湖南鋼鐵集團技術研究院有限公司與湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司前期市場調研及與下游客戶需求對接發現，雅魯藏布江超高水頭、大容量水電站迫切需求1 200 MPa超高強度水電鋼?；诖耍瑑杉夜居?024年6月聯合湖南科技大學啟動1 200 MPa級先進水電用鋼研發項目。目前，該項目已順利通過中試實驗，產品技術指標達到預期目標，成功填補了國內該級別水電鋼研制的空白。

一、技術攻堅背景：低碳轉型下水電裝備面臨材料極限挑戰

隨著全球能源結構加速向低碳化轉型，水電作為高穩定性、零碳排放的可再生能源，在實現“碳達峰、碳中和 ”戰略目標中發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展，對水電機組關鍵承壓部件（如水輪機轉輪 、壓力鋼管 、蝸殼等） 提出了更高的性能要求。 傳統 600~800 MPa 級水電用鋼難以滿足以下需求：

1.   超高水頭與大容量的發展趨勢：轉輪等部件所承受的水壓與機械應力顯著提升，迫切需要更高強度的鋼材以減薄結構 、降低自重 、提升運行效率。

2.   極端服役環境的適應性： 在高寒 、高海拔 、強腐蝕性水質（含泥沙 、Cl^-等）條件下， 材料必須同時具備高強度 、高韌性及良好的耐腐蝕性能。

3.   百年壽命與低維護成本的要求：服役周期長，材料需具備優異的抗疲勞、抗氫脆 、抗應力腐蝕開裂性能， 降低全壽命周期運維風險。

因此，1 200 MPa級水電鋼的研發將為極端工況下大型水電裝備的高效 、輕量化與長期穩定運行提供材料保障，助力我國高端水電技術實現自主可控與綠色低碳發展。

二、技術創新：多維度突破1 200 MPa 級水電鋼性能協同難題

湖南鋼鐵集團技術研究院有限公司、湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司以及湖南科技大學圍繞“高強韌協同 ”與“優良焊接性能 ”兩大核心問題，構建了成分—工藝—組織性能協同調控技術體系， 實現了 1 200 MPa 級高強水電用鋼的關鍵性能突破（見圖1）。

1.  成分設計創新—低碳多元微合金化， 兼顧強韌性與可焊性

創新提出低碳多元微合金化設計思路，在保證低碳設計（w（C）≤0.15%）的同時，嚴格控制碳當量（C_eq≤0.61%）和焊接裂紋敏感性指數（P_cm≤0.31%），在提升材料韌性的基礎上，有效降低焊接熱影響區冷裂紋敏感性，顯著增強結構服役的整體安全性。通過合理引入Ni（w（Ni）=1.5%~2.0%）、 Cr、Mo 等元素強化馬氏體基體元素，以及 Nb、V、Ti 等微合金元素促進納米級碳氮化物（MX）析出， 兼顧析出強化與晶界凈化， 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.  工藝路徑優化—TMCP+UFC 一體化控冷技術， 實現超細晶?；?/span>

構建基于控軋控冷（ TMCP） +超快冷（UFC） 技術的熱加工工藝體系， 結合 5:1  大壓縮比軋制， 通過奧氏體動態再結晶和超快冷抑制相變粗化， 實現晶粒度全面細化， 有效提升強韌匹配能力。

3.  組織調控創新—鐵素體/馬氏體復相設計， 提升裂紋擴展阻力

采用鐵素體/馬氏體復相組織設計， 兼顧裂紋擴展阻力與載荷承載能力 。馬氏體提供強度支撐，鐵素體作為韌性相延緩裂紋擴展 。同時優化熱處理工藝，抑制脆性 M-A 組元生成， 提升組織穩定性。

圖 1 1 200 MPa 水電鋼研發總思路

三、性能突破：多項指標創國際領先水平

1.   實現高強度與塑性的協同優化

通過化學成分的精準調控與熱處理工藝的系統優化，有效抑制了奧氏體晶粒的異常長大，促進轉變產物的細化析出，從而顯著提升了屈服強度。同時，微細化組織結構增強了裂紋鈍化能力與裂紋擴展路徑的偏折效應，實現了強度與塑性的協同提升。如圖2 所示，項目成功研制出屈服強度大于 960 MPa、抗拉強度超過1 250 MPa 、屈強比低于0.80 、伸長率達到12%的高性能結構鋼材料， 全面實現高強度與高塑性的協同優化，滿足嚴苛服役環境下對結構材料的性能需求。

