孫 震, 胡 戰(zhàn), 董中波

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司, 湛江 524072)

“十三五”以來中國海上風(fēng)電快速發(fā)展，特別是2018 年以后，受技術(shù)進(jìn)步、成本下降及政策調(diào)整的影響，多個(gè)沿海省份加快核準(zhǔn)并開工建設(shè)一大批海上風(fēng)電項(xiàng)目。在能源轉(zhuǎn)型背景下，“十四五”期間，中國海上風(fēng)電仍將延續(xù)快速發(fā)展態(tài)勢(shì)[1]。在整個(gè)海上風(fēng)場(chǎng)建設(shè)中，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的投資占總投資的20%左右，且鋼為基礎(chǔ)材料，其生產(chǎn)交付與風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)進(jìn)展息息相關(guān)，同時(shí)隨著海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)向大型化方向發(fā)展，采用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼可以有效減輕風(fēng)塔結(jié)構(gòu)自重，增加風(fēng)塔可變載荷和自持能力[2-3]。

我國海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)起步較晚，用鋼的設(shè)計(jì)理念與制造工藝技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外一流厚板廠，現(xiàn)階段海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)用鋼主要采用海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)為GB 712-2011《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》，屈服強(qiáng)度為355 MPa，牌號(hào)為DH36和EH36，交貨狀態(tài)為正火態(tài)。

隨著大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)量的增加和所用鋼板厚度的增大，同時(shí)迫于降低建造成本的壓力，歐洲海上風(fēng)電廠已開始批量使用屈服強(qiáng)度為420 MPa或460 MPa級(jí)別鋼板，以降低鋼板厚度。近幾年，日本海上風(fēng)電廠已開始批量使用屈服強(qiáng)度為390 MPa和460 MPa的鋼板，并開始小批量應(yīng)用屈服強(qiáng)度為690 MPa級(jí)別的鋼板。

為滿足海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)用鋼(以下簡稱風(fēng)電用鋼)的發(fā)展趨勢(shì)，寶鋼湛江鋼鐵有限公司在目前國內(nèi)海上風(fēng)電用鋼的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了符合GB 712-2011技術(shù)要求的屈服強(qiáng)度為460 MPa級(jí)別的DH460和EH460鋼種，筆者介紹了該兩種鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)及試制工藝流程，并對(duì)EH460鋼的綜合力學(xué)性能進(jìn)行了分析，供海上風(fēng)電用鋼設(shè)計(jì)單位參考。

1 鋼板化學(xué)成分及力學(xué)性能要求

DH36鋼、EH36鋼是屈服強(qiáng)度為355 MPa級(jí)別的海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼，目前海上風(fēng)電用鋼以其為主，而DH460鋼、EH460鋼是比DH36鋼、EH36鋼高3個(gè)強(qiáng)度級(jí)別的鋼種。同一強(qiáng)度級(jí)別的兩種鋼其成分及強(qiáng)度要求相同，差異在于對(duì)沖擊韌性的要求，其中DH系列鋼要求在-20 ℃時(shí)低溫沖擊性能滿足要求，EH系列鋼要求在-40 ℃低溫沖擊性能滿足要求。由于服役條件及鋼板使用位置不同，鋼的選材也不同。GB 712-2011對(duì)DH36鋼、EH36鋼、DH460鋼、EH460鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能的要求見表1和表2。其中DH36鋼、EH36鋼中的細(xì)化晶粒用鋁、鈮、釩和鈦等元素可單獨(dú)或以任一組合的形式加入。當(dāng)單獨(dú)加入時(shí)，其含量應(yīng)符合表1的規(guī)定；若混合加入兩種或兩種以上細(xì)化晶粒元素，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)表1中元素含量下限的規(guī)定不適用，同時(shí)要求鈮、釩和鈦的總含量不大于0.12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)；該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)DH460鋼、EH460鋼添加的合金化元素及細(xì)化晶粒元素鋁、鈮、釩和鈦等的含量沒有作規(guī)定，應(yīng)符合公認(rèn)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 GB 712-2011對(duì)不同鋼種化學(xué)成分的要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Requirements of GB 712-2011 for chemical composition of different steel grades (mass fraction) %

