水电站大型压力钢管钢材的选择分析

刘 浩，孔 剑，暨柳华

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

压力钢管是水电站建筑物的重要组成部分，按布置形式一般分为：明管、地下埋管、坝内埋管和坝后背管。由于其起着将水由电站进水口引至水轮机的作用，而承受着较大的内水压力或外水压力以及不稳定水流引起的其它荷载。钢管一旦发生破坏，直接危及到机组、厂房乃至整个电站枢纽的安全。明管单独承受内水压力；地下埋管和坝内埋管由钢衬及围岩或坝体混凝土共同承受内水压力；坝后背管可采用明管由钢管单独受力，也可采用钢衬钢筋混凝土管由钢衬及外围钢筋混凝土共同承受内水压力。

明管与钢衬钢筋混凝土管是为达到同一目的的两条不同的技术路线。由于水电站的规模越来越大，压力钢管的PD值不断增大。明管是靠提高材料强度等级、增加钢板厚度来适应，日本及欧美等国家一般采用这一技术路线；钢衬钢筋混凝土管则是增设外围钢筋混凝土与钢管共同承担内水压力，不以提高材料等级和增加钢板厚度为唯一条件，前苏联地区大多采用这种形式。通常钢材的强度等级越高，材料碳当量越高，焊接性能下降的越多，钢板厚度越大，焊接及热处理难度越大，明管的规模与当今钢材及焊接技术水平密切相关[1]。钢衬钢筋混凝土管所用钢材一般不超过500 MPa级，但钢管外布置有多层钢筋，外围钢筋混凝土的施工也具有相当难度。

无论那一种布置形式，都需要合理选择钢管材料。

1 钢材特性

1.1 钢材的强度指标

钢材的强度指标是指材料的屈服点和抗拉强度，是确定钢管管壁厚度的基本参数。同一特性的钢管，提高钢材强度可减少钢管工程量、减少焊接填充量、降低钢管运输吊装难度。但强度越高，屈强比越大，材料的塑性储备越低，焊接难度也增大[2]。一般来说，500 MPa级以下的钢材屈强比小于0.67，600 MPa级及以上的高强钢屈强比大于0.67，800 MPa级的钢材屈强比达0.85以上。在钢材标准中，一般对屈服点规定最低值，抗拉强度规定一定范围，而钢厂实际试验屈服点和抗拉强度远高于标准值。日本技术标准规定材料的允许应力当屈强比大于0.75，以σs=0.75σb计算允许应力，最新修订的《水电站压力钢管设计规范》[3]规定材料的允许应力当屈强比大于0.7，以σs=0.7σb计算允许应力。美国土木工程师协会《压力钢管设计手册》规定基本允许应力取1/3抗拉强度或2/3屈服强度的最小值。

1.2 钢材的塑性指标

钢材的塑性主要由延伸率体现。我国标准用δ5来表示，δ5是指拉伸试验时试件夹持长度为试件截面直径的5倍时的延伸率。材料延伸率一般在20%左右。延伸率越高，材料的变形的储备越大，塑性越好，冷作硬化的趋势越小。钢管是用钢板在卷板机上卷制成的，在卷制过程中钢管内壁受压，外壁受拉，必然会发生塑性变形。过大的塑性变形后材料的组织和性能将发生变化，这种变化对对钢管结构有不利的一面。所以规范[3]规定对16Mn钢，t≥D/33(即钢管外侧塑性变形t/D≤3%，t为板厚；D为钢管直径)。但对高强钢没有强制性规定，因此在选择高强钢时应注意研究材料对钢管卷板工艺的适应性。

断面收缩率也是材料的一项塑性指标，还可以用来衡量板厚方向受拉钢板的性能。GB5313中有规定，钢板Z向性能级别按照钢材的含硫量及Z向的断面收缩率确定，分为Z15、Z25、Z35等级别。对岔管的加强梁、月牙梁等板厚方向受拉的构件应注意这一要求。

