海工八角形樁腿選區電磁感應模塊式精確焊前預熱方法的研究

2021-08-20 01:05:38賴柏豪宋健張永康

機電工程技術 2021年11期

賴柏豪宋健張永康

摘要：樁腿是自升自航式風電安裝船重要承載結構。在焊接預熱過程中，海工八邊形樁腿由于其結構的復雜性容易產生冷卻速率不一致，從而導致焊接變形現象。提出八角形樁腿選區電磁感應焊前精確預熱技術，并基于電磁-熱耦合仿真方法研究模擬了恒電流、線性電流、優化線性電流3種不同的感應電流加載方式對溫度場的影響。結果表明：不同的電流加載方式下，圍板和導向板正反面溫度場均不同。在導向板基底電流為165 A ，圍板基底電流為92 A ，電流加載頻率為10 kHz時，通過優化線性電流加載幅度，加熱22 min時，在焊縫兩側75 mm范圍內，正面溫度為154.8～181℃，反面溫度為150～180.6℃，圍板在焊縫兩側100mm的范圍內，正面溫度為112.4～150.6℃，反面溫度為106.2～151.2℃，樁腿圍板和導向板正反兩面溫度均滿足精確選區預熱的溫度場要求且較為均勻。該研究對后續八邊形樁腿焊接制造工藝具有重要的理論指導價值。

關鍵詞：自航自升風電安裝船;八角形樁腿;電磁感應;選區預熱;線性加載

中圖分類號：TH133.33+1文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）11-0037-07開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on Precision Area Preheating Method before Welding of Electromagnetic Induction Module in the Marine Octagonal Pile Leg

Lai Bohao，Song Jian ，Zhang Yongkang

（School of Electromechanical Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China）

Abstract： Pile leg is an important bearing structure of a self-raised self-propelled wind power installation ship. In the process of welding preheating， the inconsistency of cooling rate due to the complexity of its structure， which leads to welding deformation. The exact preheating technology for electromagnetic induction welding was presented， and the influence of three different induction current loading modes of constant current and optimized linear current on the temperature field were studied based on the electromagnetic-thermal coupling simulation method. The results show that under the current loading modes， the plate and guide fields are different. When the guide plate base current of 165 A， boarding plate base current of is 92 A， current loading frequency of 10 kHz， by optimizing the linear current loading range and heating 22 min， the front temperature is 154.8～181℃ ， the reverse temperature is 150～180.6℃ ， 100 mm on both sides of the weld， the front temperature is 112.4～150.6℃ ， the reverse temperature is 106.2～151.2℃ ， leg circumference and guide plate meet the temperature field requirements of accurate constituency preheating and relatively uniform. The study has an important theoretical guiding value for the subsequent manufacturing process of octagonal pile leg welding.

Key words： self-propelled wind power installation ship; octagonal pile leg; electromagnetic induction; constituency preheating; linear loading

0 引言

氣候的變化正日益成為全人類共同面對的挑戰。2020年9月22日，習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[1]。海上風電是一種清潔的能源。近年來在我國迅速發展，2020年，我國海上風電新增并網裝機306萬 kW ，累計并網規模達 899萬 kW[2]，海上風電的迅速發展進一步擴大了大型海上風電安裝平臺（船）的市場需求。制造出高穩高效的海上風電安裝平臺是助力我國實現“碳達峰”“碳中和”的重要途經。

樁腿是自升自航式海上風電安裝船的重要結構，保障了風電安裝船在風大浪急的復雜海洋條件中有一個平穩的安裝環境，其自身承受著及其復雜的環境載荷。由于樁腿是由多段腿節拼焊而成的，樁腿分段焊接質量直接決定了樁腿的強度和變形，從而影響了定位銷孔的圓度、同軸度、直線度與位置精度，進而直接影響平臺上下運動的平穩性，尤其是多條腿上下運動的同步控制，錯誤安裝甚至導致整體平臺報廢[3]。樁腿使用高強鋼制造，通常分為圓筒樁腿和八角形樁腿。八角形樁腿結構復雜，焊接工藝繁瑣，冷裂紋、焊縫角變形是焊接的常見缺陷。焊前預熱是一種消除冷裂紋和焊接變形的有效方法，還可以降低焊縫處的殘余應力[4]。目前，生產現場里常用的焊前預熱方式是電阻式加熱，在圓筒形樁腿的焊接工藝中已經有著較為成熟的應用[5]。郇學東等[6]對由100 mm的E690鋼材卷制的圓柱形樁腿的打底焊接過程進行了數值模擬，發現選取150℃作為焊接預熱及保溫溫度時，焊接殘余應力及焊接徑向變形均最小。