表2 GB 712-2011對(duì)不同鋼種力學(xué)性能的要求Tab.2 Requirements of GB 712-2011 for mechanical propertiy of different steel grades

2 高等級(jí)海上風(fēng)電用鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)及試制工藝流程

由于海上風(fēng)電用鋼的使用環(huán)境極惡,長期在復(fù)雜的交變風(fēng)力載荷下承受拉伸、彎曲和剪切等作用力，因此對(duì)風(fēng)電用鋼的疲勞性能、斷裂韌性和焊接性能提出了更高的要求[4-5]。隨著大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)量的增加和鋼板厚度的增大，高強(qiáng)度、高韌性、高塑性、高止裂性、優(yōu)良的抗疲勞性能與焊接性能的風(fēng)電用鋼板是重要的發(fā)展趨勢(shì)。

屈服強(qiáng)度為460 MPa級(jí)別海上風(fēng)電用鋼的設(shè)計(jì)理念及生產(chǎn)工藝與355 MPa級(jí)別海上風(fēng)電用鋼的一致，成分設(shè)計(jì)上遵循低碳含量、低碳當(dāng)量、微合金化和滿足大熱輸入焊接的原則，碳元素含量為0.07%～0.10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)，硅元素含量為0.05%～0.15%，錳元素含量為1.50%～1.60%，磷元素含量不大于0.01%，硫元素含量不大于0.001 5%及含有適量的鈮、釩、鈦、鉬、銅、鎳等合金元素。板坯產(chǎn)出后通過超快冷熱機(jī)械控制工藝(TMCP)軋制成厚度為60 mm的成品鋼板，試制工藝過程為：鐵液→鐵液預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→精煉→2 300 mm連鑄→堆冷→板坯檢查→二切→加熱→高壓水除鱗→4 200 mm粗軋→4 200 mm精軋→預(yù)矯→Mulpic(多功能間歇式噴射冷卻裝置)加速冷卻→熱矯→精整→鋼板檢驗(yàn)。

3 試制結(jié)果及分析

3.1 顯微組織

根據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》的技術(shù)要求對(duì)試制EH460鋼板全板厚顯微組織進(jìn)行觀察，顯微組織形貌見圖1。

可見，試制的海上風(fēng)電用鋼板顯微組織為貝氏體+鐵素體+少量珠光體，以貝氏體中溫轉(zhuǎn)變組織為主，是較理想的顯微組織。由于鋼板不同厚度處冷卻速率有差別，鋼板厚度方向的顯微組織也有一定的差異，但總體而言，試制鋼板各處顯微組織基本相同且均勻。

圖1 試制EH460鋼板的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of trial produced EH460 steel plate：a) 1/4 thickness from the upper surface; b) 1/2 thickness; c) 1/4 thickness from the lower surface

3.2 拉伸性能

在試制EH460鋼板上取橫向圓棒拉伸試樣(直徑為10 mm)進(jìn)行室溫、高溫及低溫拉伸試驗(yàn)。室溫拉伸試驗(yàn)根據(jù)GB/T 228.1-2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的規(guī)定執(zhí)行；高溫拉伸試驗(yàn)根據(jù)GB/T 228.2-2015 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2部分：高溫試驗(yàn)方法》的規(guī)定執(zhí)行，使用紅外加熱爐對(duì)拉伸試樣加熱并保溫，保溫時(shí)間不小于20 min，然后采用100 kN的電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；低溫拉伸試驗(yàn)根據(jù)GB/T 228.3-2019《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第3部分：低溫試驗(yàn)方法》的規(guī)定執(zhí)行，在配有低溫箱的CSS-1110型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，由液氮霧化裝置作為制冷源[6]，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 試制EH460鋼板的室溫、高溫及低溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Tensile property test results of trial produced EH460 steel plate at room temperature, high temperature and low temperature：a) tensile test at room temperature and high temperature; b) tensile test at low temperature

