胡 戰(zhàn), 劉自成, 董中波

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司, 湛江 524072)

海上風力發(fā)電具有海風資源穩(wěn)定和電功率高的特點，近期在世界各地快速發(fā)展。中國海岸線超過18 000 km，島嶼超過6 000個，海上風能資源較為豐富，發(fā)展海上風力發(fā)電(以下簡稱風電)條件相對優(yōu)越[1-2]。此外，相比陸上風電，海上風電產能較高，且受社會因素干擾較少，具有更顯著的優(yōu)勢和開發(fā)前景。

現(xiàn)階段我國海上風電用鋼主要采用海洋工程用結構鋼，參考的標準為GB 712-2011《船舶及海洋工程用結構鋼》，牌號為DH36和EH36，交貨狀態(tài)為正火態(tài)。DH36和EH36鋼板的碳含量和碳當量較高，但正火態(tài)鋼板的強韌性、強塑性匹配及焊接性與國外一流鋼廠采用熱機械控制工藝(TMCP)生產的鋼板力學性能相比還存在較大差距，且焊接熱輸入一般在50 kJ·cm-1及以下，在大熱輸入(熱輸入大于50 kJ·cm-1)焊接情況下，焊接接頭的力學性能(如韌性、耐疲勞性能、止裂性能 )會明顯下降，甚至會低于母材的。

國際上，21世紀以來，特別是隨著TMCP技術及裝備的快速發(fā)展，以德國與日本為代表的國外一流中厚板廠開始采用TMCP生產低碳含量、低碳當量及可大熱輸入焊接的高性能海上風電用鋼[3-4]。

鑒于我國海上風電起步較晚，用鋼的設計理念與制造工藝技術遠遠落后于國外一流厚板廠，為助推我國海上風電行業(yè)的健康、持續(xù)發(fā)展，成功研發(fā)了新一代可大熱輸入焊接的高性能海上風電用鋼。筆者討論了高性能海上風電用鋼的開發(fā)機理、標準要求及生產工藝，并對試制的EH36鋼板進行了一系列性能檢驗及分析。

1 開發(fā)機理

碳是提高鋼強度的最重要的化學元素，但碳對許多工藝性能如焊接性能、成形性能有不利的影響，因此物理冶金學家們建議用其他強化機制代替碳的強化。晶粒細化是同時提高強度和韌性的最有效的方法，而TMCP技術可以達到細化晶粒的目的[5]，其是通過對鋼坯加熱溫度、軋制溫度、變形量、終軋溫度和軋后冷卻工藝等參數的合理控制，把成形過程與顯微組織的控制過程結合起來，以獲得良好的顯微組織，從而明顯提高材料的強韌性。

為保證海上風電用鋼的強韌性和焊接性能，新一代海上風電用鋼成分設計采用低碳含量及添加鈮、鈦微合金化的設計思路，工藝上采用TMCP技術。原始晶粒尺寸對成品的晶粒度影響很大，因此軋制過程分為兩階段。板坯出爐后，粗軋階段在再結晶區(qū)通過多道次變形再結晶實現(xiàn)奧氏體晶粒細化，再通過軋制大壓下量變形儲能，為奧氏體再結晶提供驅動力。

奧氏體晶粒的細化主要是通過靜態(tài)再結晶實現(xiàn)的，這種晶粒細化方式的效果有限。要進一步細化鋼中奧化體的晶粒，則需要通過奧氏體-鐵素體相變來實現(xiàn)。由于奧氏體-鐵素體相變后鐵素體晶粒的大小取決于其形核和長大速度，顯然鐵素體的形核速率越大，長大速度越小，則晶粒越細。在奧氏體-鐵素體相變溫度范圍內，形變溫度越低，越有利于鐵素體晶粒的細化，為了充分細化鐵素體晶粒，精軋開始軋制時溫度應盡可能接近相變開始溫度Ar3，所以微合金成分上采用添加鈮、釩、鈦等元素擴大奧氏體-鐵素體轉變區(qū)間來降低Ar3。

通過水冷提高軋后冷卻速率能明顯降低Ar3，有效地增加了相變細化晶粒作用。該方法是通過控制變形奧氏體的組織狀態(tài)，阻止晶粒長大或碳化物過早析出形成網狀碳化物，固定由于變形引起的位錯，增加相變的過冷度，獲得的最終顯微組織為細鐵素體+貝氏體+細珠光體+彌散的碳氮化物，以達到細化晶粒的目的，可以在提高鋼強度的同時提高韌性，使鋼板具有高強度、高韌性、良好的抗疲勞性能及焊接性能等特點[6]。

2 化學成分及力學性能要求

DH36，EH36鋼是屈服強度為355 MPa級別的海洋工程用結構鋼，GB 712-2011對兩者化學成分及強度的要求相同，差異在于對沖擊韌性的要求，DH36鋼為在-20 ℃下低溫沖擊性能滿足標準的要求，EH36鋼為在-40 ℃下低溫沖擊性能滿足標準的要求。服役條件及鋼板使用位置不同，設計時的選材也不同。GB 712-2011對DH36，EH36鋼的化學成分及力學性能的要求見表1和表2。細化晶粒元素鋁、鈮、釩、鈦可單獨或以任一組合的形式加入鋼中。當單獨加入時，其含量應符合表1的規(guī)定；若混合加入兩種或兩種以上細化晶粒元素，表中細晶元素含量下限的規(guī)定不適用，同時要求鈮、釩和鈦的質量分數之和不大于0.12%。

