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        海上風(fēng)電導(dǎo)管架用鋼管的JCOE加工制造與性能評(píng)定

        2023-01-04 08:23:18湯世云趙明韋生衛(wèi)旭敏李振華
        焊接 2022年10期
        關(guān)鍵詞:工藝標(biāo)準(zhǔn)

        湯世云,趙明,韋生,衛(wèi)旭敏,李振華

        (1.中海福陸重工有限公司,珠海 519050;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東),青島 266580)

        0 前言

        海上風(fēng)電作為實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵技術(shù)之一,是中國(guó)和世界可再生能源的重要關(guān)注點(diǎn)和新的增長(zhǎng)點(diǎn),具有產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng),帶動(dòng)就業(yè)能力強(qiáng),創(chuàng)新程度高等特點(diǎn),對(duì)提高風(fēng)能資源利用效率,改善能源結(jié)構(gòu),發(fā)展安全能源等具有重大意義[1-3]。

        某公司承接的某海上風(fēng)電導(dǎo)管架建造項(xiàng)目,單套導(dǎo)管架總體組成包括3部分:最上部是過(guò)渡段,中間部分是導(dǎo)管架,最下部是吸力桶(吸力錨)。相比其它海洋工程項(xiàng)目,該海上風(fēng)電導(dǎo)管架項(xiàng)目有更高的設(shè)計(jì)要求:所有主結(jié)構(gòu)選材為BS EN10025-3 S355N/NL和BS EN10025-4 S355M/ML鋼板[4],須滿足-40 ℃下最小沖擊吸收能量34 J的低溫沖擊要求;項(xiàng)目建造及焊接執(zhí)行DNVGL-OS-C401—2018和DNVGL-ST-0126—2018標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。

        1 JCOE成形工藝

        導(dǎo)管腿和拉筋由多種規(guī)格鋼管連接而成,鋼管外徑為770~1 750 mm,壁厚為12.7~70 mm。批量建造多套海上風(fēng)電導(dǎo)管架,焊接工作量極大,采用JCOE鋼管成形焊接工藝,如圖1所示。該工藝的關(guān)鍵成形順序?yàn)椋篔型-C型-O型-預(yù)焊-三絲埋弧焊(SAW)內(nèi)焊-四絲埋弧焊外焊-擴(kuò)徑(E型)[7-10]。

        圖1 J型-C型-O型成形過(guò)程示意圖

        2 導(dǎo)管焊接工藝

        根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-OS-C401—2018[5]進(jìn)行焊接工藝研發(fā),采用熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)打底,SAW填充和蓋面。內(nèi)部SAW單道焊接,根據(jù)管壁厚度不同,外部SAW單道焊或多道焊。由于DNVGL-OS-C401—2018標(biāo)準(zhǔn)[5]中單道焊與多道焊適用厚度范圍不同,評(píng)定指標(biāo)也不完全相同,因此需要對(duì)JCOE制管工藝中SAW單道焊和SAW多道焊分別進(jìn)行焊接試驗(yàn),測(cè)試并分析焊接接頭性能。文中對(duì)兩種不同材質(zhì)的鋼板進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)與接頭性能的測(cè)試。對(duì)于薄壁鋼板,內(nèi)、外部都采用SAW單道焊,文中命名為A試驗(yàn)組;對(duì)于厚壁鋼板,內(nèi)部采用SAW單道焊,外部采用SAW多道焊,文中命名為B試驗(yàn)組。

        2.1 試驗(yàn)材料

        A試驗(yàn)組母材為EN10025-4 S355ML鋼板,規(guī)格為1 080 mm×350 mm×16 mm;B試驗(yàn)組母材為EN10025-3 S355NL鋼板,規(guī)格為1 080 mm×350 mm×25 mm。A和B 兩組母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2。

        表1 母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        表2 母材的力學(xué)性能

        2.2 焊前坡口設(shè)計(jì)