1.3 钢材的韧性指标

钢材的韧性指标是钢材质量标准中一项重要指标，用冲击功或冲击韧性表示。冲击功是规定形状和尺寸的试样在冲击试验力一次冲击作用下折断时所吸收的功(用Ak表示，单位J)，冲击韧性是单位面积的冲击功(用ak表示，单位J/cm2)。钢材韧性指标越高，抗脆断能力越强。选用的钢材在使用条件下应具有足够的韧性储备。我国和日本钢材标准都将冲击值直接列入标准中，而美国标准没有直接列入，由供需双方订货商定。冲击试验条件不同的标准不完全一样。有U型缺口、V型缺口，有纵试件、横试件，现在我国基本统一按V型缺口进行试验[3]。因是试验数据，不同的试验条件没有换算关系。国标《碳素结构钢》、《低合金高强度结构钢》中，冲击韧性指标为V型缺口纵试件的试验条件，《压力容器用钢》中为V型缺口横试件的试验条件，而且对常温、低温冲击韧性指标分别作了规定[4-6]。选择钢管材料的冲击韧性指标，一是要充分考虑工程所在地的温度条件、运行条件及工程重要等级，同时要考虑所选材料可能达到的韧性要求及实际工程的使用情况，并留有足够的韧性储备。

1.4 钢材的化学成分

钢材的化学成分决定了它的力学性能及焊接性能。压力钢管用材要求既保证力学性能又保证化学成分。增加钢中碳的含量，可大大提高强度，但会降低钢的塑性和韧性，恶化可焊性。一般碳素钢含C量不大于0.22%，低合金钢不大于0.18%。Mn、Ni、Cr、Mo、Ti等合金元素可提高钢的强度，对塑性、韧性、抗腐蚀性、冷脆性、可焊性等起不同的作用，因此要对各元素含量加以控制。碳当量(Ceq)、裂纹敏感性系数(Pcm)可大致评价钢的可焊接性。一般Ceq小于0.4%、Pcm小于0.2%的材料具有较好的可焊性；Ceq大于0.4%的钢材不易焊接，但只要严格按焊接工艺评定的焊接规范进行施焊也可顺利完成焊接工作。

2 国内外几个大型压力钢管选材

2.1 大古力水电站

大古力水电站于1933年开工，1941年建成大坝和第一个厂房，1947年建成第二厂房和水泵站，1970年又兴建第三厂房。第一、第二厂房装机33台，总装机容量6 509 MW，第三厂房内装有三台单机容量为600 MW和三台700 MW的机组，总容量为10 309 MW。第三厂房内钢管全长约122 m，最大直径12.2 m，最大板厚50 mm，材料为日本生产ASTM 537CL.1，是压力容器用钢，含碳、硅、锰，采用正火处理的钢板，为细晶粒的奥氏体镇静钢，其化学成分和力学性能见表1、表2，同时还规定按ASTM-A20做附加抗拉试验，并对材料低温冲击韧性作了要求。

表1 ASTM 537CL.1化学成分 %

表2 ASTM 537CL.1力学性能

大古力电站第三厂房压力钢管按1.33倍设计压力分段作了水压试验，对所有的纵环缝进行了射线探伤检查。除安装于下水平段钢管内的二个厚度为76 mm的闷头和和焊接在钢管上的二个直径为1.524 m的检修孔进行了焊后热处理外，其它钢管均未作热处理。

2.2 古里水电站

古里水电站是委内瑞拉卡罗尼河上最大电站，工程分二期建成。初期1963年开工，10条压力钢管，直径7.5 m，总装机容量2 910 MW，1977年全部建成；扩建工程主要包括将原大坝加高50 m，并增建新的重力坝和第二厂房，第二厂房装10台单机容量为600 MW机组，1984年第一台机组投产，1986年全部建成，总装机容量10 060 MW。扩建工程10条压力钢管，钢管直径11.4 m。

古里水电站初期工程钢管材质为ASTM-A201-61T，厚度为16～48 mm，由美国供应；扩建工程为ASTM-A516Gr.70(相当于我国标准的Q235)，厚度为30～58 mm，由日本供应，其化学成分与力学性能见表3、表4。

表3 ASTM A516Gr.70化学成分 %

表4 ASTM A516Gr.70力学性能

ASTM-A516Gr.70为美国中、低温压力容器用碳素钢板，为细晶粒的奥氏体镇静钢。按ASTM标准，板厚小于40 mm为热轧状态，大于40 mm为正火状态。为提高钢材的冲击韧性，改善钢材可焊性和减少热影响区产生微裂纹的可能，所有钢板均进行了正火处理。其性能除满足表4要求外还应符合ASTM-A20中的规定。

