海上風(fēng)電導(dǎo)管架TKY節(jié)點(diǎn)的FCAW雙面焊焊接工藝

李井雙，羅運(yùn)良

（蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司，山東 蓬萊 265607）

0 前 言

蘇格蘭Seagreen 海上風(fēng)電項(xiàng)目裝機(jī)容量1.1 GW，是蘇格蘭最大的海上風(fēng)電場(chǎng)。該項(xiàng)目水深58.7 m，使用導(dǎo)管架基礎(chǔ)，單套重約2 000 t，是目前全球風(fēng)電行業(yè)安裝水深最深的導(dǎo)管架基礎(chǔ)。常規(guī)導(dǎo)管架TKY節(jié)點(diǎn)一般要求進(jìn)行單面焊焊接，采用手工電弧焊打底，藥芯焊絲電弧焊進(jìn)行填充蓋面。但是該項(xiàng)目要求導(dǎo)管架TKY節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙面焊焊接，從而減少焊接接頭的變形和應(yīng)力集中問(wèn)題，延長(zhǎng)接頭的使用壽命。TKY節(jié)點(diǎn)雙面焊在角度較小的情況下存在較大的難度，特別是導(dǎo)管架最上部的TKY節(jié)點(diǎn)，角度接近30°，在進(jìn)行內(nèi)側(cè)坡口焊接時(shí)受空間限制，焊接接頭質(zhì)量較難保證[1-6]。

1 導(dǎo)管架TKY節(jié)點(diǎn)焊接性分析

按項(xiàng)目要求，焊接工藝參照DNVGL-OSC401：2018[7]，其它要求應(yīng)符合BS/EN 1090-2：2018[9]。該風(fēng)電導(dǎo)管架TKY節(jié)點(diǎn)管材為EN 10025-3/4 S355NL/ML，支管壁厚范圍15～60 mm，主管壁厚范圍30～100 mm。要求-40 ℃時(shí)管材的沖擊功均值≥ 34 J，單值≥ 24 J。DNVGL-OS-C401：2018中導(dǎo)管架TKY節(jié)點(diǎn)為Branch連接，如圖1所示。

2 焊接工藝評(píng)定

TKY采用雙面焊焊接，為了更方便進(jìn)行碳弧氣刨清根及打磨清理，先進(jìn)行內(nèi)焊縫的焊接，然后在筒體外側(cè)進(jìn)行清根和打磨清理，處理合格后再進(jìn)行外部焊縫的焊接，如圖2所示。

圖2 雙面焊焊接順序示意圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-OS-C401：2018 和業(yè)主要求，焊接工藝評(píng)定需要在對(duì)接試驗(yàn)滿足力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，增加TKY 節(jié)點(diǎn)焊接試驗(yàn)。兩個(gè)試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)應(yīng)相近或盡可能相同，以方便后續(xù)編寫焊接工藝規(guī)程（WPS）。TKY 節(jié)點(diǎn)焊接試驗(yàn)需要覆蓋產(chǎn)品焊接難度最大的位置，即最小二面角，板厚的覆蓋范圍需要覆蓋支管所有壁厚。

2.1 試驗(yàn)材料

DNVGL-OS-C401：2018 標(biāo)準(zhǔn)要求最大板厚為焊接工藝試驗(yàn)板厚的2 倍，為滿足EN 10025 S355NL/ML 支管厚度范圍15～60 mm 的要求，焊接工藝試驗(yàn)?zāi)覆木x用EN 10025-3 S355NL 的30 mm厚板，交貨狀態(tài)為正火，顯微組織為鐵素體+珠光體。S355NL的力學(xué)性能要求為：屈服強(qiáng)度≥ 355 MPa，抗拉強(qiáng)度470～630 MPa。材料的化學(xué) 成 分 見(jiàn) 表1，其 中w（C）=0.13%，CEpcm為0.41%，焊接性能尚可[11]。

表1 S355NL材料的化學(xué)成分 %

采用的焊接材料為GFL-71Ni 高強(qiáng)鋼藥芯焊絲，焊絲直徑為1.2 mm，焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表2。焊絲的藥芯類型為金紅石，焊接采用的保護(hù)氣體為純CO2。

表2 GFL-71Ni藥芯焊絲的化學(xué)成分 %

2.2 TKY節(jié)點(diǎn)焊接工藝試驗(yàn)方案

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求以及項(xiàng)目圖紙信息，采用最小位置二面角30°進(jìn)行TKY 接頭焊接工藝試驗(yàn)。主管規(guī)格為Φ1 600 mm×30 mm，支管規(guī)格為Φ800 mm×30 mm。接頭連接如圖3所示。

圖3 TKY節(jié)點(diǎn)焊接試驗(yàn)接頭連接示意圖

由于TKY 節(jié)點(diǎn)焊口不同位置的坡口形式、二面角不同，焊接接頭的細(xì)節(jié)要求也不同。按照相關(guān)規(guī)范要求，并與業(yè)主溝通后，對(duì)焊接細(xì)節(jié)類似劃分為A、B、D、E四個(gè)焊接區(qū)域，具體如圖4所示。

圖4 TKY節(jié)點(diǎn)焊口不同位置區(qū)域的劃分

2.3 焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)

焊接工藝方法為藥芯焊絲電弧焊（FCAW），采用松下YD-500EL 焊機(jī)，坡口采用雙面焊接形式[12-14]。焊接時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)要求覆蓋所有焊接位置，對(duì)不同區(qū)域焊接時(shí)需包含1G（平焊）、2G（橫焊）、3G（立焊）、4G（仰焊）四個(gè)位置，不同焊接區(qū)域坡口及焊后尺寸如圖5所示。

