水电工程用钢及焊接材料

 

　　随着水电工程建设的发展，水电工程用钢及其焊接材料种类和焊接方法不断增加，文中根据目前水电工程建设的应用情况，按水工钢结构的不同构造和功能，介绍水电工程用钢材及其焊接材料应用种类和焊接方法，以此作为今后从事类似工作的相关人员的技术参考依据之一。

　　关键词：结构;钢材;焊接材料;焊接方法

　　近年来，我国大型、巨型水电站不断增多、水工金属结构趋于大型化、大尺寸、大体积、大参数等类型不断涌现。钢材类型和焊接材料也层出不穷，新的焊接方法不断涌现。文中概要介绍一些钢材和焊接材料的应用发展情况和采用的焊接方法。

　　1压力钢管

　　1.1钢材

　　常用钢材牌号Q245R，Q345R(Q355B～E)，Q370R(Q390C～E)，Q420C～E，Q460C～E(S460N)，07MnMoVR，07MnNiVDR，07MnNiMoDR，Q690，780MPa高强钢，950MPa高强钢(日本神流川—长野县和群马县2005年首台机发电，470MW×6台=2820MW，日本小丸川—宫崎县2002年首台机发电，300MW×6台=1800MW)。中国水利水电第十四工程局有限公司与郑州国电机械设计研究所有限公司于2011年对1000MPa(即属于抗拉强度下限值950MPa)日本新日铁住金的高强钢钢板及其配供的焊接材料的焊接性能进行了研究。中国水利水电第七工程局有限公司主导，四川西冶新材料股份有限公司、天津大桥焊材集团有限公司共同参与焊接性能研究，于2014—2019年对宝钢国产化生产的B950CF高强钢配合国产化的焊接材料进行焊接性能研究。通过试验研究，焊接性能达到了预期的满意效果。

　　1.2焊接材料

　　(1)常用焊接方法有：焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、埋弧焊。(2)国外焊接材料厂家：日本新日铁住金、韩国现代焊接材料、奥地利柏乐焊接材料、德国蒂森焊接材料、瑞典伊萨焊接材料、澳大利珀斯焊接材料、美国焊接材料。

　　2冲沙管和排沙底孔

　　2.1国内工程钢板和焊接材料

　　(1)国内常用材料：全含碳钢衬或钢衬基层均为Q235B，Q245R，Q355B，Q355C，Q345R。(2)钢衬基层或全含碳钢钢衬，常用焊接材料采用焊条型号E5015，气保焊焊丝型号ER50和埋弧焊丝牌号为H08A，H08MnA，H10Mn2，焊剂牌号为熔炼型HJ431，HJ350或烧结型SJ101。(3)国内钢衬覆层常用不锈钢，06Cr19Ni10(S304)，耐氯离子腐蚀即点腐蚀或称点蚀的06Cr17Ni12Mo2(S316)，022Cr22Ni5Mo3N(瑞典SAF2205)和耐泥沙磨损的04Cr13Ni5Mo(S135)。(4)焊接材料Cr18-Ni8(E308和ER308-焊覆层);Cr18-Ni12(A202，焊丝022Cr19Ni12Mo2，E316和ER316-焊覆层);E2209/ER2209-焊过渡层和覆层;Cr25-N13(A302，A312，A042，E309/ER309)-焊过渡层;04Cr13Ni5Mo焊丝+热处理，如焊丝ER410NiMo。

　　2.2国外工程钢衬覆层用耐磨钢(耐磨硬质合金)

　　(1)钢衬覆层，采用国内耐磨钢，选用现行国家标准GB/T24186—2009《工程机械用高强度耐磨钢板》规定的，NM300，NM360，NM400，NM450，NM500，NM550，NM600作覆层。(2)德国耐磨钢Brinar400Cr(即XAR400)作钢衬覆层，如尼罗河上苏丹麦洛维水电站。(3)苏丹罗塞雷斯大坝加高工程，于2008年开始进行该大坝加高工程实施。钢衬覆层采用澳大利亚珀斯国际合金公司(耐磨硬质合金)ArcoAlloy1600(HRC60～HRC62)，基层ASTMA283相当于我国的Q235钢。耐磨合金状态如图1及图2所示，化学成分见表1，典型标称硬度：HV698～HV740(HRC60~HRC62)。耐磨合金复合板供货时，局部就有龟裂或裂纹如图3及图4所示。咨询工程师说，覆层耐磨合金裂纹不影响使用，不需进行消除裂纹处理。钢衬基层，焊接材料采用国产标准，E5015(即美标AWS型号E7015)，焊条直径：3.2～4.0mm。钢衬过渡层，焊接材料采用澳大利亚珀斯材质牌号Cobalarc750，焊条直径：4.0mm。钢衬覆层盖面，焊接材料采用自保护药芯焊丝，牌号Stoody101HC-Owire，焊丝直径：1.6mm。

　　3机组埋件(转轮室，尾水管、座环、蜗壳、机坑里衬)

