湖南鋼鐵集團(tuán)技術(shù)研究院有限公司與湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司前期市場(chǎng)調(diào)研及與下游客戶需求對(duì)接發(fā)現(xiàn)，雅魯藏布江超高水頭、大容量水電站迫切需求1 200 MPa超高強(qiáng)度水電鋼?；诖?，兩家公司于2024年6月聯(lián)合湖南科技大學(xué)啟動(dòng)1 200 MPa級(jí)先進(jìn)水電用鋼研發(fā)項(xiàng)目。目前，該項(xiàng)目已順利通過中試實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，成功填補(bǔ)了國內(nèi)該級(jí)別水電鋼研制的空白。
? 一、技術(shù)攻堅(jiān)背景：低碳轉(zhuǎn)型下水電裝備面臨材料極限挑戰(zhàn) 隨著全球能源結(jié)構(gòu)加速向低碳化轉(zhuǎn)型，水電作為高穩(wěn)定性、零碳排放的可再生能源，在實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和 ”戰(zhàn)略目標(biāo)中發(fā)揮著日益重要的作用。近年來， 全球以白鶴灘、溪洛渡為代表的大型水電站及抽水蓄能電站迅速發(fā)展，對(duì)水電機(jī)組關(guān)鍵承壓部件（如水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪 、壓力鋼管 、蝸殼等） 提出了更高的性能要求。 傳統(tǒng)?600~800?MPa?級(jí)水電用鋼難以滿足以下需求：
1.超高水頭與大容量的發(fā)展趨勢(shì)：轉(zhuǎn)輪等部件所承受的水壓與機(jī)械應(yīng)力顯著提升，迫切需要更高強(qiáng)度的鋼材以減薄結(jié)構(gòu) 、降低自重 、提升運(yùn)行效率。
2.極端服役環(huán)境的適應(yīng)性： 在高寒 、高海拔 、強(qiáng)腐蝕性水質(zhì)（含泥沙 、Cl-等）條件下， 材料必須同時(shí)具備高強(qiáng)度 、高韌性及良好的耐腐蝕性能。
3.百年壽命與低維護(hù)成本的要求：服役周期長(zhǎng)，材料需具備優(yōu)異的抗疲勞、抗氫脆 、抗應(yīng)力腐蝕開裂性能， 降低全壽命周期運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)。 因此，1?200?MPa級(jí)水電鋼的研發(fā)將為極端工況下大型水電裝備的高效 、輕量化與長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供材料保障，助力我國高端水電技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主可控與綠色低碳發(fā)展。
二、技術(shù)創(chuàng)新：多維度突破1200MPa級(jí)水電鋼性能協(xié)同難題
湖南鋼鐵集團(tuán)技術(shù)研究院有限公司、湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司以及湖南科技大學(xué)圍繞“高強(qiáng)韌協(xié)同 ”與“優(yōu)良焊接性能 ”兩大核心問題，構(gòu)建了成分—工藝—組織性能協(xié)同調(diào)控技術(shù)體系， 實(shí)現(xiàn)了1200MPa級(jí)高強(qiáng)水電用鋼的關(guān)鍵性能突破（見圖1）。
1.成分設(shè)計(jì)創(chuàng)新—低碳多元微合金化， 兼顧強(qiáng)韌性與可焊性 創(chuàng)新提出低碳多元微合金化設(shè)計(jì)思路，在保證低碳設(shè)計(jì)（w（C）≤0.15%）的同時(shí)，嚴(yán)格控制碳當(dāng)量（Ceq≤0.61%）和焊接裂紋敏感性指數(shù)（Pcm≤0.31%），在提升材料韌性的基礎(chǔ)上，有效降低焊接熱影響區(qū)冷裂紋敏感性，顯著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)服役的整體安全性。通過合理引入Ni（w（Ni）=1.5%~2.0%）、 Cr、Mo 等元素強(qiáng)化馬氏體基體元素，以及 Nb、V、Ti 等微合金元素促進(jìn)納米級(jí)碳氮化物（MX）析出， 兼顧析出強(qiáng)化與晶界凈化， 抑制粗大夾雜物生成， 顯著提升鋼材整體潔凈度和低溫韌性。
2.工藝路徑優(yōu)化—TMCP+UFC?一體化控冷技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)超細(xì)晶?；?構(gòu)建基于控軋控冷（?TMCP）?+超快冷（UFC） 技術(shù)的熱加工工藝體系， 結(jié)合?5:1大壓縮比軋制， 通過奧氏體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和超快冷抑制相變粗化， 實(shí)現(xiàn)晶粒度全面細(xì)化， 有效提升強(qiáng)韌匹配能力。
3.組織調(diào)控創(chuàng)新—鐵素體/馬氏體復(fù)相設(shè)計(jì)， 提升裂紋擴(kuò)展阻力 采用鐵素體/馬氏體復(fù)相組織設(shè)計(jì)， 兼顧裂紋擴(kuò)展阻力與載荷承載能力 。馬氏體提供強(qiáng)度支撐，鐵素體作為韌性相延緩裂紋擴(kuò)展 。同時(shí)優(yōu)化熱處理工藝，抑制脆性?M-A?組元生成， 提升組織穩(wěn)定性。 ?
