国产B950CF与日本HT100水电用高强钢板成分、组织及力学性能比较
吴双辉 $^{1,2}$ ，李景 $^{2}$ ，刘洁 $^{3}$ ，张奎良 $^{2}$ ，葛光男 $^{1,2}$ （1. 哈尔滨大电机研究所有限公司，哈尔滨150040；2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨150040；3. 中国三峡建工（集团）有限公司，成都610095）
[摘要] 随着水电项目的高落差化、大容量化的发展需要，压力钢管趋于巨型化、厚肉化，为进一步降低制造成本，缩短制造工期，从钢板薄壁化、轻量化、高强韧化、焊接可施工性等角度考虑，1000MPa级水电用高强钢板研发及应用已迫在眉睫。本文详细对比分析了国产B950CF与日本HT100水电用高强钢板的成分特点和组织特征，系统对比了其拉伸、冲击、应变时效性能的差异。结果表明，国产B950CF钢板的各项力学性能水平与日本HT100钢板相当，在板厚方向拉伸性能均匀性、应变时效冲击敏感性优于日本HT100钢板，满足高水头、大容量水电项目压力钢管的设计使用要求。
[关键词] 压力钢管；1000MPa级；水电用钢；应变时效
[中图分类号]TK730.5 [文献标志码]A [文章编号]1000- 3983(2024)03- 0103- 07 Comparison in Composition, Structure and Mechanical Properties Between Domestic B950CF and Japanese HT100 High- strength Steel Plates for Hydropower WU Shuanghui $^{1,2}$ ，LI Jing $^{2}$ ，LIU Jie $^{3}$ ，ZHANG Kuiliang $^{2}$ ，GE Guangnan $^{1,2}$
(1. Harbin Institute of Large Electrical Machinery Co., Ltd., Harbin 150040, China; 2. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China; 3. China Three Gorges Construction Engineering Corporation, Chengdu 610095, China)
Abstract: With the development of high head and large capacity of hydropower projects, the pressure steel pipe tends to be giant and thick. To reduce the manufacturing cost and shorten the manufacturing period further, the research and application of 1000MPa class high- strength steel plate for hydropower are urgent from the perspectives of thin- walled steel plate, lightweight steel plate, high- strength toughening, welding constructability, and so on. In this paper, the composition characteristics and microstructure characteristics of domestic B950CF steel plate and Japanese HT100 steel plate for hydropower are analyzed in detail, and the differences in tensile, impact, and strain aging properties are systematically compared. The results show that the mechanical properties of domestic B950CF steel plate are equivalent to those of Japanese HT100 steel plate, and the tensile property uniformity and strain aging impact sensitivity in plate thickness direction are better than those of Japanese HT100 steel plate. Domestic B950CF steel plate can meet the design and use requirements of pressure steel pipe for high head and large capacity hydropower projects.
Key words: pressure steel pipe; 1000MPa class; steel for hydropower; strain aging
0 前言
自上世纪60年代以来，日本抽水蓄能电站将高强钢板用于蜗壳的制造，随着高水头电站的兴建，高
