海上风电导管架用钢管的JCOE加工制造与性能评定

汤世云，赵明，韦生，卫旭敏，李振华

(1.中海福陆重工有限公司，珠海 519050；2.中国石油大学(华东)，青岛 266580)

0 前言

海上风电作为实现碳中和的关键技术之一，是中国和世界可再生能源的重要关注点和新的增长点，具有产业链长，带动就业能力强，创新程度高等特点，对提高风能资源利用效率，改善能源结构，发展安全能源等具有重大意义[1-3]。

某公司承接的某海上风电导管架建造项目，单套导管架总体组成包括3部分：最上部是过渡段，中间部分是导管架，最下部是吸力桶(吸力锚)。相比其它海洋工程项目，该海上风电导管架项目有更高的设计要求：所有主结构选材为BS EN10025-3 S355N/NL和BS EN10025-4 S355M/ML钢板[4]，须满足-40 ℃下最小冲击吸收能量34 J的低温冲击要求；项目建造及焊接执行DNVGL-OS-C401—2018和DNVGL-ST-0126—2018标准[5-6]。

1 JCOE成形工艺

导管腿和拉筋由多种规格钢管连接而成，钢管外径为770～1 750 mm，壁厚为12.7～70 mm。批量建造多套海上风电导管架，焊接工作量极大，采用JCOE钢管成形焊接工艺，如图1所示。该工艺的关键成形顺序为：J型-C型-O型-预焊-三丝埋弧焊(SAW)内焊-四丝埋弧焊外焊-扩径(E型)[7-10]。

图1 J型-C型-O型成形过程示意图

2 导管焊接工艺

根据标准DNVGL-OS-C401—2018[5]进行焊接工艺研发，采用熔化极气体保护焊(GMAW)打底，SAW填充和盖面。内部SAW单道焊接，根据管壁厚度不同，外部SAW单道焊或多道焊。由于DNVGL-OS-C401—2018标准[5]中单道焊与多道焊适用厚度范围不同，评定指标也不完全相同，因此需要对JCOE制管工艺中SAW单道焊和SAW多道焊分别进行焊接试验，测试并分析焊接接头性能。文中对两种不同材质的钢板进行焊接工艺试验与接头性能的测试。对于薄壁钢板，内、外部都采用SAW单道焊，文中命名为A试验组；对于厚壁钢板，内部采用SAW单道焊，外部采用SAW多道焊，文中命名为B试验组。

2.1 试验材料

A试验组母材为EN10025-4 S355ML钢板，规格为1 080 mm×350 mm×16 mm；B试验组母材为EN10025-3 S355NL钢板，规格为1 080 mm×350 mm×25 mm。A和B 两组母材的化学成分和力学性能见表1和表2。

表1 母材的化学成分(质量分数，%)

表2 母材的力学性能

2.2 焊前坡口设计

图2是A试验组焊接坡口示意图，坡口角度为内90°和外80°，钝边Rf=5 mm ± 0.5 mm，组对间隙G=0.5 mm。图3是B试验组焊接坡口示意图，坡口角度为内60°和外60°，钝边Rf=4～5 mm，组对间隙G=1 mm。

图2 A试验组坡口尺寸和焊道顺序

图3 B试验组坡口尺寸和焊道顺序

2.3 焊接工艺与焊接材料

打底焊采用GMAW焊，全自动焊与半自动焊相结合。其中中间段采用全自动GMAW焊，焊丝直径1.2 mm，等级AWS A5.18 ER70S-G，牌号GML-W58(昆山京群)，混合保护气体70%Ar+30%CO2；两端采用半自动GMAW焊，焊丝同前，保护气体为工业用100%CO2。填充和盖面焊采用SAW焊。其中，内部焊采用三丝SAW焊，外部焊采用四丝SAW焊，焊材等级AWS A5.23 F8A8-ENi1，牌号T Union SA Ni(Bohler/伯乐)，直径4.0 mm，匹配牌号为UV C418TT-M的焊剂。两种焊接材料的化学成分及其熔敷金属的力学性能分别见表3和表4。

表3 焊接材料的化学成分(质量分数，%)

表4 熔敷金属的力学性能

A试验组焊前预热温度30 ℃，最大层间温度74 ℃，最小盖面温度53 ℃；B试验组焊前预热温度34.4 ℃，最大层间温度135 ℃，最小盖面温度51.3 ℃。A和B两试验组的焊接工艺及主要参数见表5和表6。A试验组焊接3道次，B试验组焊接4道次。