　　(1)卧式冲击机组的蜗壳、冲击式机组转轮室或轴流转桨式机组的混凝土蜗壳永久模板、贯流式机组的管形座、混流式机组尾水管的肘管及机坑里衬，常用钢板牌号为：Q235B，Q245R，Q355B，Q355C和Q345R。机组尾水肘管如图5所示。(2)轴流转桨式机组座环，材质常为Q355B，Q355C，Q355D，S355，20SiMn。(3)轴流转桨式机组转轮室、混流式机组尾水管的锥管，常用不锈钢为04Cr13Ni5Mo(S135)，06Cr19Ni10(S304)，06Cr17Ni12Mo2(S316)。其外壁加强肋材质为Q235B，Q245R，Q355B，Q355C，Q355D和Q345R。其锥管与肘管、肋与其外壁等异质母材的焊接均采用Cr25-Ni13型不锈钢焊接材料。(4)混流式机组的座环，座环环板多为S355，S500，Q355，20SiMn等。座环固定导叶材质为S355，S500，S550，Q355。座环碟形边(过渡边)材质为S355，Q355，S500，S550和610MPa高强钢。(5)混流式机组蜗壳材质选用Q245R，Q345R(Q355B～E)，Q370R(Q390C～E)，Q420C～E，Q460C～E(S460N)，07MnMoVR，07MnNiVDR，07MnNi-MoDR，780MPa高强钢等。座环如图6所示，蜗壳如图7和图8所示。(6)混流式机组筒阀材质为Q245B，Q355B钢，其导向条采用螺栓连接或焊接。导向条位置或在筒阀上或在固定导叶上，导向条材质为不锈钢和青铜。若采用焊接，不锈钢的焊接方法多为焊条电弧焊、MAG半自动实心焊丝气保焊、CO2或MAG半自动药芯气保焊;青铜的焊接方法为半自动MIG焊和手工TIG焊，注意应不预热焊接，可冷焊。

　　4水轮机转轮

　　水轮机转轮常用材质为不锈钢ZG04Cr13Ni4Mo，04Cr13Ni5Mo钢。焊接方法用焊条电弧焊、MAG半自动实心焊丝气保焊、CO2或MAG半自动药芯焊丝气保焊。某水轮机转轮如图9所示。制造、安装中，应防止铁离子污染。

　　5定子、转子及上下机架等发电机钢骨架

　　其钢骨架，目前多为Q355B(C)钢。焊接方法多为焊条电弧焊、MAG半自动实心焊丝气保焊、CO2或MAG半自动药芯焊丝气保焊。

　　6闸门门叶、闸门埋件及启闭机机架

　　(1)闸门门叶的焊接结构用材质为Q235B，Q355B，Q390B钢。国外某些潜孔式弧门面板，采用奥氏体或马氏体不锈钢材质或不锈钢复合钢板制作，或由复合板制造厂供货不锈钢复合钢板或钢闸门制作厂采用塞焊复合。门叶设计主要是控制闸门门叶主梁刚度和防失稳。(2)闸门门槽埋件，其结构形式主要分两类：焊接件和铸钢件。焊接件材质选用Q235B，Q355B钢等，其水封座板和轨道踏面均选用不锈钢，如06Cr19Ni10(S304)，06Cr17Ni12Mo2(S316)。铸钢件主要用于制作承受压力的主轨。材质常用为碳素铸钢ZG270-500，ZG310-570，ZG340-640等和中碳合金铸钢ZG35Cr1Mo，ZG42Cr1Mo等。铸钢主轨道与护角等轧制件的连接，目前多为螺栓连接，个别仍采用异质不锈钢(Cr25-Ni13型)焊接材料焊接。国外门槽埋件，大多都是焊接件，其焊接件与水或大气接触的外露部位多为不锈钢或不锈钢复合钢板。其不锈钢材质为06Cr19Ni10(S304)，06Cr17Ni12Mo2(S316)，022Cr22Ni5Mo3N(2205)。(3)闸门门叶定论、启闭机行走轮、弧门铰座和压力钢管流道的阀门(高水头用球阀，中水头和低水头用蝶阀)等主体多为铸钢件。定轮、行走轮和铰座等所用轴承材质多为内套铜基镶嵌或聚四氟乙烯，内外壳体为合金钢(国内)和不锈钢(国外)的关节轴承(又称自润滑球面轴承)标准件。阀门内腔和阀芯材质为不锈钢。定论主体、阀门主体铰座主体，其材质主要为碳素铸钢ZG270-500，ZG310-570，ZG340-640等和中碳合金铸钢ZG35Cr1Mo，ZG42Cr1Mo等。国外也有用滚动轴承的，其材质为轴承合金钢或不锈钢。小跨度闸门定轮轴承，也有用铸造青铜轴套或铜基镶嵌的复合轴套。(4)水电站用启闭机分固定卷扬式启闭机、液压启闭机、移动式启闭机(含门机和移动台车)和螺杆式启闭机。其采用焊接机架，材质常为：Q235B，Q355B。当机架上为奥氏体不锈钢护栏时，护栏立柱脚与含碳钢之间的焊接，应选用不锈钢Cr25-Ni13焊接材料。另外一类、二类主要受力焊缝和承受疲劳载荷的焊缝，不得采用纯CO2气体实心焊丝进行气体保护焊焊接。

　　7结语

　　通过对水工金属结构的结构形式、主材、焊接材料和焊接方法的应用情况介绍，从而对从事本行业的人员，如何选择主材材质、选择焊接材料和采用什么焊接方法，具有一定的指导意义和借鉴参考作用，可防止质量事故的发生，并可降低施工成本。

　　作者：周建平 万天明 单位：中国水利水电夹江水工机械有限公司 中国水利水电第七工程局有限公司

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