        圖2是A試驗(yàn)組焊接坡口示意圖,坡口角度為內(nèi)90°和外80°,鈍邊Rf=5 mm ± 0.5 mm,組對(duì)間隙G=0.5 mm。圖3是B試驗(yàn)組焊接坡口示意圖,坡口角度為內(nèi)60°和外60°,鈍邊Rf=4~5 mm,組對(duì)間隙G=1 mm。

        圖2 A試驗(yàn)組坡口尺寸和焊道順序

        圖3 B試驗(yàn)組坡口尺寸和焊道順序

        2.3 焊接工藝與焊接材料

        打底焊采用GMAW焊,全自動(dòng)焊與半自動(dòng)焊相結(jié)合。其中中間段采用全自動(dòng)GMAW焊,焊絲直徑1.2 mm,等級(jí)AWS A5.18 ER70S-G,牌號(hào)GML-W58(昆山京群),混合保護(hù)氣體70%Ar+30%CO2;兩端采用半自動(dòng)GMAW焊,焊絲同前,保護(hù)氣體為工業(yè)用100%CO2。填充和蓋面焊采用SAW焊。其中,內(nèi)部焊采用三絲SAW焊,外部焊采用四絲SAW焊,焊材等級(jí)AWS A5.23 F8A8-ENi1,牌號(hào)T Union SA Ni(Bohler/伯樂(lè)),直徑4.0 mm,匹配牌號(hào)為UV C418TT-M的焊劑。兩種焊接材料的化學(xué)成分及其熔敷金屬的力學(xué)性能分別見(jiàn)表3和表4。

        表3 焊接材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        表4 熔敷金屬的力學(xué)性能

        A試驗(yàn)組焊前預(yù)熱溫度30 ℃,最大層間溫度74 ℃,最小蓋面溫度53 ℃;B試驗(yàn)組焊前預(yù)熱溫度34.4 ℃,最大層間溫度135 ℃,最小蓋面溫度51.3 ℃。A和B兩試驗(yàn)組的焊接工藝及主要參數(shù)見(jiàn)表5和表6。A試驗(yàn)組焊接3道次,B試驗(yàn)組焊接4道次。

        表5 A試驗(yàn)組的焊接工藝及主要參數(shù)

        表6 B試驗(yàn)組的焊接工藝及主要參數(shù)

        3 焊接接頭性能評(píng)定

        3.1 性能試驗(yàn)要求

        焊后48 h,對(duì)接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)(NDT),包括100%目視檢測(cè)(VT)、100%磁粉檢測(cè)(MT)和100%超聲波檢測(cè)(UT)。無(wú)損檢測(cè)結(jié)果須滿足ISO 5817-Level B標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)DNVGL-OS-C401—2018[5],ISO-17639和ISO-6892等標(biāo)準(zhǔn)[11-15],對(duì)焊接接頭進(jìn)行宏觀和微觀檢測(cè)、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、低溫沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn),檢測(cè)焊接接頭宏觀和微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

        3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.2.1宏觀形貌

        根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 17639—2003[11]對(duì)焊接接頭進(jìn)行宏觀形貌觀察,A試驗(yàn)組的宏觀形貌如圖4所示,B試驗(yàn)組的宏觀形貌如圖5所示。宏觀形貌試驗(yàn)結(jié)果表明,A和B兩試驗(yàn)組焊接接頭均未出現(xiàn)氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等焊接缺陷,接頭宏觀形貌滿足DNVGL-OS-C401[5]標(biāo)準(zhǔn)的要求。

        圖4 A試驗(yàn)組焊接接頭的宏觀形貌

        圖5 B試驗(yàn)組焊接接頭的宏觀形貌

        3.2.2拉伸測(cè)試結(jié)果

        根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 6892—2019[12]對(duì)焊接接頭進(jìn)行平板拉伸試驗(yàn)。A和B兩組焊接試驗(yàn)件的拉伸測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。

