大型水电站压力钢管用钢的探讨
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引言
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，因此压力钢管首先必须具有足够的强度；其次要具有良好的塑性；第3要具有良好的韧性；第4要具有优良的焊接性，因为压力钢管是焊接件。目前，国内水电站压力钢管用钢主要采用3个强度级别的钢，如500MPa级、600MPa级、800MPa级。
水电站压力钢管用500MPa级钢板
水电站压力钢管用国产500MPa级钢板
16MnR钢是水电站压力钢管用国产500MPa级钢的主要材料。该钢的供货状态为正火，其碳当量CE≤0.42%，Pcm＞0.25%。16MnR钢具有良好的力学性能、加工工艺性能和优良的焊接性，16MnR的化学成分和力学性能见表1
16MnR钢与ASTMA537C1.1钢的性能比较
（1）16MnR钢与ASTMA537C1.1钢强度（屈服强度和抗强度）相当。
（2）16MnR钢与ASTMA537C1.1钢的焊接性相当。按照国际焊接学会推荐的碳当量公式（适用于中、高强度的非调质低合金高强度钢）：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)，虽然ASTMA537C1.1钢的碳当量略高于16MnR钢，但由于ASTMA537C1.1钢的韧性优于16MnR钢，而影响钢板冲击韧性的主要因素是钢中是否存在成分偏析、带状组织和晶粒度的大小等，尤其是带状组织的存在会严重降低钢的冲击韧性，且ASTMA537C1.1钢较16MnR钢具有更高的纯度和更细的晶粒组织。
2水电站压力钢管用600Mpa级钢板
压力容器用600 Mpa级钢板有HT60和HT60CF 2大类。HT60钢和HT60CF钢的强度和塑性相当，水电站压力钢管和蜗壳多采用HT60CF钢。
2.1水电站压力钢管用进口HT60CF钢
1983年4月，日本焊接协会颁发了WES3009-1983《低焊接冷裂纹敏感性高强度钢板特性》标准，对HT60CF钢的技术条件如板厚、化学成分、焊接裂纹敏感性成分指数Pcm都作了具体的规定，见表4。
表4 WES3009-1983规定的CF钢的化学成分
2.2水电站压力钢管用国产HT60CF钢
近年来，国内自主研制开发的HT60CF钢板陆续在水电站的压力钢管及蜗壳上使用，尤其是在2005年三峡右岸工程12台机组蜗壳（12 000t）全部采用国产600MPa级钢板。
2.3国产HT60CF与进口的HT60CF钢板性能比较
（1）国产HT60CF钢的碳含量和焊接裂纹敏感性指标，符合国际上焊接冷裂纹敏感性低合金高强度钢的要求。对比试验显示，国产WDB620钢在板厚≤36mm范围内的焊接性与日本NK-HITEN610U2钢的焊接性接近。
（2）日本标准JIS G3115-2000《中温压力容器用钢》、欧洲标准EN10137-3《淬火加回火、析出硬化状态交货的高屈服强度结构钢板和宽扁钢第三部分析出硬化钢交货条件》和我国标准 YB/T4137-2005《低焊接裂纹敏感性高强度钢板》对HT60CF钢的性能要求见表5.由表5可知，国产HT60CF钢具有良好的强度、塑性和韧性指标，其力学性能符合国际标准要求。
目前国内大多数抽水蓄能电站，由于HD值较高，为了减小压力钢管，蜗壳和岔管的壁厚，降低施工和焊接难度，往往采用800Mpa能高强度钢板，压力钢管采用800Mpa高强钢板的典型水电站见表6。
表6 采用800Mpa级高强度钢板典型水电站一览表
工程名称 钢管内径/m 板厚/mm 钢板型号 钢板供应商
十三陵抽水蓄能 5.2，3.8 32~52 SHY685 日本
小浪底工程 7.8~7.0 32~52 ASTM A517F 日本
天荒坪抽水蓄能 3.12~2.1 32~42 SUMMITEN780 住友金属
小浪底水利枢纽工程使用的ASTM A517F钢和十三陵抽水蓄能电站使用的SHY685NS钢的化学成分与力学性能见表7。
表7800Mpa能高强度钢板的化学成分与力学性能
钢种 化学成分/%
C Mn Si Ni Cr Mo P S V Cu
A517 0.1~0.2 0.6~1.0 0.15~0.35 0.7~1.0 0.4~0.65 0.4~0.6 ＜0.035 ＜0.040 0.03~0.08
SHY685NS 0.11 0.89 0.26 0.89 0.45 0.37 0.009 0.004 0.048 0.21
钢种 力学性能
屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/% 冲击功（CH-V）/J
A517 690 795~930 16 314.9(-20℃)
SHY685NS 811 847 21 161(-40℃)
通常认为，钢在焊接时，当碳当量CE＜0.4%时，钢的脆硬倾向不大，需要采取焊接前预热、焊后消氢等措施；当Pcm＜0.2%jf ,钢的冷裂纹倾向小，可以不预热或低温预热。
从十三陵抽水蓄能电站压力钢管用SHY685NS钢（800Mpa）的实物指标，计算出其碳当量与焊接裂纹敏感性成分指数
CE(JIS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14=0.477% （1）
Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/50+V/10+5B=0.244% （2）
从公式（1）和式（2）可以看出，SHY685NS钢的碳当量和焊接裂纹敏感性指数计算值接近焊接性优良的上限值，在板厚（约束度）较大的情况下，可能会产生脆硬和冷裂纹的倾向，焊接时仍需采取较高的预热温度和热消氢处理。
SHY685NS钢的焊接工艺为：焊前预热100℃~125℃，层间温度100℃~200℃；焊后消氢处理，加热温度250℃，保温2h。
ASTMA517F钢的焊接工艺为：焊前预热120℃~150℃，层间温度150℃~200℃；焊后消氢处理，加热温度150℃~180℃，保温2h。
由此可知，在焊接800Mpa级高强钢时，不仅要制定严格的焊接工艺，而且在焊接过程中应按照焊接工艺要求控制预热温度、层间温度、热输及后热温度等，才能焊出合格的产品。
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