1)模拟热处理后机械性能试件，试件从厚度大于38 mm的钢板取得。

2)做附加抗拉试验。根据ASTM-A20规定，在钢板一角取一个抗拉试件作试验外同时应顺钢板延轧方向，在第一取试件位置的对角的钢板上取第二个抗拉试件，其试验结果均应符合要求。

3)V型缺口、横试件在-29℃(-20℉)冲击值不低与2.07 kgf-m。

4)对钢板进行100%超声波探伤检查，符合ASTM-A578中Ⅱ级标准。

钢管在焊接时进行了预热，预热温度和层间温度要求不低于121℃(250℉)。钢管厂内设由大型退火炉，板厚大于38 mm的焊缝(不包括现场环缝)在炉内作。整体消除应力退火，现场环缝进行射线探伤和磁粉探伤检查(板厚大于38 mm)，确保焊缝质量。

2.3 三峡水利枢纽

三峡水利枢纽共装26台机组，单机容量700 MW，总装机容量18 200 MW，采用单管单机引水方式。钢管设计水头139.5m，一条钢管长约122.7 m，直径12.4 m。上平段为坝内埋管，上弯段至下弯段采用钢衬钢筋混凝土管，下平段按明管设计。下弯段以上(不包括下弯段)采用国产16MnR钢材，厚度为28～36 mm，由武钢集团和宝钢集团供货；下弯段及下平段采用600 MPa级低合金高强钢，厚度为36～60 mm，由日本NKK和住友金属供货，钢材牌号为NK-HITEN610U2和SUMITE610F，其订货技术要求见表5、表6。

表5 化学成分 %

表6 力学性能

碳当量要求低于0.42%，裂纹敏感系数Pcm≤0.20%。要求调质状态交货，焊缝热影响区硬度低于350 HV。

所有钢板要求逐张进行力学性能试验，由供方按中国标准《压力容器用钢超声波探伤》的规定在钢厂内进行100%超声波检查，符合Ⅱ级质量标准，钢板的厚度公差按中国标准压力容器用钢板的相应条款执行。对钢板表面质量及几何尺寸也做了要求。同时要求供方明确所提供钢板是否需要焊后消除残余应力处理。供方参照日本有关规范及部分工程实例，对三峡钢管不推荐进行消除残余应力处理。三峡钢管最终进行了爆炸消除焊接应力处理。明管部分，纵缝进行100%超声波检查和不少于50%射线检查，环缝进行100%超声波检查和不少于10%射线检查；埋管及钢衬钢筋混凝土管部分，纵缝进行100%超声波检查和不少于5%的射线检查，环缝进行50%超声波检查，可疑位置射线复查[7]。

2.4 小浪底水利枢纽

小浪底水利枢纽共装有6台容量为300 MW的机组，总装机容量为1 800 MW。共有6条地下埋藏式压力钢管，每条长约190 m，钢管直径7.8 m，材料采用ASTM 537CL.1(同大古力电站)和ASTM 517F(800 MPa级)，钢板厚度为22～34 mm，其化学成分和力学性能见表7、表8。

表7 ASTM 517F化学成分 %

表8 ASTM 517F力学性能

A517F钢焊接时预热120～150℃，层间温度150～200℃，焊完后150～180℃保温2 h。纵缝全长进行100%超声波检查和不少于25%的射线检查；环缝进行100%超声波检查和不少于10%的射线检查。所有角焊缝焊后进行了磁粉或液体渗透法检查[8-9]。

2.5 十三陵蓄能电站

十三陵抽水蓄能电站装机容量4×200 MW，电站采用一管两机供水方式。两条压力钢管主管直径5.2～3 m，支管直径2.7 m，最大内压6.9 MPa。钢管主材采用16MnR、SM570Q、SHY685NS-F三种钢材[10-12]，钢管最大板厚62 mm，其中SHY685NS-F强度等级为800 MPa级，其化学成分及力学性能见表9、表10。

其中，碳当量要求低于0.53%。

2.6 乌东德水电站

乌东德水电站总装机容量为10 200 MW，左、右岸电站引水隧洞采用单机单洞布置形式，各布置6条引水隧洞。左岸1～6号机压力钢管直径13.5 m，经锥管段渐缩为11.5 m，每条压力钢管长55.2 m；右岸7～12号机压力钢管直径12.5 m，经锥管段渐缩为11.5 m，7号机压力钢管长约57.7 m，8～12号机压力钢管每条长55.2 m。经调保计算，钢管最大设计水头为245.5 m(含水锤升压)，HD值为3 314 m2，属于超大型地下埋管。钢管采用780 MPa级高强钢[13-14]，管壁厚度56～64 mm，其化学成分及力学性能见表11、表12。

