呼和浩特抽水蓄能电站钢岔管国产化研究与工程应用

余 健，刘 蕊

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

随着水电工程建设向青藏高原等地区扩展及抽水蓄能电站的大规模建设，高水头、大HD值电站建设越来越多，并逐步成为行业发展趋势，此类电站钢岔管所需的790MPa级高强度钢板及配套的焊接材料是制造的必备品，但与此不相协调的是这些关键性基础材料过去均需从国外进口，进口钢板不但价格昂贵，还被附加歧视性条款、用途锁定，严重影响了国内高水头电站的发展。本文以内蒙古呼和浩特抽水蓄能电站（简称呼蓄电站）为例，枢纽工程包括上水库、水道系统、地下厂房、泄洪排水洞及下水库等，安装4台单机容量为300MW的混流可逆式水泵 水轮机组，总装机容量为1200MW。引水系统采用一管两机布置方式，岔管部位的岩石呈微风化至新鲜状态，岩体较完整，岔管位于地下水位以下约230m，钢岔管采用对称“Y”型内加强月牙肋结构，分岔角70°，支管直径3.2m，主管直径4.6m，最大公切球直径5.2m，钢岔管前后设计流速依次为7.97m/s、8.23m/s，采用790MPa级高强钢板制造，主、支岔壁厚70mm，肋板厚140mm，设计水头906m，HD值约4186m2，是我国已建水电工程HD值最大、国产钢材强度级别最高的钢岔管[1]。

1 岔管设计国产化

呼蓄电站790MPa级钢岔管设计阶段的主要任务：

（1）通过对岔管区段围岩覆盖厚度的复核计算明确岔管是采用钢筋混凝土衬砌还是采用钢岔管，并结合压力管道布置方式和围岩情况选定岔管采用的型式和布置位置；

（2）岔管体型设计研究，明确岔管体型并进行优化；

（3）岔管原材料的力学性能、各项技术指标、焊接性能的研究，为选材提供依据；

（4）岔管制造设计，提出岔管制造分割方案、绘制瓦片展开图并进行坡口设计；

（5）水压试验设计，提出最大水压试验压力值、应力控制标准、水压试验方案和监测方案[2]。

呼蓄电站钢岔管国产化设计的技术路线特点及技术成果的先进性如下：

（1）内加强月牙肋钢岔管由于其体型和结构受力的复杂性，使其成为水道系统设计中的一个关键性研究问题，对于呼蓄电站如此大规模钢岔管，通过优化布置及设计参数，改善应力状态，充分发挥材料强度以及合理考虑围岩分担内水压力来减少钢板厚度，降低制造、安装难度成为重点关注的问题。

（2）呼蓄电站是国内首例采用国产790MPa级高强钢板制造的钢岔管，对于首次应用于高水头大HD值钢岔管的国产790MPa级高强度钢板化学成分、力学性能指标的确定，成为其成功应用的关键性因素，在充分调研国内大型钢厂实际钢板生产能力及钢材性能的基础上，对比国标（GB）、欧洲标准（EN）、ASTM标准、日本工业标准（JIS），并结合呼蓄电站的实际情况，提出了应用于呼蓄电站钢岔管的790MPa钢板各项性能指标。

（3）为实现钢岔管国内制造，需研究高水头大HD值钢岔管的分割制造方案、瓦片展开、焊接坡口型式等，有效解决钢岔管制造过程中的瓦片分割问题，减小施工难度，减少钢材用量，缩短制造周期，节约工程投资。

（4）为顺利进行钢岔管水压试验测试，需合理确定水压试验最大压力值，全面监测水压试验过程中钢岔管的应力和变形情况，因此需要对水压试验监测点布置及各监测点应力控制标准进行深入研究，确保钢岔管结构安全和水压试验效果[3]。

在满足现行国家规程规范的要求下，依靠国内科研及设计资源，独立完成790MPa级高强钢岔管的设计工作，结合钢岔管三维有限元计算分析和水力学特性分析，优化了钢岔管体型，改善了受力条件，使得钢岔管在受力条件较好的前提下结构尺寸较小，最大外形尺寸约为6.07m×7.10m×5.51m；充分利用围岩分担内水压力，将岔管壁厚减小为70mm、肋板厚度为140mm，减小了加工制造难度；通过计算机进行仿真计算和水力特性研究，岔管具有良好的水流流态。