室溫下EH460鋼的抗拉強(qiáng)度Rm為630 MPa、屈服強(qiáng)度Rp0.2為537 MPa、斷后伸長率A為22%，均滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)EH460鋼的要求，且有較大富余量。隨著試驗(yàn)溫度的升高，鋼板的強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)，塑性總體呈上升趨勢(shì)，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)無拉伸強(qiáng)度陡變現(xiàn)象發(fā)生。低溫下隨著試驗(yàn)溫度的降低，鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度緩慢上升，斷后伸長率變化較小，說明該鋼在低溫環(huán)境下具有較好的強(qiáng)塑性。

3.3 沖擊性能

在EH460鋼板縱向、橫向1/4厚度處，按照GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求進(jìn)行低溫夏比(V型缺口)沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見圖3。

圖3 試制EH460鋼板的低溫沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Low temperature impact test results of trial produced EH460 steel plate:a) longitudinal; b) transverse

由圖3可知，-40 ℃下橫、縱向試樣沖擊吸收能量均在300 J以上，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)EH460鋼的要求。根據(jù)沖擊吸收能量為50%上平臺(tái)能時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度和剪切斷面率為50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，確定試制鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-80 ℃，表明試制鋼板低溫韌性優(yōu)異[7]。

對(duì)EH460鋼板縱向沖擊試樣的斷口進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析，形貌見圖4。

圖4 試制EH460鋼板縱向沖擊試樣SEM形貌Fig.4 SEM morphology of longitudinal impact specimen of trial produced EH460 steel plate：a) at low magnification; b) position 1 at high magnification; c) position 2 at high magnification

由圖4可知斷裂擴(kuò)展區(qū)形貌呈韌窩狀，斷口有明顯的形變特征，斷口呈韌性斷裂特征，表明試制鋼板試樣的沖擊韌性良好。

3.4 抗層狀撕裂性能

按照GB/T 5313-2010《厚度方向性能鋼板》的技術(shù)要求對(duì)試制鋼板進(jìn)行沿厚度方向的全板厚拉伸試驗(yàn)，沿鋼板厚度方向的抗拉強(qiáng)度分別為571,575,572 MPa,斷面收縮率分別為73.5%,74.2%,75.5%。

可知鋼板沿厚度方向的抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,同時(shí)斷面收縮率均在70%以上，超過了Z向(抗層狀撕裂)鋼的最高級(jí)別Z35(斷面收縮率不小于35%)的要求，表明該鋼具有良好的抗層狀撕裂性能[8]。

3.5 疲勞及止裂性能

3.5.1 高周疲勞性能

為測(cè)試鋼材的疲勞強(qiáng)度，將試制鋼板加工成螺紋頭高周疲勞試樣，根據(jù)GB/T 3075-2008《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》的技術(shù)要求，選用PLG200型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),設(shè)定疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)為107周次，應(yīng)力比R取0.1，數(shù)據(jù)處理過程參考GB/T 24176-2009《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法》的技術(shù)要求,結(jié)果見表3。

經(jīng)計(jì)算，鋼板的平均疲勞強(qiáng)度為256.4 MPa，表明鋼板具有優(yōu)良的抗疲勞性能?？紤]到數(shù)據(jù)可靠性較高，還分析計(jì)算了鋼板在置信度90%、失效概率10%情況下的疲勞強(qiáng)度下極限，結(jié)果為218.3 MPa。

