大熱輸入焊接高性能海上風(fēng)力發(fā)電用鋼的研發(fā)及力學(xué)性能

胡 戰(zhàn), 劉自成, 董中波

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司, 湛江 524072)

海上風(fēng)力發(fā)電具有海風(fēng)資源穩(wěn)定和電功率高的特點(diǎn)，近期在世界各地快速發(fā)展。中國海岸線超過18 000 km，島嶼超過6 000個(gè)，海上風(fēng)能資源較為豐富，發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電(以下簡稱風(fēng)電)條件相對(duì)優(yōu)越[1-2]。此外，相比陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電產(chǎn)能較高，且受社會(huì)因素干擾較少，具有更顯著的優(yōu)勢和開發(fā)前景。

現(xiàn)階段我國海上風(fēng)電用鋼主要采用海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼，參考的標(biāo)準(zhǔn)為GB 712-2011《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》，牌號(hào)為DH36和EH36，交貨狀態(tài)為正火態(tài)。DH36和EH36鋼板的碳含量和碳當(dāng)量較高，但正火態(tài)鋼板的強(qiáng)韌性、強(qiáng)塑性匹配及焊接性與國外一流鋼廠采用熱機(jī)械控制工藝(TMCP)生產(chǎn)的鋼板力學(xué)性能相比還存在較大差距，且焊接熱輸入一般在50 kJ·cm-1及以下，在大熱輸入(熱輸入大于50 kJ·cm-1)焊接情況下，焊接接頭的力學(xué)性能(如韌性、耐疲勞性能、止裂性能 )會(huì)明顯下降，甚至?xí)陀谀覆牡摹?/p>

國際上，21世紀(jì)以來，特別是隨著TMCP技術(shù)及裝備的快速發(fā)展，以德國與日本為代表的國外一流中厚板廠開始采用TMCP生產(chǎn)低碳含量、低碳當(dāng)量及可大熱輸入焊接的高性能海上風(fēng)電用鋼[3-4]。

鑒于我國海上風(fēng)電起步較晚，用鋼的設(shè)計(jì)理念與制造工藝技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外一流厚板廠，為助推我國海上風(fēng)電行業(yè)的健康、持續(xù)發(fā)展，成功研發(fā)了新一代可大熱輸入焊接的高性能海上風(fēng)電用鋼。筆者討論了高性能海上風(fēng)電用鋼的開發(fā)機(jī)理、標(biāo)準(zhǔn)要求及生產(chǎn)工藝，并對(duì)試制的EH36鋼板進(jìn)行了一系列性能檢驗(yàn)及分析。

1 開發(fā)機(jī)理

碳是提高鋼強(qiáng)度的最重要的化學(xué)元素，但碳對(duì)許多工藝性能如焊接性能、成形性能有不利的影響，因此物理冶金學(xué)家們建議用其他強(qiáng)化機(jī)制代替碳的強(qiáng)化。晶粒細(xì)化是同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性的最有效的方法，而TMCP技術(shù)可以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的[5]，其是通過對(duì)鋼坯加熱溫度、軋制溫度、變形量、終軋溫度和軋后冷卻工藝等參數(shù)的合理控制，把成形過程與顯微組織的控制過程結(jié)合起來，以獲得良好的顯微組織，從而明顯提高材料的強(qiáng)韌性。

為保證海上風(fēng)電用鋼的強(qiáng)韌性和焊接性能，新一代海上風(fēng)電用鋼成分設(shè)計(jì)采用低碳含量及添加鈮、鈦微合金化的設(shè)計(jì)思路，工藝上采用TMCP技術(shù)。原始晶粒尺寸對(duì)成品的晶粒度影響很大，因此軋制過程分為兩階段。板坯出爐后，粗軋階段在再結(jié)晶區(qū)通過多道次變形再結(jié)晶實(shí)現(xiàn)奧氏體晶粒細(xì)化，再通過軋制大壓下量變形儲(chǔ)能，為奧氏體再結(jié)晶提供驅(qū)動(dòng)力。