圖 2 1 200 MPa 水電鋼的拉伸曲線圖

2.  顯著提升低溫韌性

通過構建鐵素體/板條馬氏體復相組織體系，主要強化相板條馬氏體面積分數約為 70%，維持整體高強度骨架，保障材料的高強度；約25%面積分數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 ”在局部應力集中區域起到有效的應變調節作用，顯著提升材料的低溫裂紋擴展阻力。M-A 組元面積分數控制在 5%以內，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取向特征，利于多方向塑性協同變形，提升裂紋偏折路徑復雜性，較低的KAM 值顯示該區域發生了更充分的回復與動態再結晶過程，有效吸收局部變形應力， 增強材料的低溫抗脆斷能力 。整體組織設計兼顧了高強、韌性與服役可靠性的均衡優化， 研發出的1 200 MPa級水電鋼在-40℃極端服役環境下的沖擊吸收功大于50 J。

圖 3 1 200 MPa 水電鋼的 SEM 、EBSD 表征圖

3.  冷彎加工性能優良

通過多相組織的柔性協同設計與晶界結構的合理調控，顯著提升了鋼材在復雜應變條件下的加工穩定性。冷彎試驗結果表明，該鋼材在最小彎曲半徑為板厚 3 倍（D=3d）條件下進行 90°冷彎加工時， 試樣表面無開裂 、無分層 、無剝離等缺陷，展現出優異的塑性儲備與應力釋放能力。該性能優勢為材料在大型復雜構件制造與現場裝配過程中的高可靠性與廣適應性提供了有力支撐。

圖 4 1 200 MPa 水電鋼的冷彎實驗試樣

4.   焊接適應性優異

本鋼種采用低碳+多元微合金化設計策略， 可顯著降低焊接過程中裂紋敏感 性。其中碳當量（C_eq）控制在 0.61%以下，焊接熱敏感性指數（P_cm）低于 0.31%， 有效減少了焊接熱循環引發的冷裂紋傾向。同時高比例等軸晶組織、細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的軟化與脆化傾向，降低焊接殘余應力，提升焊縫區的組織穩定性與服役可靠性。該鋼材在復雜結構部件的高質量焊接應用中具備卓越的適應能力， 具備廣泛的工程推廣價值。

四、應用展望：突破推動大型水電機組輕量化、綠色化轉型

1.   滿足高強輕量化需求

開發的1 200 MPa 級高性能水電鋼， 其屈服和抗拉強度達到傳統水電鋼 （600~800 MPa） 的1.5~2 倍， 具備優異的承載能力和結構穩定性 。該類鋼材可 顯著減薄壓力鋼管 、蝸殼等核心受力構件的壁厚， 實現整體減重20%~30%， 在 不降低安全裕度的前提下有效降低設備自重，提升結構件的動態響應效率與機械 適配性。特別是在水頭超過 500 m、容量達到百萬千瓦級的大型水電機組中，其 輕質高強的性能優勢尤為突出，有效支撐高落差、大流量工況下設備的安全穩定 運行， 為新一代高效 、大型水電系統提供關鍵材料保障。

2.  保障極端低溫下的運行安全

針對高寒地區復雜服役環境，通過引入 Ni、Cr、Mo 等元素進行多元微合金 化設計，結合控軋控冷與復相組織調控策略，構建了以細小板條馬氏體為主、等 軸鐵素體彌散分布的韌性緩沖結構。該組織配置顯著增強裂紋擴展路徑的偏折能 力與能量吸收能力，在-40℃極端低溫下可實現1 200 MPa級水電鋼沖擊吸收功（KV_{2） ≥}50 J。材料在低溫環境中表現出良好的抗裂紋擴展能力與斷裂韌性，確保高寒地區水電裝備在嚴苛服役條件下的安全穩定運行，有力支撐我 國“西電東送 ”和“水電外送 ”戰略在高緯度區域的實施。

3.   提升施工效率與制造能力

借助 1 200 MPa 級鋼材在輕量化設計中的優勢， 其在構件運輸 、現場安裝及焊接過程中均展現出優異的適應性。輕質特性顯著降低構件吊裝難度，同時減小應力集中，提升整體結構穩定性。在制造環節中，高強度鋼可有效減少厚壁構件 的焊接道數與焊接時間，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風險。為超大型水電站壓力管道和深遠海浮式結構制造提供了技術支撐。

4.   實現成本與環保雙重優化

盡管 1 200 MPa 級水電鋼的單噸材料成本略高于傳統鋼材，但其帶來的減重 效應和綜合性能優勢，在全生命周期維度上顯著降低了項目的總成本。運輸與現 場焊接環節因重量減少和施工簡化而大幅節約人力與材料投入，預計整體生命周期成本可降低15%~20%。 同時，通過減薄鋼板和延長服役壽命，可減少原材料消耗頻率與能耗， 結合結構優化設計， 每減少1萬t鋼材可對應降低約 500 t CO₂  排放，對“雙碳 ”戰略目標形成實質性支撐。1 200 MPa 級高強鋼的推廣應用不僅有助于推動重大水利工程的綠色轉型，也為建設資源節約型、環境友好型社會提供了材料基礎。

       來源：湖南鋼鐵集團技術研究院有限公司