感應預熱是一種新型的焊前預熱方法，憑借其節能、清潔、效率高的優點，越來越受到重視。近年來，國內外學者對感應預熱工藝過程作了一定的研究。汪斌等[7]對海工高強鋼焊前電阻式預熱和感應預熱兩種方法進行了對比，發現在同等工況下，感應預熱能耗降低60%，加熱效率提升40%，并且溫度場更加均勻，布線更加方便。高強鋼焊件體積巨大，結構復雜，在生產現場外難以進行感應預熱的實物試驗，因此數值有限元分析是驗證和優化感應預熱工藝效果的有效手段。顏躍文[8]對高強鋼感應預熱進行實驗，設計了一套平板船舶用鋼焊前感應預熱的設備，并使用數值模擬方法對電流、頻率、線圈形式等工藝參數進行了優化。李靜[9]對厚壁圓筒件的焊前預熱建立了更為完善的數值模型，發現感應預熱可以有效降低焊縫的殘余應力，優化了坡口形式和加熱方式對溫度場的影響。

通常情況下，感應預熱的溫度范圍是根據生產現場的經驗總結得來的，并使用同一套加熱參數進行預熱。然而，八角形樁腿這一類海工結構件形狀復雜，是由兩種不同厚度的板拼裝而成的，在使用同一套預熱參數時，厚板過冷或薄板過熱，溫度場不均勻，這導致了各焊縫間冷卻速度不一樣，這不僅降低了減少冷裂紋的效果，并可能產生更為嚴重的焊接變形。因此，需要根據樁腿的結構分區域精確地制訂預熱溫度和層間溫度。

本文將以自升自航式風電安裝船的八邊形樁腿作為研究對象，根據焊接標準 CR ISO/TR 15608、 EN? ISO-13916，分區域計算適合的預熱溫度，提出海工八邊形樁腿精確感應預熱的工藝標準。依據樁腿結構和板厚設計差異化的感應線圈形式和加熱參數，并使用 COMSOL軟件建立八邊形樁腿感應預熱的電磁-熱耦合仿真模型，求出預熱溫度場，對設計的工藝參數進行驗證和進一步優化。

1 八邊形樁腿選取精確感應預熱工藝標準

1.1 八邊形樁腿結構

第三代風電安裝船“MPI DISCOVER”號上設置有6根八邊形樁腿，如圖1所示。八邊形樁腿總長71 m ，由8個腿節拼焊而成，腿節結構如圖2所示。每個腿節有一個八邊形的定位平臺，圍板和導向板對稱分布地圍在定位平臺的八個邊上，圍板和相鄰的導向板之間的角度為45°。在每個圍板下還附有4條加強肋。在相鄰腿節之間拼焊是指對應位置的圍板和導向板進行對焊。導向板厚100 mm ，使用的鋼材為 E690。圍板厚35 mm ，使用的鋼材為 E420。E690[2]與 E420[10]兩種鋼材的主要化學成分如表1所示。

1.2 最低預熱溫度的確定

高強鋼的最低預熱溫度一般由以下幾個因素的影響：焊縫區域氫含量、母材碳當量、母材厚度和熱輸入量。焊縫區域氫含量的主要來源是受潮后所帶的水分，在焊接現場應保證焊條焊劑烘干、保溫，焊條筒保證預熱和通電，隨取隨用，并且應徹底清理坡口，去除油、水、銹，盡量避免氫元素的侵入;母材的淬透傾向通常使用碳當量來表示，碳當量越高，產生冷裂紋的傾向越大;母材的厚度影響冷卻速度、熱影響區的淬透程度，進而影響了焊縫內氫含量和殘余應力大小。熱輸入量影響焊接熱循環，但一般不采用增加線能量的方式來降低冷卻速度，因為這將可能造成過熱區晶粒粗大，接頭韌性下降，降低其抗裂性能。但熱輸入過小，冷卻速度加快，會增加淬硬冷裂傾向。

根據歐洲焊接規范 EN 1011-2[11]與生產現場實際焊接工藝參數，得到了八邊形樁腿的選區精確焊前預熱的最低預熱溫度和層間溫度如表2所示。

預熱溫度和層間溫度的測量方法依據 ISO-13916[12]規定的方法，如圖3所示，使用手持非接觸式激光測溫筆在焊縫兩側 A 范圍內進行測溫，其中， E690板厚為100 mm，A=75 mm ，E420板厚為35 mm，A=50 mm。