奧氏體晶粒的細(xì)化主要是通過靜態(tài)再結(jié)晶實(shí)現(xiàn)的，這種晶粒細(xì)化方式的效果有限。要進(jìn)一步細(xì)化鋼中奧化體的晶粒，則需要通過奧氏體-鐵素體相變來實(shí)現(xiàn)。由于奧氏體-鐵素體相變后鐵素體晶粒的大小取決于其形核和長大速度，顯然鐵素體的形核速率越大，長大速度越小，則晶粒越細(xì)。在奧氏體-鐵素體相變溫度范圍內(nèi)，形變溫度越低，越有利于鐵素體晶粒的細(xì)化，為了充分細(xì)化鐵素體晶粒，精軋開始軋制時(shí)溫度應(yīng)盡可能接近相變開始溫度Ar3，所以微合金成分上采用添加鈮、釩、鈦等元素?cái)U(kuò)大奧氏體-鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)間來降低Ar3。

通過水冷提高軋后冷卻速率能明顯降低Ar3，有效地增加了相變細(xì)化晶粒作用。該方法是通過控制變形奧氏體的組織狀態(tài)，阻止晶粒長大或碳化物過早析出形成網(wǎng)狀碳化物，固定由于變形引起的位錯(cuò)，增加相變的過冷度，獲得的最終顯微組織為細(xì)鐵素體+貝氏體+細(xì)珠光體+彌散的碳氮化物，以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，可以在提高鋼強(qiáng)度的同時(shí)提高韌性，使鋼板具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的抗疲勞性能及焊接性能等特點(diǎn)[6]。

2 化學(xué)成分及力學(xué)性能要求

DH36，EH36鋼是屈服強(qiáng)度為355 MPa級(jí)別的海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼，GB 712-2011對(duì)兩者化學(xué)成分及強(qiáng)度的要求相同，差異在于對(duì)沖擊韌性的要求，DH36鋼為在-20 ℃下低溫沖擊性能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，EH36鋼為在-40 ℃下低溫沖擊性能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。服役條件及鋼板使用位置不同，設(shè)計(jì)時(shí)的選材也不同。GB 712-2011對(duì)DH36，EH36鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能的要求見表1和表2。細(xì)化晶粒元素鋁、鈮、釩、鈦可單獨(dú)或以任一組合的形式加入鋼中。當(dāng)單獨(dú)加入時(shí)，其含量應(yīng)符合表1的規(guī)定；若混合加入兩種或兩種以上細(xì)化晶粒元素，表中細(xì)晶元素含量下限的規(guī)定不適用，同時(shí)要求鈮、釩和鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和不大于0.12%。

表1 GB 712-2011對(duì)DH36，EH36鋼板化學(xué)成分的要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Requirements for chemical composition of DH36 and EH36 steel plates in GB 712-2011 (mass fraction) %

表2 GB 712-2011對(duì)DH36，EH36鋼板力學(xué)性能的要求Tab.2 Requirements for mechanical properties of DH36 and EH36 steel plates in GB 712-2011

3 成分設(shè)計(jì)及試制工藝流程

由于海上風(fēng)電用鋼的使用環(huán)境惡劣，應(yīng)用在波浪、海潮、風(fēng)暴及寒冷流冰等嚴(yán)峻的海洋工作環(huán)境中，長期承受拉伸、彎曲和剪切等作用力，因此要求鋼板具有高強(qiáng)度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂及良好的焊接性、冷加工性、耐海水腐蝕等性能[7-8]。因此采用低碳含量、低碳當(dāng)量、微合金化及適用大熱輸入焊接的成分設(shè)計(jì)體系，通過超快冷TMCP技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)韌化、位錯(cuò)強(qiáng)化及相變強(qiáng)化相疊加效應(yīng)，生產(chǎn)出可采用大熱輸入焊接的高性能風(fēng)電用鋼板是發(fā)展趨勢。

研發(fā)的該新一代高性能海上風(fēng)電用鋼中碳含量為0.07%～0.10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，硅含量為0.05%～0.15%，錳含量為1.48%～1.58%，磷含量不大于0.01%，硫含量不大于0.001 5%及含有適量的鈮、釩、鈦等合金元素。將板坯軋制成厚度為60 mm的成品鋼板，試制工藝流程為：鐵液→鐵液預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→精煉→2 300 mm連鑄→堆冷→板坯檢查→二切→加熱→高壓水除鱗→4 200 mm粗軋→4 200 mm精軋→預(yù)矯→Mulpic(多功能間歇式噴射冷卻裝置)加速冷卻→熱矯→精整→鋼板檢驗(yàn)。