表1 GB 712-2011對DH36，EH36鋼板化學成分的要求(質量分數)Tab.1 Requirements for chemical composition of DH36 and EH36 steel plates in GB 712-2011 (mass fraction) %

表2 GB 712-2011對DH36，EH36鋼板力學性能的要求Tab.2 Requirements for mechanical properties of DH36 and EH36 steel plates in GB 712-2011

3 成分設計及試制工藝流程

由于海上風電用鋼的使用環(huán)境惡劣，應用在波浪、海潮、風暴及寒冷流冰等嚴峻的海洋工作環(huán)境中，長期承受拉伸、彎曲和剪切等作用力，因此要求鋼板具有高強度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂及良好的焊接性、冷加工性、耐海水腐蝕等性能[7-8]。因此采用低碳含量、低碳當量、微合金化及適用大熱輸入焊接的成分設計體系，通過超快冷TMCP技術實現(xiàn)細晶強韌化、位錯強化及相變強化相疊加效應，生產出可采用大熱輸入焊接的高性能風電用鋼板是發(fā)展趨勢。

研發(fā)的該新一代高性能海上風電用鋼中碳含量為0.07%～0.10%(質量分數，下同)，硅含量為0.05%～0.15%，錳含量為1.48%～1.58%，磷含量不大于0.01%，硫含量不大于0.001 5%及含有適量的鈮、釩、鈦等合金元素。將板坯軋制成厚度為60 mm的成品鋼板，試制工藝流程為：鐵液→鐵液預處理→轉爐→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。

根據試制流程可知，新一代海上風電用鋼采用TMCP技術生產，無需正火熱處理，在生產周期上縮短了約15 d(天)，大大節(jié)約了海上風電的加工制造時間，有利于海上風電的發(fā)展。

4 結果及分析

4.1 顯微組織

根據GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》的技術要求對試制EH36鋼板全板厚進行金相檢驗，顯微組織形貌見圖1。

圖1 試制EH36鋼板厚度方向不同位置的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of different positions in thickness direction of trial production EH36 steel plate：a) 1/4 thickness from the upper surface; b) 1/2 thickness; c) 1/4 thickness from the lower surface

可見試制EH36鋼板的顯微組織為貝氏體+鐵素體+少量珠光體，以貝氏體中溫轉變組織為主，得到了理想的顯微組織類型。冷卻過程中，由于不同厚度處冷卻速率有差別，因此鋼板沿厚度方向的顯微組織有一定的差別，但總體而言鋼板組織均勻，鋼質純凈。

4.2 拉伸性能

對試制EH36鋼板取橫向拉伸試樣(直徑為10 mm)并進行室溫、高溫及低溫拉伸試驗。室溫試驗根據GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的技術要求進行，高溫試驗根據GB/T 228.2-2015《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》的技術要求，采用E45型紅外加熱爐對試樣加熱并保溫，保溫時間不小于20 min，然后在電子拉伸試驗機上進行拉伸試驗；低溫試驗采用配有低溫箱的CSS-1110型電子拉伸試驗機，根據GB/T 228.3-2019《金屬材料 拉伸試驗 第3部分：低溫試驗方法》的技術要求進行，室溫、高溫及低溫拉伸試驗結果見圖2。

圖2 試制EH36鋼板室溫、高溫及低溫拉伸性能試驗結果Fig.2 Test results of tensile properties of trial production EH36 steel plate at room temperature, high temperature and low temperature：a) tensile test at room and high temperature; b) tensile test at low temperature

室溫下試制EH36鋼板常規(guī)拉伸試驗結果為：Rm為532 MPa，Rp0.2為434 MPa，A為35%，可見均滿足標準的要求，且有較大富余量。在室溫及高溫拉伸試驗中，隨試驗溫度的升高，鋼板的強度總體呈下降趨勢，塑性總體呈上升的趨勢，在試驗溫度范圍內無抗拉強度性能陡變現(xiàn)象發(fā)生。在低溫拉伸試驗中，隨試驗溫度的降低，鋼板的屈服強度和抗拉強度緩慢上升，斷后伸長率的變化較小，說明該鋼在低溫環(huán)境下具有較好的強塑性。

4.3 沖擊性能

根據GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》的技術要求在試制EH36鋼板的縱向、橫向1/4厚度處取樣并進行低溫夏比(V型缺口)沖擊試驗，試驗結果見圖3。

圖3 試制EH36鋼板橫、縱向試樣沖擊性能試驗結果Fig.3 Impact property test results of trial production EH36 steel plate of a) transverse and b) longitudinal specimens

