侯 博，趙 毅

（中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

1 工程概況

中國水力資源十分豐富，主要分布在西南地區(qū)的西藏、四川和云南等省份的主干河流上。中國可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中提到：水電總裝機(jī)容量在2020年達(dá)到3.8 億kW，其中常規(guī)水電3.4 億kW，抽水蓄能4 000萬kW。隨著水電工程建設(shè)向青藏高原地區(qū)擴(kuò)展，以及抽水蓄能電站的大規(guī)模建設(shè)，高水頭、大裝機(jī)容量、大HD值的電站建設(shè)越來越多，逐步成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

白鶴灘水電站作為僅次于三峽工程的國內(nèi)第二大水電站，位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，電站總裝機(jī)容量為16 000 MW。引水系統(tǒng)布置方式為單洞單機(jī)式，每岸8條，由5段組成：起始為上平、上彎兩段，后接豎井段，最后為下彎、下平兩段。從上平段尾部開始的壓力管道均采用鋼板襯砌，單洞全長(zhǎng)為236.40～242.40 m，每岸8條壓力鋼管總長(zhǎng)1 921.18 m。壓力鋼管內(nèi)徑10.2～8.6 m，流速6.7～9.4 m/s。8 條壓力鋼管均采用垂直進(jìn)廠，與機(jī)組蝸殼延伸段相接。白鶴灘水電站引水壓力鋼管總工程量3.89萬t，其中800 MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼（屈服強(qiáng)度690 MPa）1.01萬t，鋼板最大厚度68 mm，采用鞍鋼生產(chǎn)的SX780CF水電用調(diào)質(zhì)鋼板，制造、安裝規(guī)模為國內(nèi)水電領(lǐng)域國產(chǎn)800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼規(guī)模性應(yīng)用的首例。

2 壓力鋼管設(shè)計(jì)

2.1 基本地質(zhì)條件

電站左岸壓力鋼管豎井位于P2β23～P2β41巖流層內(nèi)。P2β32層、P2β33層主要為第一、二類柱狀節(jié)理玄武巖，柱狀節(jié)理傾角較陡。P2β23層、P2β31層、P2β34層、P2β35層以杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、隱晶玄武巖為主，P2β41層底部發(fā)育第三類柱狀節(jié)理玄武巖。電站右岸壓力鋼管豎井位于P2β61～P2β34巖流層內(nèi)。P2β61層主要為第一、二類柱狀節(jié)理玄武巖，柱狀節(jié)理傾角較陡。P2β34層、P2β41層、P2β42層、P2β51層以杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、隱晶玄武巖為主，P2β41層底部發(fā)育第三類柱狀節(jié)理玄武巖。Ⅲ類圍巖彈性抗力系數(shù)取4 N/mm3，柱狀節(jié)理、Ⅳ類圍巖彈性抗力系數(shù)取2 N/mm3。

圖1 壓力鋼管縱剖面典型布置圖Fig.1 Longitudinal section of penstock

2.2 計(jì)算原則

（1）考慮廠房開挖松動(dòng)圈的影響，廠房上游邊墻上游-0.65～8.15 m段（L=8.8 m）按明管設(shè)計(jì)，鋼管承擔(dān)其所有內(nèi)水壓力，以明管抗力限值作為鋼板抗力限值。

（2）考慮下平段施工支洞開挖松動(dòng)圈的影響，廠房上游邊墻上游8.15～30 m段下平段（L=21.85 m）及高程574.21 m 以下的下彎段（L=16.13 m）按半埋管設(shè)計(jì)，不計(jì)圍巖彈性抗力，鋼板抗力限值取埋管抗力限值。

（3）高程574.21 m以上至鋼襯起點(diǎn)之間的鋼管（L=188.67 m）按埋管設(shè)計(jì)。

（4）壓力鋼管結(jié)構(gòu)計(jì)算以運(yùn)行期的內(nèi)水壓力（包括水錘）設(shè)計(jì)鋼管壁厚，以檢修期的外水壓力進(jìn)行鋼管抗外壓穩(wěn)定計(jì)算。

（5）為避免焊后消應(yīng)處理，Q345R 鋼板厚度超過38 mm，則跳檔為600 MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼；600 MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼厚度超過48 mm，則跳檔為800 MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼。

（6）盡量歸并鋼板厚度，減少鋼板規(guī)格?？紤]到開坡口工藝的復(fù)雜性與焊接難度，彎管段和直管段相鄰鋼管管壁厚度差均不應(yīng)超過4 mm，若直管段管壁厚度差大于4 mm，則應(yīng)按照規(guī)范要求開坡口。

（7）考慮銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差，銹蝕裕量c=2 mm。

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)NB/T 35056-2015《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算鋼管壁厚。

經(jīng)計(jì)算：高程574.21 m以下的下彎段及下平段800 MPa 級(jí)壓力鋼管壁厚52～68 mm；加勁環(huán)高200 mm、厚28 mm、間距1 500 mm。

3 壓力鋼管的生產(chǎn)與安裝

3.1 生產(chǎn)

SX780CF生產(chǎn)工藝技術(shù)路線為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF（鋼包精煉爐）喂SiCa 線→RH（或VD）→微Ti 處理→B 合金化→連鑄（電磁攪拌、輕壓）→緩冷→板坯清理→板坯加熱→軋制→矯直→堆垛緩冷→（淬火+回火）→探傷→切尺→檢查、檢驗(yàn)→繳庫。

3.2 運(yùn)輸

鋼板運(yùn)輸主要從壩址上游的葫蘆口進(jìn)入工地。葫蘆口大橋可通過省道分別至四川省的西昌市和攀枝花市、云南省的昆明市和昭通市等地。其中從葫蘆口至西昌和東川現(xiàn)有公路等級(jí)為三級(jí)或二級(jí)，里程分別約158 km 和113 km，路況較好，是主要對(duì)外通道，兩地均有鐵路通達(dá)。