根據(jù)試制流程可知，新一代海上風(fēng)電用鋼采用TMCP技術(shù)生產(chǎn)，無需正火熱處理，在生產(chǎn)周期上縮短了約15 d(天)，大大節(jié)約了海上風(fēng)電的加工制造時(shí)間，有利于海上風(fēng)電的發(fā)展。

4 結(jié)果及分析

4.1 顯微組織

根據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》的技術(shù)要求對(duì)試制EH36鋼板全板厚進(jìn)行金相檢驗(yàn)，顯微組織形貌見圖1。

圖1 試制EH36鋼板厚度方向不同位置的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of different positions in thickness direction of trial production EH36 steel plate：a) 1/4 thickness from the upper surface; b) 1/2 thickness; c) 1/4 thickness from the lower surface

可見試制EH36鋼板的顯微組織為貝氏體+鐵素體+少量珠光體，以貝氏體中溫轉(zhuǎn)變組織為主，得到了理想的顯微組織類型。冷卻過程中，由于不同厚度處冷卻速率有差別，因此鋼板沿厚度方向的顯微組織有一定的差別，但總體而言鋼板組織均勻，鋼質(zhì)純凈。

4.2 拉伸性能

對(duì)試制EH36鋼板取橫向拉伸試樣(直徑為10 mm)并進(jìn)行室溫、高溫及低溫拉伸試驗(yàn)。室溫試驗(yàn)根據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求進(jìn)行，高溫試驗(yàn)根據(jù)GB/T 228.2-2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2部分：高溫試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求，采用E45型紅外加熱爐對(duì)試樣加熱并保溫，保溫時(shí)間不小于20 min，然后在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；低溫試驗(yàn)采用配有低溫箱的CSS-1110型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)GB/T 228.3-2019《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第3部分：低溫試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求進(jìn)行，室溫、高溫及低溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 試制EH36鋼板室溫、高溫及低溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of tensile properties of trial production EH36 steel plate at room temperature, high temperature and low temperature：a) tensile test at room and high temperature; b) tensile test at low temperature

室溫下試制EH36鋼板常規(guī)拉伸試驗(yàn)結(jié)果為：Rm為532 MPa，Rp0.2為434 MPa，A為35%，可見均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，且有較大富余量。在室溫及高溫拉伸試驗(yàn)中，隨試驗(yàn)溫度的升高，鋼板的強(qiáng)度總體呈下降趨勢，塑性總體呈上升的趨勢，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)無抗拉強(qiáng)度性能陡變現(xiàn)象發(fā)生。在低溫拉伸試驗(yàn)中，隨試驗(yàn)溫度的降低，鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度緩慢上升，斷后伸長率的變化較小，說明該鋼在低溫環(huán)境下具有較好的強(qiáng)塑性。

4.3 沖擊性能

根據(jù)GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求在試制EH36鋼板的縱向、橫向1/4厚度處取樣并進(jìn)行低溫夏比(V型缺口)沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 試制EH36鋼板橫、縱向試樣沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Impact property test results of trial production EH36 steel plate of a) transverse and b) longitudinal specimens

可知試制EH36鋼板-40 ℃下沖擊吸收能量均在300 J以上，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的要求。根據(jù)沖擊吸收能量為50%上平臺(tái)能時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度和剪切斷面率為50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，確定試制鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-80 ℃，表明其低溫韌性優(yōu)異[9]。

選取縱向沖擊試樣的典型斷口進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析，結(jié)果見圖4。可見斷口為韌性斷口，裂紋擴(kuò)展區(qū)呈韌窩狀。沖擊斷口有明顯的形變特征，表明鋼板試樣的沖擊韌性良好。

4.4 抗層狀撕裂性能

按照GB/T 5313-2010《厚度方向性能鋼板》的技術(shù)要求對(duì)試制EH36鋼板進(jìn)行厚度方向的全板厚拉伸試驗(yàn)，其斷面收縮率Z結(jié)果見表3。

表3 試制EH36鋼板厚度方向拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Tensile test results of trial production EH36 steelplate in thickness direction

可知鋼板厚度方向的斷面收縮率均大于70%，達(dá)到并超過了Z向(抗層狀撕裂)鋼的最高級(jí)別Z35(斷面收縮率不小于35%)的要求，表明該鋼具有良好的抗層狀撕裂性能[10]。