水头、大直径、高 $HD$ 值（ $H$ 为输水系统设计水头， $D$ 为设计水头处压力钢管进口内径）的巨型压力管道越来越多，使用钢板的强度越来越高，从早期的500MPa级逐渐发展应用到1000MPa级。在1999年，日本1000MPa级HT100高强钢板的工艺技术被利用于水电蜗壳用压力钢管上，同时被JESC和电工协会所认证。2005年，日本首次将1000MPa级高强钢板
用于神流川抽水蓄能水电站，其后金居、小丸川水电站也陆续使用了 $1000\mathrm{MPa}$ 级的高强钢板，高级别材料的应用有效降低了原材料重量，减少蜗壳焊缝数量，降低蜗壳焊接成本及工期[14]。相较于日本，我国 $1000\mathrm{MPa}$ 级高强钢板在水电项目上的研发及应用起步较晚[59]。据相关报道，我国压力钢管最高水头已达约 $1300\mathrm{m}$ ， $HD$ 值也超过 $4000\mathrm{m}\times \mathrm{m}$ 以上[10- 13]。高水头、高转速、高效率、大容量是未来我国水电发展的趋势，压力钢管趋于巨型化、厚肉化，与之相对应的蜗壳压力钢管用钢板需要更高强度才能满足设计使用需求。压力钢管的施工及使用环境极为恶劣，钢板在保证高强度的同时，还要兼具低温韧性、冷加工性、良好的焊接性及止裂性。现有的 $800\mathrm{MPa}$ 级钢板
已无法满足设计要求，因此，国产 $1000\mathrm{MPa}$ 级高强钢的研发与应用迫在眉睫
本文对比分析了国产B950CF与日本HT100两种 $1000\mathrm{MPa}$ 级钢板的成分设计和组织特点，系统对比了其拉伸、冲击、应变时效性能的差异，为全面掌握国产 $1000\mathrm{MPa}$ 级水电高强钢板的生产制造水平并早日实现国产化应用提供技术支撑
1 试验材料及成分性能要求
试验采用宝钢生产的 $40\mathrm{mm}$ 和 $80\mathrm{mm}$ 厚的B950CF钢板，日本住友生产的 $50\mathrm{mm}$ 和 $75\mathrm{mm}$ 厚的HT100钢板，其化学成分、力学性能要求见表1和表 $2^{[14]}$
Table (html):
| 钢种 | 厚度t/mm | C的质量分数/% | Si的质量分数/% | Mn的质量分数/% | P的质量分数/% | S的质量分数/% | 其他 | 碳当量/% | 焊接裂纹敏感性指数/% |
| B950CF | t≤80 | ≤0.12 | ≤0.40 | ≤1.50 | ≤0.015 | ≤0.005 | Cu-Cr-Ni-Mo-V-Al-B | ≤0.58 | ≤0.28 |
| HT100 | t≤50 | ≤0.14 | — | — | ≤0.010 | ≤0.005 | Cu-Cr-Ni-Mo-V-Al-B | ≤0.59 | ≤0.29 |
| 50<t>≤0.14 | — | — | ≤0.010 | ≤0.005 | Cu-Cr-Ni-Mo-V-Al-B | ≤0.62 | ≤0.33 | |
[TableCaption: 表1钢板的化学成分]
[TableFootnote: 注： $\mathrm{Ceq} = \mathrm{C} + \mathrm{Si} / 24 + \mathrm{Mn} / 6 + \mathrm{Ni} / 40 + \mathrm{Cr} / 4 + \mathrm{Mo} / 4 + \mathrm{V} / 14(%);\mathrm{Pcm} = \mathrm{C} + \mathrm{Si} / 30 + \mathrm{Mn} / 20 + \mathrm{Cu} / 20 + \mathrm{Ni} / 60 + \mathrm{Cr} / 20 + \mathrm{Mo} / 15 + \mathrm{V} / 10 + 5\mathrm{B}(%)$]
Table (html):
| 钢种 | 厚度t/mm | Rp0.2/MPa | Rm/MPa | A/% | 试验温度 |
| B950CF | t≤50 | ≥890 | ≥950 | ≥13 | ≥70(-60℃) |
| 50<t>≥870 | ≥930 | ≥13 | ≥70(-60℃) | |
| HT100 | t≤50 | ≥885 | 950~1130 | ≥12 | ≥47(-55℃) |
| 50<t>≥885 | 950~1130 | ≥12 | ≥47(-60℃) | |
| 75<t>≥865 | 930~1110 | ≥12 | ≥47(-60℃) | |
[TableCaption: 表2钢板的力学性能]
2 实测结果及对比分析
2.1 化学成分
国产B950CF钢板采取与日本HT100钢板同样的低碳成分设计路线，与日本HT100钢板相比，进一步降低了Si、Mn元素含量，有效降低了钢板焊接热影响区的淬硬倾向，使钢板具有更低的碳当量和更低的焊接裂纹敏感性。适当添加Ni元素含量，使钢板获得高强度的同时兼具良好的冲击韧性。适当添加 $\mathrm{Cr}$ 、Mo、B等增加淬透性的元素，使板厚中心也能保证足够的淬透性。适当添加Mo、V等沉淀硬化元素，保证抗拉强度不低于目标值的要求，最大程度降低P、S等杂质的含量，以保证钢板冲击韧性和良好焊
接性。两种钢板的化学成分对比如图1所示
2.2 金相组织
如图2所示为国产B950CF钢板不同板厚位置典型金相组织。采用低温大压下量的控制轧制TMCP（Thermo Mechanical Control Process）工艺，由于表面冷却速度快，表层晶粒度可达到10.5级，显微组织呈现微细化的拉拔态的马氏体组织，通过细晶强化有效改善表面马氏体组织带来的冲击韧性衰减的趋势，钢板心部板厚1/4晶粒度为8.5级，板厚1/2晶粒度为8级，显微组织呈细小的下贝氏体和回火马氏体的混合组织，有利于提高钢板心部的冲击性能，国产B950CF钢板组织状态与日本HT100钢板基本等同[15]。