2 岔管用钢国产化

近年来，宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢）、舞阳钢铁有限责任公司（简称舞钢）生产的790MPa级钢板已逐步应用于宝泉抽水蓄能电站、喀腊塑克水电站、公格尔水电站等实际工程，其力学性能、化学成分、焊接性能等各项指标满足应用工程的需要。国产790MPa级钢板在高水头、大HD值高压钢岔管上虽然还没有应用实例，但鉴于国产钢板的价格优势和性能上的逐步进步，综合考虑在呼蓄电站的钢岔管中使用国产790MPa级钢板。通过对宝钢、舞钢生产的790MPa级钢板实物钢板化学成分和性能指标等的分析，其钢板生产能力、厚度范围、化学成分、力学性能指标、厚钢板抗层状撕裂性能基本满足呼蓄电站钢岔管设计技术指标，改善后可满足呼蓄电站钢岔管的要求，通过综合比选，最终选择由宝钢开发出满足高水头、大HD值水电站钢岔管用790MPa级调质钢板作为呼蓄电站岔管生产用钢。

呼蓄电站钢岔管790MPa级高强钢板以满足钢板抗裂、止裂及焊接性能为主要目标，从成分设计入手，合理进行关键合金元素组配与遴选，充分发挥宝钢厚板产线的精炼、板坯内质控制、除鳞、轧制和热处理淬火设备的优势，实现钢板具有优良的综合力学性能、低焊接裂纹敏感系数、良好焊接性能及高表面质量。呼蓄电站790MPa级高强钢板研发的技术路线特点及技术成果的先进性如下：

2.1 低焊接裂纹敏感性设计

为满足钢板在不预热和低预热条件下具有优异的焊接性能，采用超低焊接裂纹系数设计。采用低碳、合理的淬透性合金元素设计，根据宝钢淬火机冷却能力，控制DI指数在合适的范围内，实现低焊接裂纹敏感系数Pcm；对于厚度不大于80mm钢板，Pcm≤0.24%；对于厚度大于80～155mm的钢板，Pcm≤0.26%；实际生产控制中，钢板的实际低焊接裂纹敏感系数要明显低于此值[4]。如此低的低焊接裂纹敏感系数，使钢板在车间组装的高拘束、施工安装现场高湿度、在不预热或利用层间温度焊接条件下，保证接头不产生氢致裂纹。

2.2 强韧性匹配

为了满足水电金属构件的承载要求，通过合理利用淬透性指数DI、Mo当量控制，达到屈服强度不小于690MPa，抗拉强度不小于790MPa，同时实现不同厚度钢板在厚度方向上力学性能均匀性；利用（Mn当量）/C、Ni当量、Ca/S等元素组合，实现钢板具有良好的强韧性和低的韧脆转变温度，提高钢板抗开裂和抗裂纹扩展能力（即优良的止裂性）。

2.3 洁净钢成分设计

采用超低硫、超低磷成分成计，即P≤0.010%、S≤0.0020%，并超低控制氢、氧、氮等气体杂质元素，保证钢板具有良好的塑性和低温韧性，具有较低的韧脆转变温度。如此成分设计，也保证钢板具有优良的Z向性能，可满足水电结构T型结构和搭接结构要求。

2.4 不同焊接方法和焊接参数适应性

水电金属构件在车间制作时，可采用手工焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊。在现场组装并焊接时，主要采用手工或半自动焊接。开发钢板，要保证不同焊接接头及其焊接热影响区强度和韧性达到设计技术要求。元素选择时，既要保证钢板的强度，又要保证焊接热影响区在小焊接热输入时不因形成淬硬组织而脆化，又要实现在较大热输入（如埋弧焊）时保证焊接热影响区不因组织软化而形成接头强度降低和晶粒粗化引起的韧性降低[5]。

3 焊接材料国产化

为与宝钢生产的790MPa级B780CF高强钢板达到良好的匹配，用于呼蓄电站钢岔管钢板的焊接，结合施工现场焊接工艺条件与设备，开展配套焊接工艺试验、配套焊接材料筛选、协同四川大西洋焊接材料股份有限公司进行焊接材料开发，实现呼蓄电站钢岔管用钢790MPa级钢板和焊接材料同时国产化，满足大型水电站、抽水蓄能电站钢岔管制造、安装等的要求，开发出具有高塑韧性、低焊接裂纹敏感性的790MPa级低合金高强钢焊条CHE807RH。大西洋CHE807RH焊条设计原则及成果创新性如下：