2 八角形樁腿選區電磁感應精確預熱模塊溫度場數值模擬

2.1 物理模型的建立

考慮到焊前感應預熱的溫度場集中在焊縫區域附近，且溫度場在各板具有對稱性，為了提高計算效率，對模型進行了如下處理：截取焊縫兩側860 mm的腿節區域;一個腿節只建立兩塊圍板和一塊導向板的模型;圍板的溫度場只求取一半，其余部分通過軟件對稱功能獲得。圍板的焊縫是單 V 型多層多道焊縫，坡口朝向內徑，在圍板外表面的焊縫根部區域布置感應線圈模塊，在外表面和線圈模塊之間貼敷一層10 mm 厚的保溫棉。考慮到導向板是關鍵結構，且板厚為100 mm ，為保證焊接質量，使用雙 V 型焊縫。在導向板外表面設置感應線圈模塊。導向板線圈模塊的內圈長度大于導向板的焊縫長度，保證了焊工在正反兩面均可以順利施焊。導向板的焊縫區域外露面積比圍板多，與空氣對流散熱，蓄熱條件相對較差，因此在導向板的正反兩面的焊縫兩側外露區域均需要貼敷10 mm厚的保溫棉。整體建模效果如圖4所示。

導向板線圈和圍板線圈使用模塊化方式建模，其詳細的幾何參數如表3和圖5所示。

2.2 數學模型

2.2.1 電磁場

電磁場的數學模型滿足 MAXWELL 方程組，其物理含義：交變的電流產生感應磁場;感應磁場產生感應電流;電場是帶電荷源的有源場，磁場的磁力線是閉合的，是無源場。

式（1）～（4）中：基本計算物理量為矢量A 磁矢勢;磁感應強度 B 為磁矢勢的旋度，T。且磁場強度 H= B/μ，A/m ，其中μ代表磁導率，H/m;H再取旋度為電流密度 J ，A/m3;電流密度 J 分成感應電場導致的感應電流密度σE 和位移電流 jωD ; D 為位移電場，C/m2;σ代表電導率，S/m;ω為電流角頻率，ω=2πf;f為電流頻率，Hz ;E 為電場強度，N/C。

由于基本變量A 磁矢勢在方程里面無初始約束的情況下無唯一解，任意的A′=A+?φ，?A′=?A ，需要利用磁矢勢規度修復令散度為0，使得

?·A =0（5）

2.2.2 熱場

在感應加熱的過程中，渦流效應產生焦耳熱。由于樁腿整體結構的不均勻性，整體溫度場會產生溫度梯度，高溫熱量朝低溫區域傳導，遵守傅里葉定律;溫度升高的樁腿、線圈和保溫棉與室溫環境的空氣形成溫差，產生熱量交換，遵守熱對流定律;同時，溫度升高的區域成為一個新熱源，向低溫區域輻射熱量，遵守熱輻射定律。

熱傳導模型為：

式中： T 為溫度， K;ρ為密度，kg/m3; Cp 為恒壓熱容， J/（ kg ·K ）;矢量場 u 為有流體存在時的流速場，預熱在無風靜止室內環境進行，不考慮流體項故 u=0;q 為熱量矢量場，可理解為熱流，J;k 為熱導率，W/（ m ·K ）。

模型考慮換熱和輻射，換熱模型為：

定義物體表面熱量的換熱法向流量為參考溫度差的正比。q0為對流熱通量，J;h 為傳熱系數，W/（ m2·K ），根據工程經驗，取樁腿工件與空氣的傳熱系數 h1=5 W/（ m2·K ），保溫棉與空氣的傳熱系數 h2=4 W/（ m2·K ），線圈模塊與空氣的傳熱系數為 h3=8 W/（ m2·K ）; Text 為外部環境溫度，K ;預熱環境為室溫，取 Text=293.15K。

熱輻射模型為：

定義輻射熱量法向流量為輻射率和斯特藩玻爾茲曼（輻射規律常數）和溫度四方差的乘積。其中，ε為輻射率，σ為輻射規律常數，取值為5.67 W/m2K4。

為降低計算量在模型對稱面利用對稱邊界，設：

定義法向熱量為0，即兩邊對稱等溫，不存在熱擴散。

2.2.3 耦合場

在多物理場電磁場和熱場的耦合中，頻域—瞬態的耦合方程組為：

式中：ρ為密度，kg/m3; Cp 為恒壓熱容，J/kg℃; k 為熱傳導系數，W/（m ·℃）; T 為時間， s ;u=u（ t ，x ，y ，z ），為時間變數 t 與空間變數（x ，y ，z ）的函數。Qe為電磁熱損耗;Qrh為電損耗的熱量;Qml為磁場損耗的熱量，J。