[ImageCaption: 图1 化学成分试验结果对比]
[ImageCaption: 图2 典型金相组织500X]
2.3 力学性能
2.3 力学性能按照GB/T228.1《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在25t电子万能拉力机上进行室温拉伸性能试验，不同厚度位置不同方向的拉伸试验结果如图3所示。可以看出，国产B950CF（厚 $40\mathrm{mm}$ 和厚 $80\mathrm{mm}$ ）和日本HT100（厚 $50\mathrm{mm}$ ）钢板从表面到板厚1/2处拉伸和屈服强度未见明显下降，日本HT100（厚
$75\mathrm{mm}$ ）钢板从表面到板厚1/2处拉伸和屈服强度下降明显，国产B950CF钢板板厚方向拉伸性能一致性优于日本HT100钢板。两种钢板的延伸率基本相当。根据日本压力钢管的设计基准，压力钢管用钢板许用应力为 $400\mathrm{MPa}$ ，国产B950CF和日本HT100钢板实物性能均满足抗拉强度安全系数2.35以上和屈服强度安全系数1.8以上的目标要求[16]。
[ImageCaption: 图3钢板拉伸试验结果对比]
按照GB/T229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》在CDB- 300摆锤冲击试验机上进行低温冲击韧性试验，不同厚度位置不同方向的冲击试验结果如图4所示，可以看出，国产B950CF（厚 $40\mathrm{mm}$ 和厚 $80\mathrm{mm}$ ）板厚1/4处冲击性能优于表面和厚1/2处，与日本HT100钢板（厚 $50\mathrm{mm}$ ）板厚方向冲击性能变化趋势基本等同，实物冲击性能均满足目标值要求。国产B950CF和日本HT100钢板冲击性能考核试验温度分别为 $- 60^{\circ}\mathrm{C}$ 和 $- 55^{\circ}\mathrm{C}$ ，均远低于压力钢管实际的服役温度 $(0^{\circ}\mathrm{C})$ ，可保证压力钢管在低温运行条件下具有足够的止裂性能。
2.4 应变时效敏感性
2.4 应变时效敏感性水电项目压力钢管通常需对钢板进行冷弯曲成型，附加 $2%$ 左右的永久形变[17- 20]。为了评价冷弯曲成型对材料力学性能的影响，按表3进行了不同预变形量条件下应变时效拉伸和应变时效冲击试验。应变时效拉伸和应变时效冲击试验方法参照GB/T4160《钢的应变时效敏感性试验方法（夏比冲击法）》，试样分别在WEW- 2000和WE- 300液压万能试验机上进行 $0%$ 、 $2.5%$ 、 $5%$ 的拉伸预变形，经 $250^{\circ}\mathrm{C}$ 加热，保温1h后，空冷至室温，加工成直径 $10\mathrm{mm}$ 标准拉伸试样和V型缺口冲击试样，然后进行室温拉伸性能试验和低温冲击韧性试验。
[ImageCaption: 图4 钢板冲击试验结果对比]
Table (html):
| 钢种厚度t/mm | B950CF | HT100 |
| 40 | 80 | 50 | 75 |
| 取样位置 | 纵向厚1/4 |
| 0%应变时效 | 时效热处理无须变形(原板) |
| 2.5%应变时效 | 时效热处理预变形(保温250℃1h,空冷) |
| 5.0%应变时效 | 时效热处理预变形(保温250℃1h,空冷) |
[TableCaption: 表3 应变时效拉伸和冲击试验条件]
不同预变形量条件下应变时效拉伸性能如图5所示，可以看出，国产B950CF钢板随预变形量增加强度水平明显增加，而延伸率会有下降，与日本HT100钢板应变时效拉伸敏感趋势基本等同，两种钢板在预应变 $5%$ 及以下时，应变时效拉伸性能各项指标仍满足目标值要求。国产B950CF和日本HT100钢板均表现出明显的应变时效拉伸敏感性。
[ImageCaption: 图5 钢板应变时效拉伸试验结果对比]
不同预变形量条件下应变时效冲击性能如图6所示，可以看出，国产B950CF钢板和日本HT100（厚 $50\mathrm{mm}$ ）钢板随预变形量增加冲击功水平基本不变，而日本HT100（厚 $75\mathrm{mm}$ ）钢板随预变形量增加冲击功水
平有所下降，两种钢板在预应变 $5%$ 及以下时，应变时效冲击性能指标仍满足目标值要求。国产B950CF钢板无明显的应变时效冲击敏感性，而日本HT100（厚 $75\mathrm{mm}$ ）表现出明显的应变时效冲击敏感性。
[ImageCaption: 图6钢板应变时效冲击试验结果对比]
3结论
（1）国产B950CF钢板采取与日本HT100钢板同样的低碳成分设计路线，具有更低的Si、Mn等元素含量，表现出更好的焊接性和低焊接裂纹敏感性。
（2）国产B950CF钢板采用TMCP制造工艺使表面产生微细化的拉拔态的马氏体组织，心部产生细小的下贝氏体和回火马氏体的混合组织，组织状态与日本HT100钢板基本等同。
（3）国产B950CF钢板板厚方向拉伸性能一致性优于日本HT100钢板，板厚方向冲击性能变化趋势基本等同，钢板实物性能满足压力钢管服役温度下的安全使用要求。
（4）国产B950CF和日本HT100钢板均表现出明显的应变时效拉伸敏感性，而国产B950CF钢板无明显的应变时效冲击敏感性，日本HT100钢板表现出明显的应变时效冲击敏感性。
[参考文献]