表11 780 MPa级高强度低合金调质钢板化学成分 %

表12 780 MPa级高强度低合金调质钢板力学性能

此外，为改善钢的性能，可添加其它微量合金元素。要求碳当量Ceq≤0.52%，裂纹敏感性系数Pcm≤0.25%。

2.7 卡洛特水电站

卡洛特水电站采用岸边引水式地面厂房，布置在右岸，装机4台机组，单机容量180 MW，总装机容量720 MW。引水隧洞采用一机一洞引水方式，四条引水隧洞轴线平行布置。压力钢管自引水隧洞上弯段起，由上弯段、斜直段、下弯段、锥管段和下平段组成，之后与机组蜗壳相接。钢管直径Φ9.5 m，在下弯段之后经10 m长的锥管段缩减为Φ7.9 m，1～4号机钢管长度分别为约88.88、86.88、84.88、82.88 m，钢管最大设计水头为116.5 m(含水锤升压)，最大HD值为1 107 m2。钢管采用Q345R钢材，壁厚30～34 mm，其化学成分及力学性能[15]见表13、表14。

表13 Q345R化学成分 %

表14 Q345R力学性能

3 结 语

归整几个国内外水电站大型压力钢管的钢材选择特性，经分析可以得到以下选择要点。

1)选择压力钢管材料需要考虑钢管规模、布置形式、运行环境条件、材料的力学特性和工艺特性及经济性等诸多因素，对大型压力钢管需作深入细致的研究。随着水电站规模的增大，大量使用高强钢是压力钢管的发展趋势。

通过钢种的合理选择，达到经济效果，必须注意到下列基本原则。即充分掌握各种材料的强度特性，以便能针对结构的应力状态充分地利用其强度特性。比如在产生变动应力的地方，由于高强钢的疲劳强度低于其静载强度，且强度越高降低的比例越大，所以在容易产生疲劳的地方，强度高的钢材是没有什么效果的。另外欧拉弹性稳定强度取决于杨氏弹性模量，而不随钢材的抗拉强度和屈服点变化，所以在容易产生欧拉失稳状态的地方，使用高强钢不是好办法。再者，高强钢对切口是敏感的，如果结构设计、制造加工不注意，就容易产生脆性破坏。

高强钢对焊接技术、制造安装水平提出了更高的要求。材料在开发时一般都研究了相匹配的焊接材料，但不同工程的实际使用条件不同，焊接工艺评定尤为重要。钢板选材时应充分考虑这些情况。

2)明管、岔管的主要受力构件的受力复杂，存在较大的轴向应力和环向应力及较大的局部应力，建议采用压力容器钢。压力容器用钢保证了钢板横向冲击韧性，钢板出厂质量检验标准比低合金结构钢更高，且同一强度等级的钢材价格相差不大。

3)焊接残余应力是分布复杂的三向应力，对塑性好的材料一般不影响结构的静载强度，但降低焊接接头的抗疲劳能力。如钢板太厚，对静载强度也有一定的影响。《水电站压力钢管设计规范》规定16Mn和15MnV、15MnTi钢的结构厚度分别超过38 mm和36 mm应在焊接后作消除应力热处理，但对高强钢焊接后作消应处理厚度没有规定。而往往使用高强钢的钢管结构尺寸大，热消应难度相当大，对调质钢热消应如温度控制不好则会破坏钢的高强特性，所以对消应处理构件的条件长期以来存有争议。目前日本规范对高强调质钢要求进行热消应处理的钢板厚度提高到50 mm，我国有几个电站采用了爆炸消应法。如湖北隔河岩电站压力钢管(材料SM58Q，板厚36～46 mm)、三峡钢管(材料NK-HITEN610U2和SUMITE610F，板厚36～60 mm)，还有一些材料为500 MPa级的钢岔管也采用了爆炸消应方法。采用这种消应措施，都是在通过大量的试验研究，证明对钢管母材各项指标无不良影响而且能达到削减焊接残余应力峰值效果的基础上进行的。因此，选择钢管材料，必需充分考虑钢管消应与否及消应方式。