表5 A试验组的焊接工艺及主要参数

表6 B试验组的焊接工艺及主要参数

3 焊接接头性能评定

3.1 性能试验要求

焊后48 h，对接头进行无损检测(NDT)，包括100%目视检测(VT)、100%磁粉检测(MT)和100%超声波检测(UT)。无损检测结果须满足ISO 5817-Level B标准要求。根据DNVGL-OS-C401—2018[5]，ISO-17639和ISO-6892等标准[11-15],对焊接接头进行宏观和微观检测、拉伸试验、弯曲试验、低温冲击试验和硬度试验，检测焊接接头宏观和微观结构和力学性能。

3.2 试验结果与分析

3.2.1宏观形貌

根据标准ISO 17639—2003[11]对焊接接头进行宏观形貌观察，A试验组的宏观形貌如图4所示，B试验组的宏观形貌如图5所示。宏观形貌试验结果表明，A和B两试验组焊接接头均未出现气孔、裂纹、未熔合、夹渣等焊接缺陷，接头宏观形貌满足DNVGL-OS-C401[5]标准的要求。

图4 A试验组焊接接头的宏观形貌

图5 B试验组焊接接头的宏观形貌

3.2.2拉伸测试结果

根据标准ISO 6892—2019[12]对焊接接头进行平板拉伸试验。A和B两组焊接试验件的拉伸测试结果见表7。

表7 A和B两焊接试验组的拉伸测试结果

由拉伸试验结果可知，A和B两组焊接试件拉伸断裂位置均在母材，表明焊缝的抗拉强度优于母材，且抗拉强度高于标准EN 10025-3 S355NL和EN 10025-4 S355ML的最低抗拉强度要求，满足DNVGL-OS-C401—2018标准的接收准则[4-5]。

3.2.3弯曲试验结果

根据标准ISO-5173—2016[13]对焊接接头进行弯曲试验，弯曲直径为40 mm，试验类型为4个侧弯，弯曲角度为180°。A和B两试验组弯曲试验件表面无张开的裂纹及裂缝缺陷，弯曲试验结果合格，满足DNVGL-OS-C401—2018[5]标准的要求。

3.2.4冲击试验结果

结合标准ISO-148—2016[14]和DNVGL-OS-C401—2018[5]对焊接接头进行夏比低温冲击试验，分别从盖面层的焊缝中心、熔合线和HAZ制取低温冲击试样，试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm，冲击试验温度为-40 ℃。A和B两试验组焊接试验件的冲击试验结果见表8。

表8 A和B试验组的冲击测试结果(-40 ℃)

由冲击试验结果可知，A和B试验组焊接接头各位置在-40 ℃冲击吸收能量的平均值均大于项目规格书的接收值34 J，且单个最小冲击吸收能量大于平均冲击吸收能量接收值的70%。由此可见，所获得的焊接接头低温冲击韧性较好。

3.2.5硬度测试结果

根据标准DNVGL-OS-C401—2018[5]和ISO 6507-2016[15]对焊接接头进行硬度测试，打点位置如图6所示。图7和图8分别是A和B两试验组试验件的硬度分布。

图6 硬度打点位置示意图

图7 A试验组的显微硬度分布

图8 B试验组的显微硬度分布

硬度结果表明，A组和B组试件焊接接头的最大硬度值均出现在HAZ，最大硬度值小于325 HV10，满足DNVGL-OS-C401—2018[5]的接收准则。

4 结论

(1)文中详细介绍了某海上风电导管架的焊接工艺方案，包括焊前坡口设计、焊接材料选择、焊道顺序、各道次焊接方法及主要工艺参数。薄壁管采用GMAW封底+SAW三丝内焊+SAW四丝外焊；厚壁管采用GMAW封底+SAW三丝内焊+SAW四丝填充焊+SAW四丝盖面焊；GMAW封底焊中间段采用全自动工艺，两端采用半自动工艺。

(2)依据标准DNVGL-OS-C401—2018分别对SAW单道焊和SAW多道焊进行了宏微观形貌和力学性能检测。针对不同板厚的两组焊接接头的宏观形貌、拉伸、弯曲、-40 ℃低温冲击、硬度结果均满足该项目规格书及标准DNVGL-OS-C401的接收准则，接头具有良好的强度及低温冲击韧性，满足各项力学性能要求。

(3)文中针对某寒冷海域风电导管架用钢管研发的加工制造方案，具有焊接效率高，焊接质量稳定的优点，可推广应用于其他钢管的加工制造。