[1] Horikawa K，Watanabe N.Application of extrahigh tensile strength steel for hydropower plants in Japan[C]//Conference on high strength steels for hydropower plants—Takasaki,Japan，2009:1- 8. [2] Aoki K, Minami M. Construction of steel penstocks using HT100 at Kannagawa Hydropower Plant[J].JIS，2009，315(685）：665. [3] 圆口秀治，有持和茂，渡迫望，等．水压铁管（）用高韧性HT980厚钢板の開
[1] Horikawa K, Watanabe N. Application of extrahigh tensile strength steel for hydropower plants in Japan[C]//Conference on high strength steels for hydropower plants—Takasaki, Japan, 2009: 1- 8. [2] Aoki K, Minami M. Construction of steel penstocks using HT100 at Kannagawa Hydropower Plant[J].JIS, 2009, 315(685): 665. [3] 圆口秀治，有持和茂，渡迫望，等．水压铁管（）用高韧性HT980厚钢板の開発[J].J. 2009- 2010. 50mm- HT100- 纵向 5mm- HT100- 纵向 5mm- HT100- 纵向 5mm- HT100- 纵向 5mm- HT100- 纵向 5mm- HT100- 纵向 5mm- HT100- 纵向 5mm- HT100- 纵向 5mm - HT100- 纵向 5mm - HT100- 纵向 5mm - HT100- 纵向 5mm - HT100- 纵向 5mm - HT100- 纵向 5mm - HT100- 纵向 5mm - HT100- 纵向 5mm - HT200- 纵向 5mm - HT200- 纵向 5mm - HT200- 纵向 5mm - HT200- 纵向 5mm - HT200- 纵向 5mm - HT200- 纵向 5mm - HT200- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5cm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纲向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5cm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纲向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2020- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5m - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纵向 5mm - HT2010- 纱向 5mm - HT2010- 纱向 5mm - HT2010- 纱向 5mm - HT2010- 纱向 5mm - HT2010- 纱向 5mm - HT2010- 纱向 5mm - HT2010- 纱向 5mm - HT2020- 纱向 5mm - HT2020- 纱向 5mm - HT2020- 纱向 5mm - HT2020- 纱向 5mm - HT2020- 纱向 5mm - HT2020- 纱向 5mm - HT2020- 纱向 5m - HT2020- 纱向 5mm - HT2020- 纱向 5mm - HT2020- 纱向 5mm - HT2020- 纱向 5mm - HT2020- 纱向 5mm - HT2020- 纱向 5mm - HT2020- 线向 5mm - HT2020- 线向 5mm - HT2020- 线向 5mm - HT2020- 线向 5mm - HT2020- 线向 5mm - HT2020- 线向 5mm - HT2020- 线向 5mm - HT2010- 线向 5mm - HT2010- 线向 5mm - HT2010- 线向 5mm - HT2010- 线向 5mm - HT2010- 线向 5mm - HT2010- 线向 5mm - HT2010- 线向 5m - HT2020- 线向 5mm - HT2020- 线向 5mm - HT2020- 线向 5mm - HT2020- 线向 5mm - HT2020- 线向 5mm - HT2020- 线向 5mm - HT2020- 纱向 5mm - HT2020- 纱向 5mm - 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[收稿日期] 2023- 06- 20
[作者简介]
吴双辉（1987- ），2012年7月毕业于哈尔滨工业大学材料学院焊接技术与工程系，硕士，现从事水轮机、水轮发电机和汽轮发电机用材料的研发与应用，高级工程师。
李景（1983- ）2010年7月毕业于哈尔滨工业大学材料学院焊接技术与工程系，博士，现从事海洋能发电设备的腐蚀与防护研究工作，正高级工程师。（通信作者）
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[收稿日期] 2023- 04- 12
[作者简介]
杨静（1985- ），2013年毕业于中国农业大学，博士，现从事水力机械专业，正高级工程师。