王紀(jì)賓 孫大偉 耿殿營(yíng) 韓彥慶 陳祥華

（海洋石油工程（青島）有限公司，青島 266520）

隨著全球開(kāi)始推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型，海上風(fēng)電概念成為重要關(guān)注點(diǎn)。2022 年，全球新增裝機(jī)約為8.8 GW，國(guó)內(nèi)新增裝機(jī)約為5.1 GW，在全球占比超過(guò)50%。目前，近海資源開(kāi)發(fā)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展，但是也存在資源競(jìng)爭(zhēng)大、用海矛盾激烈等問(wèn)題，未來(lái)的儲(chǔ)量受限。相對(duì)近海而言，深遠(yuǎn)海域具備的風(fēng)資源條件更優(yōu)，平均風(fēng)速為8～10 m·s-1，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量超過(guò)20 億kW，技術(shù)先導(dǎo)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)體量大，開(kāi)發(fā)潛力巨大。隨著水深的增加，浮式風(fēng)電成本低于傳統(tǒng)的固定式，因此浮式風(fēng)機(jī)是目前開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)海深水風(fēng)能最經(jīng)濟(jì)的選擇。只要具備開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性，海上風(fēng)電從近海向深遠(yuǎn)海發(fā)展是必然趨勢(shì)。

浮式海上風(fēng)電技術(shù)是深遠(yuǎn)海風(fēng)資源開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，漂浮式基礎(chǔ)支撐上部風(fēng)機(jī)，通過(guò)系泊系統(tǒng)與海床連接，適用范圍更廣[1]。目前，國(guó)內(nèi)漂浮式海上風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目?jī)H有“三峽引領(lǐng)號(hào)”和中國(guó)海裝“扶搖號(hào)”。中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司主導(dǎo)建造的文昌深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電平臺(tái)浮體是國(guó)內(nèi)首個(gè)深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電項(xiàng)目，可以作為一種綠色電力替代，有效降低油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的碳排放。目前，該風(fēng)電項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電并經(jīng)受住臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)，證明其整體設(shè)計(jì)建造具備合理性和穩(wěn)定性[2]。

文昌風(fēng)電項(xiàng)目為浮式基礎(chǔ)風(fēng)電項(xiàng)目，如圖1 所示，其主體結(jié)構(gòu)為風(fēng)機(jī)、塔筒及下方浮式基礎(chǔ)，塔筒底部與浮式基礎(chǔ)之間采用配對(duì)法蘭螺栓連接。文章介紹了浮式風(fēng)電結(jié)構(gòu)中浮式基礎(chǔ)中心立柱塔筒法蘭整體安裝流程和要求，以期為同類項(xiàng)目中法蘭安裝提供工藝參考。

圖1 文昌浮式風(fēng)電項(xiàng)目整體圖

1 法蘭基本信息

浮式基礎(chǔ)頂部法蘭為典型的雙排螺栓孔T 型法蘭，塔筒法蘭位于中心立柱分段頂部，法蘭支撐結(jié)構(gòu)與底部中心立柱連接。法蘭設(shè)計(jì)最大直徑為8 610 mm，垂直高度為254 mm，制作標(biāo)準(zhǔn)為《風(fēng)力發(fā)電塔架 法蘭鍛件》（JB/T 11218—2020），設(shè)計(jì)材質(zhì)為Q355NEZ35材料。法蘭整體預(yù)制精度在一定程度上決定了安裝精度，表1 為典型的法蘭預(yù)制精度要求。在入場(chǎng)及安裝前應(yīng)再次檢查尺寸精度，避免由于貨物的運(yùn)輸、存儲(chǔ)、吊裝等過(guò)程造成精度偏差，影響后續(xù)的安裝工序。

表1 法蘭制作精度要求

2 法蘭安裝

2.1 塔筒中心立柱分段精度控制

浮式基礎(chǔ)頂部法蘭與底部法蘭連接支撐主要通過(guò)焊接連接。施工中，需要嚴(yán)格控制法蘭在運(yùn)輸、吊裝、安裝焊接過(guò)程中產(chǎn)生的變形，避免超差導(dǎo)致后續(xù)與上部風(fēng)機(jī)底部法蘭對(duì)接安裝失敗。圖2 為中心立柱頂部分段焊后尺寸測(cè)量點(diǎn)示意，其中最重要的是要保證法蘭下部連接的立柱分段頂部的法蘭連接支撐精度。分段頂部的水平度要求最大為3 mm，圓度最大不超過(guò)6 mm，平面度不大于2 mm。需要注意的是，水平度主要參考塔架技術(shù)規(guī)范中風(fēng)筒上下端的平行度，用于確保安裝后整體的水平度。預(yù)制結(jié)束后，可以根據(jù)精度檢查結(jié)果采用打磨修正的方式達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖2 中心立柱頂部分段焊后測(cè)量點(diǎn)

