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，是中國和世界可再生能源的重要關(guān)注點(diǎn)和新的增長點(diǎn)，具有產(chǎn)業(yè)鏈長，帶動(dòng)就業(yè)能力強(qiáng)，創(chuàng)新程度高等特點(diǎn)，對提高風(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，評定指標(biāo)也不完全相同，因此需要對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)，測試并分析焊接接頭性能。文中對兩種不同材質(zhì)的鋼板進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)與接頭性能的測試。對于薄壁鋼板，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AWS A5.18 ER70S-G，牌號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AWS A5.23 F8A8-ENi1，牌號T Union SA Ni(Bohler/伯樂)，直徑4.0 mm，匹配牌號為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 焊接接頭性能評定

3.1 性能試驗(yàn)要求

焊后48 h，對接頭進(jìn)行無損檢測(NDT)，包括100%目視檢測(VT)、100%磁粉檢測(MT)和100%超聲波檢測(UT)。無損檢測結(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],對焊接接頭進(jìn)行宏觀和微觀檢測、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拉伸測試結(jié)果

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

表7 A和B兩焊接試驗(yàn)組的拉伸測試結(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)件表面無張開的裂紋及裂縫缺陷，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)果見表8。

表8 A和B試驗(yàn)組的沖擊測試結(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，所獲得的焊接接頭低溫沖擊韌性較好。

3.2.5硬度測試結(jié)果

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-OS-C401—2018[5]和ISO 6507-2016[15]對焊接接頭進(jìn)行硬度測試，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。針對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。