圖5 TKY節(jié)點(diǎn)不同位置焊接示意圖

由于TKY 節(jié)點(diǎn)不同焊接位置的坡口截面積會(huì)發(fā)生變化，需要控制焊槍的位姿和焊接速度。尤其是打底焊焊接時(shí)，焊接要求較高，焊接過(guò)程中要選擇合適的電流參數(shù)，保證根部焊縫成形并避免焊穿。采用的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

3 焊接試驗(yàn)結(jié)果

按DNV GL-OS-C401：2018 要求，導(dǎo)管架TKY 節(jié)點(diǎn)焊接屬于Branch 連接接頭，焊接工藝試驗(yàn)首先需要在對(duì)接試驗(yàn)進(jìn)行NDT 檢測(cè)和力學(xué)試驗(yàn)，力學(xué)試驗(yàn)包括拉伸、彎曲、沖擊、硬度等。在保證力學(xué)試驗(yàn)滿足要求的基礎(chǔ)上，增加了TKY 節(jié)點(diǎn)焊接試驗(yàn)，已證明具備TKY節(jié)點(diǎn)的焊接操作能力，TKY 節(jié)點(diǎn)焊接后需進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)（NDT）和宏觀金相檢測(cè)。

3.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)方法按照DNV GL-OS-C401：2018和DNV GL-OS-B101：2018進(jìn)行[7-8]，焊接接頭2個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度分別為575 MPa 和582 MPa，斷裂位置均在母材區(qū)域，拉伸試驗(yàn)結(jié)果滿足EN10025-3 S355NL規(guī)定抗拉強(qiáng)度不低于470 MPa的要求，拉伸試驗(yàn)結(jié)果合格。

3.2 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)按照DNV GL-OS-C401：2018 和DNV GL-OS-B101：2018要求，對(duì)焊接接頭進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，側(cè)彎試驗(yàn)的壓頭直徑為40 mm，彎曲角度為180°，試驗(yàn)后4個(gè)試樣彎曲面均無(wú)焊接缺陷，滿足DNV GL-OS-C401：2018中的要求。

3.3 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)在焊接接頭上進(jìn)行取樣，按照DNV GL-OS-C401：2018 和DNVGL-OS-B101：2018 要求，沖擊試驗(yàn)采用10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，試驗(yàn)溫度-40 ℃，沖擊擺錘采用KV2，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。按照標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)主規(guī)格書(shū)要求，焊接接頭沖擊功均值≥ 34 J、單值≥ 24 J，檢測(cè)結(jié)果滿足要求。

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.4 宏觀檢測(cè)

按照DNVGL-OS-C401：2018 取宏觀試樣，對(duì)接焊試驗(yàn)和TKY 焊接節(jié)點(diǎn)宏觀形貌如圖6 所示。結(jié)果顯示，在宏觀試樣焊接區(qū)域未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，宏觀試驗(yàn)符合EN ISO 5817：2014-B 的 要 求[10]。

圖6 金相宏觀形貌

3.5 硬度檢測(cè)

按照業(yè)主規(guī)格書(shū)及DNVGL-OS-C401：2018 要求，采用維氏硬度（HV10）方法進(jìn)行焊接接頭硬度檢測(cè)，硬度檢測(cè)值應(yīng)不超過(guò)350HV10。硬度試驗(yàn)打點(diǎn)位置參照EN ISO 9015-1：2011，如圖7 所示[11]。焊接接頭硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5，各位置的硬度檢測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 硬度打點(diǎn)位置示意圖

3.6 無(wú)損檢測(cè)

無(wú)損檢測(cè)包括100% VT（目視）、100%MT（磁粉檢測(cè)）和100%UT（超聲檢測(cè)）檢驗(yàn)，其中VT 按照EN ISO 5817：2014 中要求進(jìn)行檢測(cè)，MT按照EN ISO 23278中要求進(jìn)行檢測(cè)，UT按照EN ISO 11666中的要求進(jìn)行檢測(cè)，檢驗(yàn)的結(jié)果符合DNVGL-OS-C401：2018標(biāo)準(zhǔn)要求。

焊接工藝試驗(yàn)得到業(yè)主認(rèn)可，并獲得業(yè)主批準(zhǔn)的焊接工藝規(guī)程（WPS）。該焊接工藝成功在蘇格蘭Seagreen海上風(fēng)電導(dǎo)管架項(xiàng)目中得到應(yīng)用，焊接作業(yè)效率和產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅提高[15]，節(jié)約了焊接成本。

4 結(jié) 論

（1）采 用S355NL 母 材 和GFL-71Ni 焊 絲，完成導(dǎo)管架TKY 節(jié)點(diǎn)FCAW 雙面焊焊接工藝試驗(yàn)，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行了理化性能和無(wú)損檢測(cè)，獲得滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求的焊接接頭，實(shí)現(xiàn)了該工藝技術(shù)在蘇格蘭Seagreen 海上風(fēng)電項(xiàng)目上的應(yīng)用。

（2）通過(guò)對(duì)導(dǎo)管架TKY 節(jié)點(diǎn)雙面焊接工藝研究，為導(dǎo)管架TKY 節(jié)點(diǎn)雙面焊接的應(yīng)用與推廣提供參考。