由于焊接過(guò)程對(duì)于組對(duì)錯(cuò)皮精度要求較高，為了保證分段頂部圓形鋼板底座與法蘭連接錯(cuò)皮不超標(biāo)，法蘭支撐拼接后需要保證圓度公差在6 mm 以內(nèi)。法蘭支撐鋼板壁厚為70 mm，預(yù)制成型后圓度二次調(diào)整難度大，總裝階段對(duì)上端面圓度影響較小。圓度需要在預(yù)制階段精確控制，是分段預(yù)制階段的關(guān)注重點(diǎn)。分段頂部平面度主要是為了保證法蘭對(duì)焊時(shí)，組對(duì)間隙符合要求。

2.2 塔筒中心立柱法蘭安裝焊接

法蘭支撐主要是由三瓣圓弧鋼板拼焊，其壓彎和對(duì)焊階段的精度控制是預(yù)制階段的重點(diǎn)，因此現(xiàn)場(chǎng)需要用弧形樣板檢查，以保證曲面弧度的均勻性。三瓣圓弧板對(duì)焊時(shí)，焊接收縮變形集中在焊接區(qū)域。圓弧板組對(duì)后，采取如圖3 所示的米字形支撐固定整體結(jié)構(gòu)，檢查尺寸符合要求后開(kāi)展縱縫焊接。采取對(duì)稱焊接方式，3 處縱縫同時(shí)焊接施工。需要注意的是，法蘭支撐外側(cè)并沒(méi)有其他支撐結(jié)構(gòu)，因此焊接完成去除米字支撐時(shí)，必須采取對(duì)稱切割方式，以有效避免去掉剛性固定支撐后整體結(jié)構(gòu)發(fā)生波浪變形。移除剛性固定支撐后需要測(cè)量結(jié)構(gòu)的整體精度，確定橢圓度及上表面平整度。實(shí)際施工成果表明，采取以上控制措施可以有效控制變形，橢圓度和表面平整度基本無(wú)變化。

法蘭支撐板焊接壁厚為70 mm，常規(guī)的國(guó)內(nèi)海洋油氣平臺(tái)建造中一般要求采取焊后熱處理工藝[3]。但是，法蘭外徑尺寸較大，一方面需要投入的熱處理設(shè)備較多，而且焊后消應(yīng)力過(guò)程中電加熱溫度為600 ℃左右，熱處理過(guò)程中接頭強(qiáng)度降低，在法蘭自重的影響下，支撐板極易產(chǎn)生不規(guī)則波浪變形。另一方面，法蘭在熱處理后尺寸精度會(huì)發(fā)生變化，一旦超標(biāo)，必須進(jìn)行二次機(jī)加工修正。為了避免熱處理影響尺寸精度，在焊接工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中開(kāi)展了裂紋尖端張開(kāi)位移（Crack Tip Opening Distance，CTOD）測(cè)試，可以免除熱處理過(guò)程，這在海洋鋼結(jié)構(gòu)施工中比較常見(jiàn)[4]。

通過(guò)嚴(yán)控預(yù)熱溫度、層間溫度和焊接參數(shù)，避免焊后熱處理焊接工藝用于現(xiàn)場(chǎng)施工，應(yīng)重點(diǎn)注意如下事項(xiàng)：預(yù)熱溫度不低于65 ℃；層間溫度不高于250 ℃；焊接方法為焊接變形量較小的藥芯焊絲氣體保護(hù)焊，焊接電流控制在240 A 以下；焊接熱輸入控制在1.5 kJ·mm-1以下。

根據(jù)施工方案，焊接過(guò)程中選用藥芯氣保焊工藝在橫焊位置進(jìn)行焊接[5]，焊材選取日本神鋼制造的DW-A55LSR 焊絲，該焊絲具備-60 ℃測(cè)試溫度下良好的焊縫沖擊韌性以及-10 ℃測(cè)試溫度下最低0.25 mm 的焊縫CTOD 測(cè)試性能。在施工過(guò)程中，采用的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 焊接參數(shù)

法蘭連接焊口開(kāi)設(shè)非對(duì)稱的雙V 坡口，一側(cè)坡口深度為20 mm 左右，一側(cè)坡口深度為50 mm 左右，坡口開(kāi)設(shè)角度均為60°。為了減少焊接變形，建議采取如下焊接順序：第一，開(kāi)始焊接50 mm 開(kāi)口側(cè)（法蘭內(nèi)側(cè)）；第二，完成打底和填充，先不進(jìn)行蓋面焊接；第三，在20 mm 開(kāi)口側(cè)（法蘭外側(cè)）進(jìn)行氣刨清根打磨；第四，完成法蘭外側(cè)填充蓋面焊接；第五，完成法蘭內(nèi)側(cè)蓋面焊接，移除背部加強(qiáng)板。第六，整體可將環(huán)焊縫分為4～8 段，采取分段退焊方式完成焊接。