4.5 疲勞及止裂性能

4.5.1 高周疲勞

將試制EH36鋼板加工成螺紋頭的高周疲勞試樣，試驗(yàn)設(shè)備選用PLG200型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī),設(shè)定疲勞極限對(duì)應(yīng)循環(huán)基數(shù)為107周次，應(yīng)力比R取0.1，根據(jù)GB/T 3075-2008《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》的技術(shù)要求，采用升降法測試材料的疲勞極限，然后根據(jù)GB/T 24176-2009《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法》的技術(shù)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,結(jié)果見表4。

表4 試制EH36鋼板高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 High cycle fatigue test results of trial productionEH36 steel plate

可見試制EH36鋼板平均疲勞強(qiáng)度為227.8 MPa，表明鋼板具有優(yōu)良的抗疲勞性能?？紤]數(shù)據(jù)的可靠性，還分析計(jì)算了鋼板在置信度90%、失效概率10%情況下的疲勞強(qiáng)度下極限，結(jié)果為208.2 MPa。

4.5.2 止裂性能

根據(jù)GB/T 21143-2014《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求，對(duì)試制EH36鋼板進(jìn)行-40 ℃下的母材CTOD(裂紋尖端張開位移)試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 試制EH36鋼板CTOD試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 CTOD test results of trial production EH36 steel plate

可見鋼板-40 ℃下的CTOD特征值δm(B)不小于1.41 mm，且試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)POP-IN效應(yīng)(瞬間載荷迅速下降、位移增加很小的“突進(jìn)”現(xiàn)象)，說明試制鋼板的止裂性能優(yōu)異[11]。

4.6 大熱輸入焊接性能

采用氣體保護(hù)焊打底，氣電立焊正反面一次成形工藝，對(duì)鋼板進(jìn)行氣電立焊試驗(yàn)。試驗(yàn)采用氣電立焊專用焊機(jī)，焊接材料選用氣電立焊專用CO2氣保護(hù)藥芯焊絲，型號(hào)為DWS-43G，直徑為1.6 mm。焊接試板坡口根據(jù)氣電立焊工藝特點(diǎn)制定，焊接試板長度方向?yàn)檐埾?縱向)，試板坡口示意圖見圖5，焊接工藝參數(shù)見表6。

圖5 氣電立焊試驗(yàn)試板坡口示意圖Fig.5 Groove diagram of test plate for gas electric vertical welding

表6 氣電立焊焊接工藝參數(shù)Tab.6 Welding parameters of gas electric vertical welding

對(duì)其焊接接頭進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)、接頭彎曲試驗(yàn)及焊接接頭夏比(V型缺口)沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表7。

表7 試制EH36鋼板大熱輸入焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Mechanical property test results of welded joint of trial production EH36 steel plate with high heat input

對(duì)氣電立焊焊接接頭進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，每0.5 mm測試一點(diǎn)，試驗(yàn)部位包括母材(BM)、熱影響區(qū)(HAZ)和焊縫(WM)，結(jié)果見圖6。

圖6 試制EH36鋼板大熱輸入焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Hardness test results of welded joint of trial productionEH36 steel plate with high heat input

可見氣電立焊實(shí)測單面焊接熱輸入超過100 kJ·cm-1，焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到528 MPa，焊縫、熔合線、熔合線外1 mm熱影響區(qū)及熔合線外3 mm熱影響區(qū)-40 ℃時(shí)沖擊吸收能量均較高。表明焊縫區(qū)硬度最高，熱影響區(qū)沒有明顯硬化及軟化現(xiàn)象，與接頭強(qiáng)度分布相對(duì)應(yīng)，整個(gè)焊接接頭淬硬傾向較低。綜上表明，焊接接頭具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

5 結(jié)論

基于超快冷熱機(jī)械控制工藝研發(fā)的新一代高性能海上風(fēng)電用鋼中含有碳、硅、錳、磷、硫及適量的鈮、釩、鈦等合金元素。該鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-80 ℃以下，抗拉強(qiáng)度為532 MPa，屈服強(qiáng)度為434 MPa，疲勞強(qiáng)度為227.8 MPa，斷面收縮率大于70%，具有生產(chǎn)周期短、交付快、韌性高、抗層狀撕裂性能好、耐疲勞性能好、止裂性能優(yōu)異及可采用大熱輸入焊接等特點(diǎn)。