海上風(fēng)車安裝船樁腿安裝焊接工藝優(yōu)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(fēng)車安裝船樁腿安裝焊接工藝優(yōu)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(xì)介紹了一種高效低成本的海上風(fēng)車安裝船JB118-SEA3250樁腿的安裝、焊接工藝及方法，闡述了超高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)難點(diǎn)及解決方法。這是國內(nèi)首次將高效低耗的中頻感應(yīng)加熱方法應(yīng)用于超高強(qiáng)鋼級大型圓柱型樁腿的焊接，獲得了優(yōu)異的焊接接頭性能，簡化了樁腿的安裝工藝。

樁腿；超高強(qiáng)鋼；中頻感應(yīng)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(fēng)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(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝作業(yè)的自升式平臺，船型為SEA-3250（見圖1）。

該風(fēng)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(shè)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(qiáng)鋼（ABSEQ70）樁腿4根，每根樁腿的升降能力達(dá)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(zhuǎn)主吊機(jī)和4臺外掛式馬達(dá)推動的動力定位系統(tǒng)。該平臺主要利用甲板上的1 000 t吊機(jī)將船升至工作高度，然后進(jìn)行45 m水深范圍的風(fēng)電設(shè)備安裝和吊運(yùn)工作。

圖1 JB118 SEA-3250風(fēng)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(zhì)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(shí)現(xiàn)與船體合攏安裝。租用大型浮吊需耗費(fèi)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(yù)制為長度不等的3段，然后分段組裝。各段參數(shù)見表1。

表1 樁腿各段參數(shù)

組裝A、B段時，僅使用門坐式吊機(jī)即可；在進(jìn)行C段組裝時，只需租用較小噸位的浮吊（1 500 t）。經(jīng)此改進(jìn)后，可節(jié)約租賃費(fèi)用近300萬元，但由于樁腿材料的特殊性，其制作難點(diǎn)是焊接質(zhì)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(qiáng)鋼ABS EQ70，該鋼種可焊性較差，材料性能如下：最小屈服強(qiáng)度為690 MPa；抗拉強(qiáng)度為770～940 MPa；沖擊最小單個值為69 J（縱向）、46 J（橫向）；試驗(yàn)溫度為-40℃；延伸率為14%。

樁靴分段的材質(zhì)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(qiáng)鋼EQ70的焊接，如何使焊接接頭達(dá)到與母材同等的韌性和強(qiáng)度要求，特別是EQ70焊接后沖擊值要求達(dá)到69 J（-40℃）（2013年ABS規(guī)范），同時又滿足工期進(jìn)度要求，是焊接技術(shù)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(yù)熱方式及接頭型式上，經(jīng)過認(rèn)真推敲和多次試驗(yàn)，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(yīng)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(jīng)過多次試驗(yàn)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(nèi)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(chǔ)。

圖2 接頭合攏坡口

3 工藝亮點(diǎn)

3.1 焊縫沖擊韌性達(dá)到69 J（-40℃）

ABS EQ70為超高強(qiáng)鋼，碳當(dāng)量Ceq=0.55%～0.56%，其延伸率只有14%，韌性較差。其焊接難點(diǎn)有：

（1）根部焊縫的沖擊值較低，不容易達(dá)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(dǎo)致其熱影響區(qū)容易產(chǎn)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(chǎn)生浹鎢和浹渣。

因此，為避免在焊接時產(chǎn)生冷裂紋、氣孔浹渣等缺陷，得到良好的機(jī)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(wěn)定可靠的法國奧林康TENACITO80（CL）焊條，嚴(yán)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(shù)。

表3 焊接工藝參數(shù)

（3）選擇合適的預(yù)熱溫度，并嚴(yán)格控制預(yù)熱和層間溫度，控制線能量的輸入在合理的范圍內(nèi)，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(yīng)力。

（4）在保證焊接操作性的情況下，坡口應(yīng)盡量小，減少填充金屬量，從而減小了收縮應(yīng)力，有利于防止產(chǎn)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(yīng)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(jī)械性能完全滿足規(guī)范要求，沖擊韌性高達(dá)79 J（-40℃），見表4、表5。

表4 焊接接頭機(jī)械性能

表5 沖擊試驗(yàn)69 J（-40℃）

3.2 預(yù)熱新方法

由于樁腿強(qiáng)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(yù)熱溫度，否則焊縫的機(jī)械性能將無法保證。焊接工程師經(jīng)過查閱資料和調(diào)研，提出了一個創(chuàng)新的預(yù)熱方案，采用中頻感應(yīng)加熱，該方法不僅高效節(jié)能，最關(guān)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(zhì)量的必要條件。該預(yù)熱方法在超高強(qiáng)鋼級大型圓柱型樁腿焊接上的應(yīng)用在國內(nèi)尚屬首創(chuàng)。

中頻感應(yīng)加熱機(jī)采用美國Miller Proheat35機(jī)型（見圖3），兩臺機(jī)分別布置于接口兩側(cè)，同時工作，在焊接過程中設(shè)定好預(yù)熱溫度，達(dá)到設(shè)定溫度時，自動停機(jī)；溫度降下來后，設(shè)備自動開啟，加熱至最低設(shè)定溫度，保證了焊接過程中的層間溫度不低于預(yù)熱溫度，而且節(jié)能環(huán)保。

該方案另一個顯著的優(yōu)點(diǎn)是其發(fā)熱原理為電磁感應(yīng)，改變了電阻生熱由外向內(nèi)熱傳導(dǎo)的傳遞方式，因此，焊接過程中無需將加熱設(shè)備取下，這樣可以實(shí)現(xiàn)樁腿內(nèi)外側(cè)同時對稱施焊，改善了接頭的應(yīng)力狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率，改善了焊工的工作環(huán)境，降低了焊工的勞動強(qiáng)度。

圖3 Miller Proheat 35中頻感應(yīng)加熱機(jī)

3.3 焊接順序（見圖4）

在內(nèi)側(cè)焊接5～6層后，打磨外側(cè)清根，將滲碳層完全磨掉，露出金屬光澤，然后焊接外側(cè)焊縫，待外側(cè)焊縫完成量與內(nèi)側(cè)相當(dāng)時，則內(nèi)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(zhì)量的不利影響，保證了焊接質(zhì)量。

圖4 接頭焊接順序

4 結(jié)束語

按照以上嚴(yán)密的工藝要求完成了樁腿的焊接施工，接頭在焊后72 h進(jìn)行100%UT和RT探傷，合格率100%，得到了滿意的焊接質(zhì)量。而以往690鋼按常規(guī)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(shè)計合理，簡便優(yōu)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(yè)于天津大學(xué)機(jī)械系焊接工藝及設(shè)備專業(yè)，從事船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)焊接工藝研究工作。

2014-04-04