海上风电导管架TKY节点的FCAW双面焊焊接工艺

2023-08-29李井双罗运良

焊管 2023年8期

李井双，罗运良

（蓬莱巨涛海洋工程重工有限公司，山东蓬莱 265607）

0 前言

苏格兰Seagreen 海上风电项目装机容量1.1 GW，是苏格兰最大的海上风电场。该项目水深58.7 m，使用导管架基础，单套重约2 000 t，是目前全球风电行业安装水深最深的导管架基础。常规导管架TKY节点一般要求进行单面焊焊接，采用手工电弧焊打底，药芯焊丝电弧焊进行填充盖面。但是该项目要求导管架TKY节点进行双面焊焊接，从而减少焊接接头的变形和应力集中问题，延长接头的使用寿命。TKY节点双面焊在角度较小的情况下存在较大的难度，特别是导管架最上部的TKY节点，角度接近30°，在进行内侧坡口焊接时受空间限制，焊接接头质量较难保证[1-6]。

1 导管架TKY节点焊接性分析

按项目要求，焊接工艺参照DNVGL-OSC401：2018[7]，其它要求应符合BS/EN 1090-2：2018[9]。该风电导管架TKY节点管材为EN 10025-3/4 S355NL/ML，支管壁厚范围15～60 mm，主管壁厚范围30～100 mm。要求-40 ℃时管材的冲击功均值≥ 34 J，单值≥ 24 J。DNVGL-OS-C401：2018中导管架TKY节点为Branch连接，如图1所示。

2 焊接工艺评定

TKY采用双面焊焊接，为了更方便进行碳弧气刨清根及打磨清理，先进行内焊缝的焊接，然后在筒体外侧进行清根和打磨清理，处理合格后再进行外部焊缝的焊接，如图2所示。

图2 双面焊焊接顺序示意图

根据标准DNVGL-OS-C401：2018 和业主要求，焊接工艺评定需要在对接试验满足力学性能的基础上，增加TKY 节点焊接试验。两个试验的焊接工艺参数应相近或尽可能相同，以方便后续编写焊接工艺规程（WPS）。TKY 节点焊接试验需要覆盖产品焊接难度最大的位置，即最小二面角，板厚的覆盖范围需要覆盖支管所有壁厚。

2.1 试验材料

DNVGL-OS-C401：2018 标准要求最大板厚为焊接工艺试验板厚的2 倍，为满足EN 10025 S355NL/ML 支管厚度范围15～60 mm 的要求，焊接工艺试验母材均选用EN 10025-3 S355NL 的30 mm厚板，交货状态为正火，显微组织为铁素体+珠光体。S355NL的力学性能要求为：屈服强度≥ 355 MPa，抗拉强度470～630 MPa。材料的化学成分见表1，其中w（C）=0.13%，CEpcm为0.41%，焊接性能尚可[11]。

表1 S355NL材料的化学成分 %

采用的焊接材料为GFL-71Ni 高强钢药芯焊丝，焊丝直径为1.2 mm，焊丝的化学成分见表2。焊丝的药芯类型为金红石，焊接采用的保护气体为纯CO2。

表2 GFL-71Ni药芯焊丝的化学成分 %

2.2 TKY节点焊接工艺试验方案

按照标准规范要求以及项目图纸信息，采用最小位置二面角30°进行TKY 接头焊接工艺试验。主管规格为Φ1 600 mm×30 mm，支管规格为Φ800 mm×30 mm。接头连接如图3所示。

图3 TKY节点焊接试验接头连接示意图

由于TKY 节点焊口不同位置的坡口形式、二面角不同，焊接接头的细节要求也不同。按照相关规范要求，并与业主沟通后，对焊接细节类似划分为A、B、D、E四个焊接区域，具体如图4所示。

图4 TKY节点焊口不同位置区域的划分

2.3 焊接工艺试验参数

焊接工艺方法为药芯焊丝电弧焊（FCAW），采用松下YD-500EL 焊机，坡口采用双面焊接形式[12-14]。焊接时按照标准要求覆盖所有焊接位置，对不同区域焊接时需包含1G（平焊）、2G（横焊）、3G（立焊）、4G（仰焊）四个位置，不同焊接区域坡口及焊后尺寸如图5所示。

图5 TKY节点不同位置焊接示意图

由于TKY 节点不同焊接位置的坡口截面积会发生变化，需要控制焊枪的位姿和焊接速度。尤其是打底焊焊接时，焊接要求较高，焊接过程中要选择合适的电流参数，保证根部焊缝成形并避免焊穿。采用的焊接工艺参数见表3。

表3 焊接工艺参数

3 焊接试验结果

按DNV GL-OS-C401：2018 要求，导管架TKY 节点焊接属于Branch 连接接头，焊接工艺试验首先需要在对接试验进行NDT 检测和力学试验，力学试验包括拉伸、弯曲、冲击、硬度等。在保证力学试验满足要求的基础上，增加了TKY 节点焊接试验，已证明具备TKY节点的焊接操作能力，TKY 节点焊接后需进行无损检测（NDT）和宏观金相检测。

3.1 拉伸试验

拉伸试验方法按照DNV GL-OS-C401：2018和DNV GL-OS-B101：2018进行[7-8]，焊接接头2个试样的抗拉强度分别为575 MPa 和582 MPa，断裂位置均在母材区域，拉伸试验结果满足EN10025-3 S355NL规定抗拉强度不低于470 MPa的要求，拉伸试验结果合格。

3.2 弯曲试验

弯曲试验按照DNV GL-OS-C401：2018 和DNV GL-OS-B101：2018要求，对焊接接头进行侧弯试验，侧弯试验的压头直径为40 mm，弯曲角度为180°，试验后4个试样弯曲面均无焊接缺陷，满足DNV GL-OS-C401：2018中的要求。

3.3 冲击试验

冲击试验在焊接接头上进行取样，按照DNV GL-OS-C401：2018 和DNVGL-OS-B101：2018 要求，冲击试验采用10 mm×10 mm×55 mm标准试样，试验温度-40 ℃，冲击摆锤采用KV2，试验结果见表4。按照标准和业主规格书要求，焊接接头冲击功均值≥ 34 J、单值≥ 24 J，检测结果满足要求。

表4 冲击试验结果

3.4 宏观检测

按照DNVGL-OS-C401：2018 取宏观试样，对接焊试验和TKY 焊接节点宏观形貌如图6 所示。结果显示，在宏观试样焊接区域未发现焊接缺陷，宏观试验符合EN ISO 5817：2014-B 的要求[10]。

图6 金相宏观形貌

3.5 硬度检测

按照业主规格书及DNVGL-OS-C401：2018 要求，采用维氏硬度（HV10）方法进行焊接接头硬度检测，硬度检测值应不超过350HV10。硬度试验打点位置参照EN ISO 9015-1：2011，如图7 所示[11]。焊接接头硬度检测结果见表5，各位置的硬度检测结果符合标准要求。

图7 硬度打点位置示意图

3.6 无损检测

无损检测包括100% VT（目视）、100%MT（磁粉检测）和100%UT（超声检测）检验，其中VT 按照EN ISO 5817：2014 中要求进行检测，MT按照EN ISO 23278中要求进行检测，UT按照EN ISO 11666中的要求进行检测，检验的结果符合DNVGL-OS-C401：2018标准要求。

焊接工艺试验得到业主认可，并获得业主批准的焊接工艺规程（WPS）。该焊接工艺成功在苏格兰Seagreen海上风电导管架项目中得到应用，焊接作业效率和产品质量得到大幅提高[15]，节约了焊接成本。