海上風車安裝船樁腿安裝焊接工藝優化

陳淑梅，李鵬飛

招商局重工（深圳）有限公司，廣東深圳518054

海上風車安裝船樁腿安裝焊接工藝優化

陳淑梅，李鵬飛

招商局重工（深圳）有限公司，廣東深圳518054

文章詳細介紹了一種高效低成本的海上風車安裝船JB118-SEA3250樁腿的安裝、焊接工藝及方法，闡述了超高強鋼焊接技術難點及解決方法。這是國內首次將高效低耗的中頻感應加熱方法應用于超高強鋼級大型圓柱型樁腿的焊接，獲得了優異的焊接接頭性能，簡化了樁腿的安裝工藝。

樁腿；超高強鋼；中頻感應加熱；焊接

0 引言

2013年6月7日，招商局重工（深圳）有限公司完成了華南首個海上風車安裝船的建造并順利交船。這是一艘可以在海況惡劣的北海海域進行風力發電機安裝作業的自升式平臺，船型為SEA-3250（見圖1）。

該風車安裝船屬巨型船體，船體長75.9 m，型寬40.0 m，型深6 m，設計吃水4.2 m。該安裝船有長90.25 m、直徑3.5 m、壁厚65 mm的圓柱型超高強鋼（ABSEQ70）樁腿4根，每根樁腿的升降能力達32 500 kN，在同型船中升降能力居首位。同時該船配有4套MSC液壓插銷式升降裝置、一臺1 000 t全回轉主吊機和4臺外掛式馬達推動的動力定位系統。該平臺主要利用甲板上的1 000 t吊機將船升至工作高度，然后進行45 m水深范圍的風電設備安裝和吊運工作。

圖1 JB118 SEA-3250風車安裝船

1 樁腿分段

此船樁腿單根長（不包括樁靴）80.737 m，質量約438 t。

國際上此船型樁腿的建造慣例均是樁腿整根制作，最后采用大型浮吊（約2 400 t）整體吊裝，實現與船體合攏安裝。租用大型浮吊需耗費巨額租金約300多萬元。綜合考慮工期、起重能力和成本因素后，決定將單根樁腿預制為長度不等的3段，然后分段組裝。各段參數見表1。

表1 樁腿各段參數

組裝A、B段時，僅使用門坐式吊機即可；在進行C段組裝時，只需租用較小噸位的浮吊（1 500 t）。經此改進后，可節約租賃費用近300萬元，但由于樁腿材料的特殊性，其制作難點是焊接質量的控制和工期的保證。

2 樁腿合攏焊接

樁腿材料為超高強鋼ABS EQ70，該鋼種可焊性較差，材料性能如下：最小屈服強度為690 MPa；抗拉強度為770～940 MPa；沖擊最小單個值為69 J（縱向）、46 J（橫向）；試驗溫度為-40℃；延伸率為14%。

樁靴分段的材質為DH36，樁靴與樁腿合攏口的焊接為異種鋼焊接，而樁腿與樁腿的焊接則為超高強鋼EQ70的焊接，如何使焊接接頭達到與母材同等的韌性和強度要求，特別是EQ70焊接后沖擊值要求達到69 J（-40℃）（2013年ABS規范），同時又滿足工期進度要求，是焊接技術人員需解決的難題。因此，焊接工程師在焊材選擇和工藝方法、預熱方式及接頭型式上，經過認真推敲和多次試驗，制訂出較完善的工藝方案，成功完成了該船4根樁腿共12個接口的焊接。

2.1 焊接材料及工藝方法（見表2）

表2 焊接材料及工藝方法的選擇

2.2 坡口型式

合攏口的焊接均為橫焊位焊接，由于板較厚，考慮到接頭應力分布的均勻性、效率和碳弧氣刨滲碳層對EQ70鋼焊接性能的影響，經過多次試驗研究，決定采用K型坡口（見圖2），由于留有3～5 mm間隙和較小的坡口角度，可使焊接易于操作，背面清根量少，減少了大量的打磨工作，焊接填充量也少，并可內外同時對稱焊接，為成功完成該接頭的焊接奠定了良好的基礎。