3.5.2 止裂性能

按照GB/T 21143-2014《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求對(duì)試制EH460鋼板進(jìn)行-40 ℃下的CTOD(裂紋尖端張開位移)試驗(yàn)，結(jié)果見表4，其中δm(B)為對(duì)于全塑性特性的第一個(gè)最大力平臺(tái)對(duì)應(yīng)的尺寸敏感斷裂抗力。

表3 試制EH460鋼板高周疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of high cycle fatigue property of trial produced EH460 steel plate

表4 試制EH460鋼板CTOD試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 CTOD test results of trial produced EH460 steel plate

可知鋼板-40 ℃時(shí)CTOD特征值δm(B)不小于1.06，且試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)POP-IN效應(yīng)(瞬間載荷迅速下降、位移增加很小的“突進(jìn)”現(xiàn)象)，說明試制鋼板止裂性能優(yōu)異[9]。

3.6 大熱輸入焊接試驗(yàn)

采用氣保護(hù)焊打底、氣電立焊正反面一次成型工藝，對(duì)試制EH460鋼板進(jìn)行氣電立焊試驗(yàn)。氣電立焊試驗(yàn)采用氣電立焊專用焊機(jī)，焊接材料選用氣電立焊專用DWS-43G型CO2氣保護(hù)藥芯焊絲，其直徑為1.6 mm。焊接試板坡口根據(jù)氣電立焊工藝特點(diǎn)加工而成，焊接試板長度方向?yàn)檐埾?縱向)，試板坡口示意圖見圖5，焊接工藝參數(shù)見表5。

圖5 氣電立焊試驗(yàn)試板坡口示意圖Fig.5 Diagram of groove for test plate of gas electric vertical welding

表5 氣電立焊焊接工藝參數(shù)Tab.5 Welding parameters of gas electric vertical welding

對(duì)試制鋼板焊接接頭進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)及夏比V型沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

表6 試制EH460鋼板焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Mechanical property test results of welding joint of trial produced EH460 steel plate

繼續(xù)對(duì)接頭進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，每0.5 mm取點(diǎn)測(cè)試，試驗(yàn)部位包括母材(BM)、熱影響區(qū)(HAZ)和焊縫(WM)，結(jié)果見圖6。

圖6 試制EH460鋼板焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Hardness test results of welding joint of trialproduced EH460 steel plate

由表5、表6及圖6可知，氣電立焊實(shí)測(cè)單面焊接熱輸入達(dá)到124 kJ·cm-1，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到589 MPa，接頭焊縫、熔合線、熔合線外1 mm熱影響區(qū)及熔合線外3 mm熱影響區(qū)-40 ℃沖擊吸收能量均達(dá)到了較好水平。焊縫區(qū)硬度最高，熱影響區(qū)沒有明顯硬化及軟化現(xiàn)象，這與接頭強(qiáng)度分布相對(duì)應(yīng)，整個(gè)焊接接頭淬硬傾向較低。以上研究結(jié)果表明，焊接接頭具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

4 結(jié)論

(1) 同等服役情況下采用高強(qiáng)度鋼板可降低鋼板設(shè)計(jì)厚度，進(jìn)而大幅度降低建造和安裝成本；焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)異，與母材同強(qiáng)同韌，鋼板具備大熱輸入焊接特性，可以保證施工效率，節(jié)約焊接時(shí)間。

(2) 在室溫至650 ℃范圍內(nèi)無拉伸性能陡變現(xiàn)象發(fā)生，且在-80 ℃低溫環(huán)境下仍具有較好的強(qiáng)塑性，表明材料在服役過程中不會(huì)因環(huán)境溫度變化而失效。

(3) 鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-80 ℃以下，抗層狀性能達(dá)到并超過Z向鋼的最高級(jí)別Z35的要求，低溫韌性和抗層狀撕裂性能優(yōu)異。

(4) 高周疲勞強(qiáng)度達(dá)到256.4 MPa，-40 ℃時(shí)CTOD特征值δm(B)不小于1.06，具有優(yōu)異的疲勞及止裂性能。