三、性能突破：多項(xiàng)指標(biāo)創(chuàng)國際領(lǐng)先水平
1.?實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與塑性的協(xié)同優(yōu)化 通過化學(xué)成分的精準(zhǔn)調(diào)控與熱處理工藝的系統(tǒng)優(yōu)化，有效抑制了奧氏體晶粒的異常長(zhǎng)大，促進(jìn)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的細(xì)化析出，從而顯著提升了屈服強(qiáng)度。同時(shí)，微細(xì)化組織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了裂紋鈍化能力與裂紋擴(kuò)展路徑的偏折效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與塑性的協(xié)同提升。如圖2?所示，項(xiàng)目成功研制出屈服強(qiáng)度大于?960 MPa、抗拉強(qiáng)度超過1?250 MPa?、屈強(qiáng)比低于0.80?、伸長(zhǎng)率達(dá)到12%的高性能結(jié)構(gòu)鋼材料， 全面實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與高塑性的協(xié)同優(yōu)化，滿足嚴(yán)苛服役環(huán)境下對(duì)結(jié)構(gòu)材料的性能需求。 ?
2.顯著提升低溫韌性 通過構(gòu)建鐵素體/板條馬氏體復(fù)相組織體系，主要強(qiáng)化相板條馬氏體面積分?jǐn)?shù)約為?70%，維持整體高強(qiáng)度骨架，保障材料的高強(qiáng)度；約25%面積分?jǐn)?shù)的等軸鐵素體均勻彌散分布于馬氏體基體中，作為“韌性緩沖相 ”在局部應(yīng)力集中區(qū)域起到有效的應(yīng)變調(diào)節(jié)作用，顯著提升材料的低溫裂紋擴(kuò)展阻力。M-A?組元面積分?jǐn)?shù)控制在?5%以內(nèi)，其粒徑小 、分布離散， 可有效降低裂紋源的形成幾率， 顯著抑制低溫脆斷敏感性。等軸鐵素體組織的隨機(jī)取向特征，利于多方向塑性協(xié)同變形，提升裂紋偏折路徑復(fù)雜性，較低的KAM?值顯示該區(qū)域發(fā)生了更充分的回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程，有效吸收局部變形應(yīng)力， 增強(qiáng)材料的低溫抗脆斷能力 。整體組織設(shè)計(jì)兼顧了高強(qiáng)、韌性與服役可靠性的均衡優(yōu)化， 研發(fā)出的1 200 MPa級(jí)水電鋼在-40℃極端服役環(huán)境下的沖擊吸收功大于50 J。
3.冷彎加工性能優(yōu)良 通過多相組織的柔性協(xié)同設(shè)計(jì)與晶界結(jié)構(gòu)的合理調(diào)控，顯著提升了鋼材在復(fù)雜應(yīng)變條件下的加工穩(wěn)定性。冷彎試驗(yàn)結(jié)果表明，該鋼材在最小彎曲半徑為板厚?3?倍（D=3d）條件下進(jìn)行?90°冷彎加工時(shí)， 試樣表面無開裂 、無分層 、無剝離等缺陷，展現(xiàn)出優(yōu)異的塑性儲(chǔ)備與應(yīng)力釋放能力。該性能優(yōu)勢(shì)為材料在大型復(fù)雜構(gòu)件制造與現(xiàn)場(chǎng)裝配過程中的高可靠性與廣適應(yīng)性提供了有力支撐。
4.焊接適應(yīng)性優(yōu)異 本鋼種采用低碳+多元微合金化設(shè)計(jì)策略， 可顯著降低焊接過程中裂紋敏感 性。其中碳當(dāng)量（Ceq）控制在?0.61%以下，焊接熱敏感性指數(shù)（Pcm）低于?0.31%， 有效減少了焊接熱循環(huán)引發(fā)的冷裂紋傾向。同時(shí)高比例等軸晶組織、細(xì)小的晶粒及離散分布的?M—A?組元共同作用，可顯著抑制焊接熱影響區(qū)的軟化與脆化傾向，降低焊接殘余應(yīng)力，提升焊縫區(qū)的組織穩(wěn)定性與服役可靠性。該鋼材在復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的高質(zhì)量焊接應(yīng)用中具備卓越的適應(yīng)能力， 具備廣泛的工程推廣價(jià)值。
四、應(yīng)用展望：突破推動(dòng)大型水電機(jī)組輕量化、綠色化轉(zhuǎn)型