從葫蘆口至樞紐工程建設(shè)區(qū)現(xiàn)有左、右岸低線沿江公路相連接。左岸沿江公路路基寬6.5 m，路面寬6.0 m，瀝青碎石路面；右岸沿江公路路基寬4.5 m，路面寬3.5 m，設(shè)置錯(cuò)車道和雙車道路段的路基寬6.5 m，路面寬6.0 m，瀝青碎石路面。

從葫蘆口至樞紐工程建設(shè)區(qū)的進(jìn)場(chǎng)專用公路（三級(jí)公路，全長(zhǎng)約28.5 km）位于左岸，已在2015年底具備通車條件。專用公路設(shè)計(jì)速度40 km/h，路基寬9.5 m，行車道寬8.0 m，橋涵荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-Ⅰ級(jí)、掛-300級(jí)，隧道凈高5.0 m（中部4.5 m范圍凈高5.3 m）。

3.3 質(zhì)量控制

鋼板尺寸、外形及允許偏差應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 709-2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》的規(guī)定，其中，800 MPa 鋼板的厚度允許偏差應(yīng)符合C類偏差?；瘜W(xué)成分、力學(xué)性能及工藝特性應(yīng)滿足三峽公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CTG 99-2017《水電工程780 MPa級(jí)壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》。

鋼板表面質(zhì)量檢查按GB 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。800 MPa 級(jí)鋼板出廠前應(yīng)參照J(rèn)B/T 4730.3-2016《超聲檢測(cè)承壓設(shè)備無損檢測(cè)》進(jìn)行超聲波法探傷檢查，且應(yīng)逐張檢查，確認(rèn)達(dá)到Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

800 MPa 鋼板到達(dá)白鶴灘水電站工地后，由賣方、買方、制作安裝單位有關(guān)技術(shù)人員共同組成抽樣檢驗(yàn)小組進(jìn)行聯(lián)合抽檢。表面質(zhì)量、尺寸、外形應(yīng)逐張檢查，對(duì)加長(zhǎng)板進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能取樣檢驗(yàn)，超聲波檢驗(yàn)按到貨數(shù)量的20%進(jìn)行抽檢。

3.4 焊接

800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼制造壓力鋼管管體布置在下平段和部分下彎段，具有管壁厚、關(guān)節(jié)多的特點(diǎn)，左右岸共296 節(jié)，管壁最厚為68 mm。鋼材具有相當(dāng)復(fù)雜的合金化體系，并含有較高的金元素，有較大屈強(qiáng)比，供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)狀態(tài)。SX780CF材料具有低溫沖擊性能要求高、焊接裂紋敏感系數(shù)高、碳當(dāng)量大的特點(diǎn)，淬硬傾向大的情況下很可能導(dǎo)致焊接區(qū)域出現(xiàn)冷裂紋，嚴(yán)重影響焊縫的沖擊韌性指標(biāo)。因此，施工期間應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)鋼材冷裂傾向，嚴(yán)格要求層間及預(yù)熱溫度、最佳焊接線能量的確定范圍及其控制。

焊接工藝選擇全自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）和焊條電弧焊（SMAW）焊接壓力鋼管縱縫，選擇SMAW進(jìn)行加勁環(huán)對(duì)接縫和安裝環(huán)縫的施工。焊接工藝評(píng)定共做了兩組試驗(yàn)，試板為厚52 mm的SX780CF鋼板。試板開設(shè)不對(duì)稱“X”型坡口，小坡口側(cè)與大坡口側(cè)角度分別為58°±2°和46°±2°，對(duì)口間隙2 mm，鈍邊2～3 mm。操作技術(shù)如下：先對(duì)大坡口側(cè)進(jìn)行焊接，按順序焊接7層后使用碳弧氣刨進(jìn)行小坡口側(cè)清根，完成小坡口側(cè)的所有焊接工作后再完成大坡口剩余焊接工作。焊接時(shí)用SMAW 焊接打底及填充層，用GMAW 焊接焊縫蓋面層。評(píng)定結(jié)果為：試板MT、TOFD、UT、探傷合格，焊縫沖擊功在相關(guān)規(guī)范要求范圍內(nèi)，彎曲試樣無開裂現(xiàn)象，韌性儲(chǔ)備較多。

對(duì)進(jìn)廠后的800 MPa 級(jí)鋼板進(jìn)行100%UT 復(fù)探，以批號(hào)順序依次送檢。坡口制備時(shí)，用高效的專用坡口機(jī)對(duì)火焰切割預(yù)留的2～3 mm余量進(jìn)行機(jī)械銑削加工，以改善管節(jié)裝配質(zhì)量。焊接時(shí)應(yīng)時(shí)刻保證坡口干燥清潔，嚴(yán)格管理焊接材料，焊接時(shí)采用多道措施，如控制預(yù)熱、層間、后熱溫度，控制焊接線能量，采用分層退步多層多道焊等，成功防止了焊縫中冷裂縫的出現(xiàn)。白鶴灘水電站壓力鋼管800 MPa級(jí)已完成施工，Ⅰ類縱縫UT、TOFD、MT檢查一次合格率99.9%，二次復(fù)查合格率100%，所有焊接接頭的力學(xué)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

白鶴灘水電站已完成下閘蓄水及壓力管道充排水試驗(yàn)，左右岸部分機(jī)組已通水發(fā)電，從巡視情況及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，壓力鋼管荷載及材料參數(shù)取值合理，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。白鶴灘壓力鋼管800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼設(shè)計(jì)，應(yīng)用實(shí)例對(duì)類似工程具有一定的參考、借鑒意義。