2.3 材料屬性

E690、E420鋼板的相對磁導率、電阻率、導熱系數和比熱容是和溫度相關的函數，根據兩種金屬的已知化學成分使用JMatPro計算得出，如表4～5所示。保溫棉選材為硅酸鋁纖維，導熱率設置為0.03 W/（ m ·K ）。空氣的相對磁導率設置為1。感應線圈選材為銅線，相對磁導率為1，電阻率為0.0172Ω? m 。

2.4 網格劃分與邊界條件

當導體中通入交變電流時，電流在導體中的分布是不均勻的，在導體外表面電流分布密集，電流密度大，在導體內部電流密度小，導體中的電流密度由表面向中心呈現冪指數規律逐漸遞減的現象，這種效應叫做集膚效應也稱趨膚效應[8]。在感應加熱過程中在電流透入深度內產生的能量用于金屬加熱，導體內層金屬的加熱是通過熱傳導完成的。因此在集膚深度附近應加密網格。在線圈一側的金屬表面設置邊界層，邊界層數為3，邊界層拉伸因子為1.8。

線圈、樁腿、保溫棉設為四面體類型網格，加熱線圈模塊設為掃掠網格，為模擬生產現場的空氣環境，構建7 m×7 m×2 m的長方體空氣域，空氣域網格類型為四面體。網格的大小限制在0.01～0.6 mm范圍內，最大單元增長率設為1.5，曲率因子設為0.6，狹窄區域分辨率設為0.5。劃分完網格后一共產生32040個網格節點，179847個單元，最小單元質量為0.01362，平均單元質量為0.5918。網格劃分效果如圖6所示。

3 結果與討論

電流的加載方式對于溫度場的均勻性有著重要的影響。恒電流大小加載控制方式簡單，但可能會導致局部過熱而無法達到整體溫度場的要求。電流線性加載或間斷加載的方法可以使局部過熱的地方充分散熱，以控制整體溫度場，達到選區精確預熱的目的。

3.1 恒電流加載

八邊形樁腿的結構均屬于厚板件，屬于中頻感應加熱，選擇電流的頻率為10 kHz 。導向板和圍板的厚度不一致，選取較厚的導向板預熱電流為165 A ，較薄的圍板的預熱溫度為92 A 。加熱時間根據模擬得到的溫度場進行實時調整，由表1對導向板和圍板的精確預熱溫度和層間溫度的標準進行對比后發現，導向板對溫度場的均勻性要求更高，因此，以導向板的溫度場的一面或兩面達到規定溫度場的加熱時間為準。厚板對溫度恒電流加載，匝數為13匝，求取溫度場，對參數有效性進行驗證。

使用恒電流加載時，導向板正面在加熱1.4 min時接近達標。求得此時導向板正反面溫度場、圍板正反面溫度場如圖7所示。由圖7（a）～（b），導向板正面焊縫兩側75 mm處的溫度場的范圍為147.3～176.2℃，在板的橫軸零點處±400 mm范圍內溫度高且分布均勻，而在板的邊緣與導向板連接的位置出現溫度的低值，在坐標（0.6，0.1）處溫度為147.3℃，此位置位于焊縫兩側75 mm范圍內，溫度不達標。導向板反面的溫度場分布規律與正面相似，焊縫兩側75 mm 處溫度范圍143.7～176.1℃，同樣在板的邊緣與導向板連接的位置出現溫度的低值。這是由于在該位置，導向板通過焊接與圍板連接，熱量通過熱傳導的方式由導向板傳向圍板。由圖7（c）～（d），在圍板正面焊縫兩側100 mm處的溫度場范圍為142.5～184.5℃，反面溫度場125.9～152.7℃，正反兩面溫度均無法達標。從縱向坐標來看，由于在圍板使用單 V 型焊縫，正面為坡口根部，空間狹窄且正面貼敷保溫棉，散熱條件差，容易造成熱量集中，因此正面溫度較高。圍板反面為單 V 型坡口的頂部，與空氣接觸形成熱對流，且有兩根加強肋板與之連接形成熱傳導，散熱條件好，因此溫度較低。從橫向坐標來看，圍板正反兩面與導向板連接處的區域溫度較高，遠離連接處的中間區域溫度相對較低。