1.滿足高強(qiáng)輕量化需求 開發(fā)的1 200?MPa?級(jí)高性能水電鋼， 其屈服和抗拉強(qiáng)度達(dá)到傳統(tǒng)水電鋼 （600~800?MPa） 的1.5~2?倍， 具備優(yōu)異的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 。該類鋼材可 顯著減薄壓力鋼管 、蝸殼等核心受力構(gòu)件的壁厚， 實(shí)現(xiàn)整體減重20%~30%， 在 不降低安全裕度的前提下有效降低設(shè)備自重，提升結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效率與機(jī)械 適配性。特別是在水頭超過?500?m、容量達(dá)到百萬千瓦級(jí)的大型水電機(jī)組中，其 輕質(zhì)高強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)尤為突出，有效支撐高落差、大流量工況下設(shè)備的安全穩(wěn)定 運(yùn)行， 為新一代高效 、大型水電系統(tǒng)提供關(guān)鍵材料保障。
2.保障極端低溫下的運(yùn)行安全 針對(duì)高寒地區(qū)復(fù)雜服役環(huán)境，通過引入?Ni、Cr、Mo?等元素進(jìn)行多元微合金 化設(shè)計(jì)，結(jié)合控軋控冷與復(fù)相組織調(diào)控策略，構(gòu)建了以細(xì)小板條馬氏體為主、等 軸鐵素體彌散分布的韌性緩沖結(jié)構(gòu)。該組織配置顯著增強(qiáng)裂紋擴(kuò)展路徑的偏折能 力與能量吸收能力，在-40℃極端低溫下可實(shí)現(xiàn)1?200?MPa級(jí)水電鋼沖擊吸收功（KV2） ≥50 J。材料在低溫環(huán)境中表現(xiàn)出良好的抗裂紋擴(kuò)展能力與斷裂韌性，確保高寒地區(qū)水電裝備在嚴(yán)苛服役條件下的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有力支撐我 國“西電東送 ”和“水電外送 ”戰(zhàn)略在高緯度區(qū)域的實(shí)施。
3.提升施工效率與制造能力 借助?1?200?MPa?級(jí)鋼材在輕量化設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)， 其在構(gòu)件運(yùn)輸 、現(xiàn)場(chǎng)安裝及焊接過程中均展現(xiàn)出優(yōu)異的適應(yīng)性。輕質(zhì)特性顯著降低構(gòu)件吊裝難度，同時(shí)減小應(yīng)力集中，提升整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在制造環(huán)節(jié)中，高強(qiáng)度鋼可有效減少厚壁構(gòu)件 的焊接道數(shù)與焊接時(shí)間，焊接工作量平均降低約30%，明顯提升施工效率并降低高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。為超大型水電站壓力管道和深遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)制造提供了技術(shù)支撐。
4.?實(shí)現(xiàn)成本與環(huán)保雙重優(yōu)化 盡管1200?MPa?級(jí)水電鋼的單噸材料成本略高于傳統(tǒng)鋼材，但其帶來的減重 效應(yīng)和綜合性能優(yōu)勢(shì)，在全生命周期維度上顯著降低了項(xiàng)目的總成本。運(yùn)輸與現(xiàn) 場(chǎng)焊接環(huán)節(jié)因重量減少和施工簡(jiǎn)化而大幅節(jié)約人力與材料投入，預(yù)計(jì)整體生命周期成本可降低15%~20%。 同時(shí)，通過減薄鋼板和延長(zhǎng)服役壽命，可減少原材料消耗頻率與能耗， 結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)， 每減少1萬t鋼材可對(duì)應(yīng)降低約?500 t?CO2??排放，對(duì)“雙碳 ”戰(zhàn)略目標(biāo)形成實(shí)質(zhì)性支撐。1200?MPa?級(jí)高強(qiáng)鋼的推廣應(yīng)用不僅有助于推動(dòng)重大水利工程的綠色轉(zhuǎn)型，也為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)提供了材料基礎(chǔ)。