對(duì)于此類大型環(huán)形結(jié)構(gòu)，一旦焊接施工結(jié)束出現(xiàn)大面積焊接修復(fù)，就會(huì)破壞整體尺寸精度。為保證整體變形可控，施工一次合格，焊接施工需要注意以下7 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。第一，加熱片加熱后不允許中斷，溫度一直保持在70 ℃以上，避免反復(fù)加熱冷卻增加焊縫內(nèi)應(yīng)力。第二，由于焊接使用混合氣，熔池熔深較純二氧化碳保護(hù)氣焊縫熔池淺，夾渣等不易浮出熔池。要認(rèn)真仔細(xì)徹底清理每道焊縫的道間，特別注意打磨焊道層間的溝槽，同時(shí)使用風(fēng)帶清理干凈層間渣子及打磨的飛濺鐵屑等。此方法可以有效避免后續(xù)無(wú)損檢測(cè)中容易出現(xiàn)的點(diǎn)狀缺陷。第三，焊接過(guò)程中，單道焊道寬度不允許超過(guò)15 mm，焊接過(guò)程注意焊肉不宜過(guò)厚。第四，根部清理要徹底，適當(dāng)擴(kuò)寬呈弧形。清根結(jié)束后打磨至光亮金屬，不能有任何碳化層殘留。第五，焊接過(guò)程注意觀察電弧熔池，發(fā)現(xiàn)有任何異物立即停止焊接，并進(jìn)行打磨處理。第六，冬季施工環(huán)境下，焊完后表面蓋保溫毯緩冷，避免產(chǎn)生冷裂紋。如果沒(méi)有保溫毯，不要立刻去除電加熱片，通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)定溫度，在2～3 h 內(nèi)緩慢降溫，直至斷電。第七，移除背部加強(qiáng)板時(shí)，采取對(duì)稱移除方式。

焊接完成后，對(duì)所有焊縫外觀使用不低于5 倍的放大鏡進(jìn)行100%檢查，發(fā)現(xiàn)外表面缺陷及時(shí)返修打磨處理，特別需要關(guān)注焊縫區(qū)域不允許存在低于焊縫高度的弧坑。焊接接頭采取超聲檢測(cè)（Ultrasonic Testing，UT）及磁粉檢測(cè)（Magnetic Particle Testing，MT）進(jìn)行100%檢測(cè)，驗(yàn)收要求按照《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3 部分：超聲檢測(cè)》（NB/T 47013.3-2015）中的I 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。需要特別關(guān)注中心立柱頂部分段縱縫與法蘭環(huán)焊縫T 型交叉焊縫區(qū)域，建議額外使用直探頭掃查，避免存在超標(biāo)缺陷。在服役過(guò)程中，由于需要定期對(duì)此類關(guān)鍵焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，一旦出現(xiàn)諸如裂紋之類的缺陷，風(fēng)機(jī)服役期間焊接修復(fù)將極為困難，也將影響周?chē)╇姷挠吞锷a(chǎn)設(shè)施。因此，做好預(yù)制階段的焊接質(zhì)量控制極為重要。

焊接接頭無(wú)損檢測(cè)全部合格后，使用激光對(duì)中儀在法蘭端面選擇至少40 個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)檢驗(yàn)，檢查法蘭安裝后的整體精度。其中，法蘭內(nèi)傾度需要控制在1.0～1.5 mm，法蘭的圓度控制在3 mm 以內(nèi)，法蘭上端面圓跳度控制在1 mm 以內(nèi)，法蘭上端面平面度控制在1.5 mm 以內(nèi)。

按照上述順序及要求完成法蘭安裝后，法蘭焊接一次性合格，施工精度完全達(dá)到技術(shù)要求，無(wú)須進(jìn)行機(jī)加工二次修復(fù)，可以有效縮短施工工期。在安裝上部風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)及時(shí)將浮式基礎(chǔ)頂部法蘭的最終安裝精度與風(fēng)筒下基礎(chǔ)法蘭的安裝精度相互印證核實(shí)，確保海上對(duì)接成功。若有偏差，應(yīng)在陸地施工期間開(kāi)展相關(guān)修復(fù)和調(diào)整工作。

3 結(jié)語(yǔ)

按照合理的施工順序及要求進(jìn)行法蘭安裝，可以有效保證焊接變形在可控范圍內(nèi)。安裝過(guò)程中需要重點(diǎn)監(jiān)控法蘭預(yù)制精度、底部支撐預(yù)制尺寸精度、組對(duì)精度和焊后法蘭端面尺寸精度，保證其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，這樣可以有效提升一次安裝合格率。