大型海上風電塔架法蘭鍛件制造技術

文／任秀鳳，牛余剛·山東伊萊特重工有限公司

大型海上風電塔架法蘭鍛件制造技術

文／任秀鳳，牛余剛·山東伊萊特重工有限公司

本文介紹了大型海上風電塔架法蘭鍛件的技術要求、鍛造方法、熱處理及其力學性能。進一步探討了提高大型海上風電法蘭鍛件力學性能的技術措施。

山東伊萊特重工有限公司是專業生產環形鍛件的廠家，大型風電法蘭是其主導產品，具備生產直徑8米大型環件的能力。近期我公司承接的8MW海上風電法蘭直徑為6.9m，內孔6.1m，法蘭截面寬度400mm，厚度190mm。此法蘭用于118m的海上風電塔架底座基礎環的法蘭連接。海上風電法蘭的服役條件比陸上風塔法蘭還要惡劣，法蘭需承載復雜的應力負荷，以適應低溫、海上風浪、臺風、暴雨等惡劣氣候的風源襲擊，使風電機組的塔架構件受到葉輪旋轉時的動負載及隨機風載荷的共同作用，這時風電機組的零部件安全運行面臨著嚴峻考驗。所以，風電塔架法蘭產品的設計選材，除考慮材料的強度和工藝性能及安全運行外，還應充分考慮材料的低溫沖擊韌度這一重要指標。

大型風電塔架法蘭鍛件，一般采用S355NL鋼（EN10025-3)鍛制，此鋼為低合金高強度結構鋼，含碳量低，錳是主要的強化元素，并加入了少量的細化晶粒元素。此次生產的海上風電法蘭用鋼的化學成分及技術要求列入表1。

表1 大型海上風電法蘭鍛件用鋼的化學成分

為了保證法蘭鍛件的低溫韌度，在鋼冶煉時，需嚴格控制鋼中磷、硫的含量，有效降低鋼中夾雜物含量。嚴格限制鋼中的“五害”元素——鉛（Pb）、錫（Sn）、砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi）,這些低熔點的元素如果在鋼中存在，因為溶解度都很小，剩余量即分布于晶界上，鋼在加熱時，就會被熔化而使鋼的塑性和韌度大幅度降低。

要使大型風電法蘭鍛件能夠滿足技術條件的高要求，除了嚴格控制鋼錠的化學成分、殘余有害元素含量，降低鋼中的夾雜物外，還要策劃嚴格的鍛造工藝流程，保證鍛件獲得足夠的鍛造比，打碎鋼中的樹枝晶，充分壓實鍛透內部金屬，減少鍛件內部缺陷，提高內部金屬的致密程度。

我公司安排該鍛件在10000t油壓機上進行鍛造，經鐓拔、沖擴孔、平整等工序，再轉到8m輾環機上進行輾擴成形。鍛件鍛造比達到10.5。輾環時嚴格控制終鍛溫度，也起到了細化晶粒的效果。

大型風電法蘭鍛制輾壓成形后，在井式電阻爐中進行加熱，加熱溫度為910℃，保溫時間為5h,出爐后進行強制冷卻。具體熱處理工藝見圖1。

圖1 熱處理工藝曲線

該工件的熱處理工藝要求，鍛件加熱至650℃保溫1.5～2h，消除溫差應力，650℃以上快速升溫，迅速通過相變溫度，增加鋼在相變時的過熱度，提高奧氏體的形核率，從而達到細化奧氏體晶粒的目的。910℃保溫后，出爐迅速移動至風場內，進行吹風+噴霧的強制冷卻，提高冷卻速度，為使工件冷卻均勻，工件在風場內不停旋轉，直到冷卻結束。熱處理后的工件，本體取樣檢測，其性能結果列入表2。

表2 大型海上風電法蘭鍛件的力學性能

鍛件金相組織檢驗，縱向、橫向的金相組織均為均勻細小的珠光體+鐵素體組織；晶粒度：縱向8.9級，橫向9.3級，沒有明顯帶狀，金相圖片參見圖2。

大型風電法蘭鍛件的力學性能技術標準要求Rm為450～600MPa，ReL≥295MPa，A≥21%，Akv（-50℃）≥50J，對比表2所列數值可知，大型風電法蘭鍛件的力學性能——縱向抗拉強度的平均值較技術要求的低限值高出21.2%，屈服強度的平均值較技術要求高出23.5%，延伸率的平均值較技術要求高出51%，沖擊功的平均值較技術要求高出129.8%。

從以上結果不難看出，大型風電法蘭鍛件實物的力學性能數據中，法蘭的強度、塑性、韌性指標都非常好，強韌性匹配優良，綜合力學性能完全滿足客戶技術要求，而且鍛件的各向異性差異不大。

大型海上風電法蘭的生產，首先要保證原材料的質量，鋼在冶煉時選用適當的脫氧劑，降低鋼中的氧化物，提高鋼的純凈度，減少鋼中的非金屬夾雜物，嚴格控制有害元素的含量。同時還要加入適量的細化晶粒元素，獲得鎮靜的本質細晶粒鋼。

法蘭在鍛造時，要保證足夠的鍛造比，充分壓實鍛透內部金屬，增加內部金屬的致密度，嚴格控制加熱溫度，防止鍛件產生嚴重過熱組織、粗晶和混晶。

熱處理時升溫到650℃時，根據法蘭截面大小適當保溫，然后按爐子功率快速加熱通過，Ac1～Ac3溫度，增加鋼在相變時的過熱度，來提高奧氏體的形核率，達到細化奧氏體晶粒的目的。出爐后采取控冷措施，強化正火冷卻速度，從而提高產品的強韌性。

圖2 金相組織圖片