3.2 線性電流加載

恒電流加載時，關鍵部件導向板在僅加熱1.4 min時即可接近要求的溫度場，可見感應預熱的效率之高。然而短時間內的高功率加熱容易導致局部過熱，并且散熱條件也由于時間過短存在局限。可以考慮使用線性加載的電流，緩慢提升加熱功率，延長加熱時間，以獲得更好的散熱條件。線性電流加載的設置如下：導向板基底電流為165 A ，圍板基底電流為92 A ，導向板加載的實時電流為165×pw1（t） A ，圍板加載的實時電流為92×pw1（t） A ，pw1（t）函數圖線如圖8所示。在加熱時間為13.6 min 時，導向板正反兩面的溫度場均已達標。故求取 t=13.6 min時的溫度場進行分析。

由圖9可知，線性電流加載方式下導向板與圍板的溫度場規律與恒電流加載時類似。由圖9（a）～（b）所示，在與圍板連接的區域存在低溫區域。焊縫兩側75 mm 范圍內的正面溫度為151.5～176.6℃，反面溫度為149.4～177.9℃。由此可見，使用線性電流加載的方法有效。然而，有圖9（c）～（d）所示，圍板在焊縫兩側100 mm 范圍內的正面溫度為122.5～177.6℃，反面溫度為111.4～145.7℃，在圍板正面的焊縫坡口根部存在177.6℃的高溫點，薄板正面的溫度場無法達標。

3.3 優化線性電流的加載

線性電流的加載方式使樁腿結構內部的熱傳導、與外部環境空氣的熱對流更加充分，因此熱量分布更加均勻，對工件的整體溫度場有明顯改善作用，但在局部區域仍然存在不達標的高溫點。逐步降低電流值可以達到最佳的散熱效果，使溫度場更加均勻，但該方法會整體使溫度場偏低。考慮到在進行焊前預熱后還要使用加熱模塊對樁腿整體進行消氫處理，消氫溫度范圍為200～250℃。因此在感應預熱的過程中，過程溫度達到200℃是合理的。使用線性加載的方式增加電流，當工件到達溫度峰值后再使用線性加載的方式減小電流，并至此之后維持一個恒電流，保持加熱與散熱的平衡，保證溫度場基本穩定，既有利于感應預熱溫度場的達標，也為焊后消氫工藝提供一個良好的起步溫度平臺。線性電流加載優化后的設置如下：導向板基底電流為165 A ，圍板基底電流為92 A ，導向板加載的實時電流為165×pw2（t） A ，圍板加載的實時電流為92×pw2（t） A， pw2（t）函數圖線如圖10所示，求取加熱時間 t=22 min 時的溫度場進行分析。

由圖11（a）～（b），優化線性電流加載得到的導向板溫度場分布規律與恒電流加載、線性電流加載時類似，在焊縫兩側75 mm 范圍內，正面溫度為154.8～181℃，反面溫度為150～180.6℃，正反兩面溫度場均達標，并且在與圍板連接的低溫區域溫度為150～161.7℃，與線性電流加載工況相比，溫度有所提高，整體溫度場的均勻性有所改善。如圖11所示，圍板在焊縫兩側100 mm的范圍內，正面溫度為112.4～150.6℃，反面溫度為106.2～151.2℃，正反兩面溫度均達標。在圍板焊縫坡口根部的熱量集中現象緩解，最高溫度降至151.2℃，溫度場沿焊縫兩側的分布均勻性比前兩種工況更佳。綜合圖11，導向板和圍板正反兩面焊縫兩面溫度場均已達到表1規定的最低預熱溫度和層間溫度，對八邊形樁腿復雜結構進行精確的選區焊前預熱的工藝目標已經達成。

4 結束語

本文研究制訂了八角形樁腿焊前預熱的最低預熱溫度和層間溫度，設計了一種選區電磁感應焊前精確預熱模塊，使用 COMSOL建立了八角形樁腿和預熱模塊的電磁-熱耦合數值模型。研究模擬了恒電流、線性電流、優化線性電流3種不同的感應電流加載方式對溫度場的影響。優化的線性電流加載方式是先線性增加電流值，達到峰值后線性減小電流值，該加載方法得到的溫度場滿足精確選區預熱的溫度場要求，并且較均勻，對實際生產工藝參數的調整有良好的借鑒意義。

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