可知試制EH36鋼板-40 ℃下沖擊吸收能量均在300 J以上，遠高于標準的要求。根據沖擊吸收能量為50%上平臺能時所對應的溫度和剪切斷面率為50%時所對應的溫度，確定試制鋼板的韌脆轉變溫度低于-80 ℃，表明其低溫韌性優(yōu)異[9]。

選取縱向沖擊試樣的典型斷口進行掃描電鏡(SEM)分析，結果見圖4?？梢姅嗫跒轫g性斷口，裂紋擴展區(qū)呈韌窩狀。沖擊斷口有明顯的形變特征，表明鋼板試樣的沖擊韌性良好。

4.4 抗層狀撕裂性能

按照GB/T 5313-2010《厚度方向性能鋼板》的技術要求對試制EH36鋼板進行厚度方向的全板厚拉伸試驗，其斷面收縮率Z結果見表3。

表3 試制EH36鋼板厚度方向拉伸試驗結果Tab.3 Tensile test results of trial production EH36 steelplate in thickness direction

可知鋼板厚度方向的斷面收縮率均大于70%，達到并超過了Z向(抗層狀撕裂)鋼的最高級別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[10]。

4.5 疲勞及止裂性能

4.5.1 高周疲勞

將試制EH36鋼板加工成螺紋頭的高周疲勞試樣，試驗設備選用PLG200型高頻疲勞試驗機,設定疲勞極限對應循環(huán)基數為107周次，應力比R取0.1，根據GB/T 3075-2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》的技術要求，采用升降法測試材料的疲勞極限，然后根據GB/T 24176-2009《金屬材料 疲勞試驗 數據統(tǒng)計方案與分析方法》的技術要求進行數據處理,結果見表4。

表4 試制EH36鋼板高周疲勞試驗結果Tab.4 High cycle fatigue test results of trial productionEH36 steel plate

可見試制EH36鋼板平均疲勞強度為227.8 MPa，表明鋼板具有優(yōu)良的抗疲勞性能。考慮數據的可靠性，還分析計算了鋼板在置信度90%、失效概率10%情況下的疲勞強度下極限，結果為208.2 MPa。

4.5.2 止裂性能

根據GB/T 21143-2014《金屬材料 準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》的技術要求，對試制EH36鋼板進行-40 ℃下的母材CTOD(裂紋尖端張開位移)試驗，結果見表5。

表5 試制EH36鋼板CTOD試驗結果Tab.5 CTOD test results of trial production EH36 steel plate

可見鋼板-40 ℃下的CTOD特征值δm(B)不小于1.41 mm，且試驗過程中未出現(xiàn)POP-IN效應(瞬間載荷迅速下降、位移增加很小的“突進”現(xiàn)象)，說明試制鋼板的止裂性能優(yōu)異[11]。

4.6 大熱輸入焊接性能

采用氣體保護焊打底，氣電立焊正反面一次成形工藝，對鋼板進行氣電立焊試驗。試驗采用氣電立焊專用焊機，焊接材料選用氣電立焊專用CO2氣保護藥芯焊絲，型號為DWS-43G，直徑為1.6 mm。焊接試板坡口根據氣電立焊工藝特點制定，焊接試板長度方向為軋向(縱向)，試板坡口示意圖見圖5，焊接工藝參數見表6。

圖5 氣電立焊試驗試板坡口示意圖Fig.5 Groove diagram of test plate for gas electric vertical welding

表6 氣電立焊焊接工藝參數Tab.6 Welding parameters of gas electric vertical welding

對其焊接接頭進行橫向拉伸試驗、接頭彎曲試驗及焊接接頭夏比(V型缺口)沖擊試驗，結果見表7。

表7 試制EH36鋼板大熱輸入焊接接頭力學性能試驗結果Tab.7 Mechanical property test results of welded joint of trial production EH36 steel plate with high heat input

對氣電立焊焊接接頭進行維氏硬度試驗，每0.5 mm測試一點，試驗部位包括母材(BM)、熱影響區(qū)(HAZ)和焊縫(WM)，結果見圖6。

圖6 試制EH36鋼板大熱輸入焊接接頭硬度試驗結果Fig.6 Hardness test results of welded joint of trial productionEH36 steel plate with high heat input

可見氣電立焊實測單面焊接熱輸入超過100 kJ·cm-1，焊接接頭抗拉強度達到528 MPa，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 ℃時沖擊吸收能量均較高。表明焊縫區(qū)硬度最高，熱影響區(qū)沒有明顯硬化及軟化現(xiàn)象，與接頭強度分布相對應，整個焊接接頭淬硬傾向較低。綜上表明，焊接接頭具有優(yōu)良的綜合力學性能。

5 結論

基于超快冷熱機械控制工藝研發(fā)的新一代高性能海上風電用鋼中含有碳、硅、錳、磷、硫及適量的鈮、釩、鈦等合金元素。該鋼韌脆轉變溫度在-80 ℃以下，抗拉強度為532 MPa，屈服強度為434 MPa，疲勞強度為227.8 MPa，斷面收縮率大于70%，具有生產周期短、交付快、韌性高、抗層狀撕裂性能好、耐疲勞性能好、止裂性能優(yōu)異及可采用大熱輸入焊接等特點。