        表7 A和B兩焊接試驗(yàn)組的拉伸測(cè)試結(jié)果

        由拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知,A和B兩組焊接試件拉伸斷裂位置均在母材,表明焊縫的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于母材,且抗拉強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)EN 10025-3 S355NL和EN 10025-4 S355ML的最低抗拉強(qiáng)度要求,滿足DNVGL-OS-C401—2018標(biāo)準(zhǔn)的接收準(zhǔn)則[4-5]。

        3.2.3彎曲試驗(yàn)結(jié)果

        根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO-5173—2016[13]對(duì)焊接接頭進(jìn)行彎曲試驗(yàn),彎曲直徑為40 mm,試驗(yàn)類型為4個(gè)側(cè)彎,彎曲角度為180°。A和B兩試驗(yàn)組彎曲試驗(yàn)件表面無(wú)張開(kāi)的裂紋及裂縫缺陷,彎曲試驗(yàn)結(jié)果合格,滿足DNVGL-OS-C401—2018[5]標(biāo)準(zhǔn)的要求。

        3.2.4沖擊試驗(yàn)結(jié)果

        結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)ISO-148—2016[14]和DNVGL-OS-C401—2018[5]對(duì)焊接接頭進(jìn)行夏比低溫沖擊試驗(yàn),分別從蓋面層的焊縫中心、熔合線和HAZ制取低溫沖擊試樣,試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm,沖擊試驗(yàn)溫度為-40 ℃。A和B兩試驗(yàn)組焊接試驗(yàn)件的沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

        表8 A和B試驗(yàn)組的沖擊測(cè)試結(jié)果(-40 ℃)

        由沖擊試驗(yàn)結(jié)果可知,A和B試驗(yàn)組焊接接頭各位置在-40 ℃沖擊吸收能量的平均值均大于項(xiàng)目規(guī)格書(shū)的接收值34 J,且單個(gè)最小沖擊吸收能量大于平均沖擊吸收能量接收值的70%。由此可見(jiàn),所獲得的焊接接頭低溫沖擊韌性較好。

        3.2.5硬度測(cè)試結(jié)果

        根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-OS-C401—2018[5]和ISO 6507-2016[15]對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試,打點(diǎn)位置如圖6所示。圖7和圖8分別是A和B兩試驗(yàn)組試驗(yàn)件的硬度分布。

        圖6 硬度打點(diǎn)位置示意圖

        圖7 A試驗(yàn)組的顯微硬度分布

        圖8 B試驗(yàn)組的顯微硬度分布

        硬度結(jié)果表明,A組和B組試件焊接接頭的最大硬度值均出現(xiàn)在HAZ,最大硬度值小于325 HV10,滿足DNVGL-OS-C401—2018[5]的接收準(zhǔn)則。

        4 結(jié)論

        (1)文中詳細(xì)介紹了某海上風(fēng)電導(dǎo)管架的焊接工藝方案,包括焊前坡口設(shè)計(jì)、焊接材料選擇、焊道順序、各道次焊接方法及主要工藝參數(shù)。薄壁管采用GMAW封底+SAW三絲內(nèi)焊+SAW四絲外焊;厚壁管采用GMAW封底+SAW三絲內(nèi)焊+SAW四絲填充焊+SAW四絲蓋面焊;GMAW封底焊中間段采用全自動(dòng)工藝,兩端采用半自動(dòng)工藝。

        (2)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-OS-C401—2018分別對(duì)SAW單道焊和SAW多道焊進(jìn)行了宏微觀形貌和力學(xué)性能檢測(cè)。針對(duì)不同板厚的兩組焊接接頭的宏觀形貌、拉伸、彎曲、-40 ℃低溫沖擊、硬度結(jié)果均滿足該項(xiàng)目規(guī)格書(shū)及標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-OS-C401的接收準(zhǔn)則,接頭具有良好的強(qiáng)度及低溫沖擊韌性,滿足各項(xiàng)力學(xué)性能要求。

        (3)文中針對(duì)某寒冷海域風(fēng)電導(dǎo)管架用鋼管研發(fā)的加工制造方案,具有焊接效率高,焊接質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),可推廣應(yīng)用于其他鋼管的加工制造。

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