圖2 接頭合攏坡口

3 工藝亮點

3.1 焊縫沖擊韌性達到69 J（-40℃）

ABS EQ70為超高強鋼，碳當量Ceq=0.55%～0.56%，其延伸率只有14%，韌性較差。其焊接難點有：

（1）根部焊縫的沖擊值較低，不容易達到要求。

（2）由于母材加入了較高含量的合金元素，而且板較厚，拘束度大，導致其熱影響區容易產生低塑性的淬硬組織，具有較高的冷裂敏感性。

（3）氣刨時該鋼種對滲碳層較敏感，易產生浹鎢和浹渣。

因此，為避免在焊接時產生冷裂紋、氣孔浹渣等缺陷，得到良好的機械性能，在焊接工藝制訂中采取了以下措施：

（1）選用超低氫性能穩定可靠的法國奧林康TENACITO80（CL）焊條，嚴格控制氫來源。

（2）第一層施焊時，在保證焊透的情況下，采用小電流慢速施焊，表3為焊接工藝參數。

表3 焊接工藝參數

（3）選擇合適的預熱溫度，并嚴格控制預熱和層間溫度，控制線能量的輸入在合理的范圍內，從而減緩冷卻速度，防止冷裂紋，改善接頭的塑性，減小焊接應力。

（4）在保證焊接操作性的情況下，坡口應盡量小，減少填充金屬量，從而減小了收縮應力，有利于防止產生裂紋。

（5）由于樁腿直徑較大，焊縫較長，因此焊接時將焊縫分為n段，均布焊工，同時對稱施焊，使其熱量分布均勻，應力峰值減小。

（6）焊后采用消氫處理，然后緩慢冷卻至常溫，控制冷卻速度不大于50℃/h，使氫充分逸出，從而避免冷裂。

按上述方法焊接，焊接接頭機械性能完全滿足規范要求，沖擊韌性高達79 J（-40℃），見表4、表5。

表4 焊接接頭機械性能

表5 沖擊試驗69 J（-40℃）

3.2 預熱新方法

由于樁腿強度高、直徑大、板厚，在焊接過程中必須保證層間溫度不低于預熱溫度，否則焊縫的機械性能將無法保證。焊接工程師經過查閱資料和調研，提出了一個創新的預熱方案，采用中頻感應加熱，該方法不僅高效節能，最關鍵的是可以保證接頭焊接過程中層間溫度的控制，這是保證焊縫質量的必要條件。該預熱方法在超高強鋼級大型圓柱型樁腿焊接上的應用在國內尚屬首創。

中頻感應加熱機采用美國Miller Proheat35機型（見圖3），兩臺機分別布置于接口兩側，同時工作，在焊接過程中設定好預熱溫度，達到設定溫度時，自動停機；溫度降下來后，設備自動開啟，加熱至最低設定溫度，保證了焊接過程中的層間溫度不低于預熱溫度，而且節能環保。

該方案另一個顯著的優點是其發熱原理為電磁感應，改變了電阻生熱由外向內熱傳導的傳遞方式，因此，焊接過程中無需將加熱設備取下，這樣可以實現樁腿內外側同時對稱施焊，改善了接頭的應力狀態，提高了生產效率，改善了焊工的工作環境，降低了焊工的勞動強度。

圖3 Miller Proheat 35中頻感應加熱機

3.3 焊接順序（見圖4）

在內側焊接5～6層后，打磨外側清根，將滲碳層完全磨掉，露出金屬光澤，然后焊接外側焊縫，待外側焊縫完成量與內側相當時，則內外對稱安排焊工同時施焊，由于留有間隙較大，使得背面清根量較少，減少了由于碳弧氣刨而引起的對焊接接頭質量的不利影響，保證了焊接質量。

圖4 接頭焊接順序

4 結束語

按照以上嚴密的工藝要求完成了樁腿的焊接施工，接頭在焊后72 h進行100%UT和RT探傷，合格率100%，得到了滿意的焊接質量。而以往690鋼按常規焊接的焊縫合格率通常為92%，相比之下，本工藝合格率提高了8%，證明該工藝設計合理，簡便優化，為順利完成樁腿按期合攏安裝和順利交船，提供了最基本也是最重要的保證。

L eg Installation and Welding Process Optimization of Offshore Wind Turbine Installation Vessel

Chen Shumei，LiPengfei
China Merchants Heavy Industry（Shenzhen）Co.，Ltd.，Shenzhen 518054，China

This article introduces a high efficient and low-cost way to install and weld the legs of offshore wind turbine installation vessel JB118-SEA3250，and describes difficulty in and solution to the ultra-high strength steel welding process，in which the medium frequency induction heating method is firstly used for large diameter ulttra-high strength steelpile leg welding and gains excellent joint performance and simplifies the installation process.

leg；ultra-high strength steel；medium freguency induction heating；welding

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.04.014

陳淑梅（1963-），女，河北清縣人，高級工程師，1984年畢業于天津大學機械系焊接工藝及設備專業，從事船舶及海洋工程結構焊接工藝研究工作。

2014-04-04