水電工程施工的需要，選用日本產的L-100S焊條，Y-100S焊絲+NB-100S焊劑，分別進行了抗裂性試驗、熱輸入試驗和工藝評定試驗。采用24mm厚的N980CF鋼板進行抗裂性試驗和焊接熱輸入試驗，采用48mm厚的N980CF鋼板進行焊接工藝評定試驗。

5.1 預熱溫度

在環境溫度15～18℃，相對濕度50%～65%的條件下，預熱到80℃未出現裂紋。根據抗裂性試驗結果，以及焊材廠家的建議，結合以往的工程經驗，N980CF確定預熱溫度為：焊條電弧焊100℃，埋弧自動焊80℃。工程應用時，根據板厚的增加或環境溫度、濕度條件，可以適當提高預熱溫度。

5.2 熱輸入范圍

參考日本同類材料的試驗數據[8]，焊條電弧焊試板分別采用10、18、24、32kJ/cm的熱輸入，埋弧自動焊分別采用14、22、28、36kJ/cm的熱輸入，各個試板的拉伸強度、彎曲性能、-60℃的沖擊功均符合標準要求。但較高的熱輸入條件下，焊縫和熱影響區的沖擊韌性有明顯下降的趨勢。研究表明，中等或偏小的熱輸入對保證接頭的斷裂韌性是有利的[9]。

5.3 工藝評定試驗

按照NB/T 47014—2011承壓設備焊接工藝評定標準要求進行焊接工藝評定試驗。焊接方法采用焊條電弧焊和埋弧自動焊，分別采用適中和偏高的焊接熱輸入各焊兩副試板，試板焊接參數見表6，試板力學性能檢驗結果見表7～表8。

表6 N980CF鋼（δ=48mm）焊接工藝評定試驗焊接參數Table 6 Welding parameters of welding procedure qualification of N980CF（δ=48mm）

表7 N980CF鋼（δ=48mm）焊接工藝評定試板拉伸和彎曲試驗結果Table 7 Bending and tensile test results of welding procedure qualification test plate of N980CF（δ=48mm）

表8 N980CF鋼（δ=48mm）焊接工藝評定試板沖擊試驗結果Table 8 Impact test results of welding procedure qualification test plate of N980CF（δ=48mm）

試驗數據表明，焊接接頭的拉伸強度、彎曲性能、沖擊韌性滿足相關標準要求。硬度測試數據基本上在350HV0.5以下，在偏大的熱輸入條件下，個別數據略超350HV0.5。

5.4 焊接接頭金相組織分析

焊條電弧焊、埋弧焊均能獲得組織均勻、晶粒細小的貝氏體組織和第二相沉淀物。但是隨著焊接熱輸入的增加，第二相沉淀物有聚集長大的趨勢，對接頭的強度和沖擊韌性不利。焊接時必須嚴格控制焊接熱輸入，避免第二相沉淀物聚集。焊接接頭的金相組織見圖3。

圖3 1000MPa級高強度鋼焊接接頭1/4厚度處的金相組織（一）Figure 3 Metallographic structure at 1/4 thickness of welded joint of 1000MPa grade high strength steel（No.1）

圖3 1000MPa級高強度鋼焊接接頭1/4厚度處的金相組織（二）Figure 3 Metallographic structure at 1/4 thickness of welded joint of 1000MPa grade high strength steel（No.2）

6 結論

（1）南鋼采用低碳、低Pcm成分設計，淬火+回火工藝生產的1000MPa級高強鋼具有良好的綜合性能，鋼板抗拉強度≥950MPa，斷后伸長率≥17%，-60℃橫向低溫沖擊值≥100J，厚度方向性能滿足GB/T 5313標準Z35級別，內部質量按NB/T 47013標準探傷滿足T1級要求。

（2）試驗48mm鋼板采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡進行觀察，顯微組織類型主要為回火索氏體及極少量回火馬氏體，并有細小的彌散分布的析出相顆粒（Nb，Ti） （C，N）分布在板條束內，從而保證了試制鋼種具備高強度和優異的低溫沖擊韌性。

（3）選用日本產的L-100S焊條、Y-100S焊絲+NB-100S焊劑，通過合適的焊接工藝，可以獲得滿足標準要求的焊接接頭。