（1）CHE807RH焊 条 为1.5Mn-0.5Cr-0.5Mo-1.5Ni合金体系，通过熔敷金属合金元素的组合配置，可以有效改善焊缝金属的强度和韧性。保持熔敷金属适宜强度和优良韧性的关键之一是控制Mn与Ni的配比，随着Ni含量的增高，必须降低Mn含量，否则会使焊缝强度过高而降低焊缝塑性和韧性；焊缝金属中含Mo量过高时对冲击不利，因此在满足强度的前提下，应限制Mo含量；Cr是铁素体形成元素，它可使γ区缩小，α区扩大，提高Ac1点，焊缝中含有适量的Cr时可提高焊缝金属冲击功，焊缝含Cr量大于0.40%则显著降低韧性；Ti是强碳化物形成元素，易形成稳定的TiC，Ti的加入即可细化晶粒提高焊缝韧性，又因其固溶于铁素体的脆化作用，抵消细化晶粒对焊缝韧性的有利影响。

（2）通过各种原辅材料合理的配备、试验，设计出一种具有良好操作性能的CaF2-CaCO3-Si2O3-TiO2高碱度渣系，碱度系数达到3.2。设计过程中通过对熔渣的表面张力、黏度的调整，改善熔渣的流动性；通过对熔渣熔点、线膨胀系数等方面的调整，改善渣壳的脱渣性；通过对钾、钠等物质含量的调整，改善了焊条的电弧稳定性[6]。

（3）通过对某些原辅材料进行特殊处理，降低了焊条药皮的结晶水含量，同时加入多种碳酸盐、氟化物等提高脱氢能力降低熔敷金属扩散氢的含量。

4 岔管制造国产化

通过调研已建和在建工程岔管的制造质量、技术指标、国内外岔管制造的技术手段和制造设备能力以及国内岔管制造能力，采取由国内公开招标方式择优选择制造企业，最终决定由国内单位担任呼蓄电站钢岔管的制安工作。受钢岔管外形尺寸及公路运输条件限制，岔管分瓦片在制造厂内下料卷制、组装成型，并通过水压试验后，运往洞内与高压支管焊接成型、混凝土回填等施工。由于强度高、厚度大，岔管瓦片的下料、卷制成型、焊接变形控制和质量控制等难度相当大，本工程厚板加工创造性提出了通过钻孔法加强切割控制、“五段式”卷制法等措施进行质量控制，还设计了压缝专用夹具。另外，钢材的强度越高、厚度越大，其制造和焊接过程中容易出现如焊接变形、焊接裂纹、熔合区脆化等问题[7]。依据呼蓄电站钢岔管的实际情况，明确了钢岔管放样、下料、瓦片卷制、月牙肋焊接、纵（环）缝焊接、岔管整体组装、水压试验、洞内安装及混凝土回填等施工工艺。

5 结束语

（1）呼蓄电站钢岔管是国内额定水头在500m以上首例全面采用国产高强钢制造的，在设计、选材、制造、监测等各方面都进行了深入的分析和研究，呼蓄电站钢岔管经过水压试验、双机甩负荷以及近2年的运行考验，两套钢岔管的各项技术性能指标均达到或超过了设计和规范标准，完全满足电站运行要求。

（2）呼蓄电站高压钢岔管采用国产790MPa级高强钢材及配套焊材，完全由国内设计和制造，开创了高水头、大HD值高压钢岔管全面国产化的先河，拓宽了高水头钢岔管设计、制造和原材料选择范围，为我国抽水蓄能电站钢岔管的设计、选材及制造的国产化发展奠定良好的基础。根据抽水蓄能电站的发展趋势，国内水电站将朝着高水头、大管径的钢岔管发展，高水头、大HD值高压钢岔管的设计、选材、制造将成为普遍面临的难题，呼蓄电站高压钢岔管的成功国产化提供了解决问题思路，其相关成果值得以广泛推广，其经济和社会效益巨大。