高等級海上風(fēng)力發(fā)電機用鋼的研發(fā)及力學(xué)性能

孫 震, 胡 戰(zhàn), 董中波

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司, 湛江 524072)

“十三五”以來中國海上風(fēng)電快速發(fā)展，特別是2018 年以后，受技術(shù)進步、成本下降及政策調(diào)整的影響，多個沿海省份加快核準(zhǔn)并開工建設(shè)一大批海上風(fēng)電項目。在能源轉(zhuǎn)型背景下，“十四五”期間，中國海上風(fēng)電仍將延續(xù)快速發(fā)展態(tài)勢[1]。在整個海上風(fēng)場建設(shè)中，對鋼結(jié)構(gòu)的投資占總投資的20%左右，且鋼為基礎(chǔ)材料，其生產(chǎn)交付與風(fēng)電場建設(shè)進展息息相關(guān)，同時隨著海上風(fēng)力發(fā)電機向大型化方向發(fā)展，采用高強度和超高強度鋼可以有效減輕風(fēng)塔結(jié)構(gòu)自重，增加風(fēng)塔可變載荷和自持能力[2-3]。

我國海上風(fēng)力發(fā)電機起步較晚，用鋼的設(shè)計理念與制造工藝技術(shù)遠遠落后于國外一流厚板廠，現(xiàn)階段海上風(fēng)力發(fā)電機用鋼主要采用海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)為GB 712-2011《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》，屈服強度為355 MPa，牌號為DH36和EH36，交貨狀態(tài)為正火態(tài)。

隨著大型風(fēng)力發(fā)電機組數(shù)量的增加和所用鋼板厚度的增大，同時迫于降低建造成本的壓力，歐洲海上風(fēng)電廠已開始批量使用屈服強度為420 MPa或460 MPa級別鋼板，以降低鋼板厚度。近幾年，日本海上風(fēng)電廠已開始批量使用屈服強度為390 MPa和460 MPa的鋼板，并開始小批量應(yīng)用屈服強度為690 MPa級別的鋼板。

為滿足海上風(fēng)力發(fā)電機用鋼(以下簡稱風(fēng)電用鋼)的發(fā)展趨勢，寶鋼湛江鋼鐵有限公司在目前國內(nèi)海上風(fēng)電用鋼的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了符合GB 712-2011技術(shù)要求的屈服強度為460 MPa級別的DH460和EH460鋼種，筆者介紹了該兩種鋼的化學(xué)成分設(shè)計及試制工藝流程，并對EH460鋼的綜合力學(xué)性能進行了分析，供海上風(fēng)電用鋼設(shè)計單位參考。

1 鋼板化學(xué)成分及力學(xué)性能要求

DH36鋼、EH36鋼是屈服強度為355 MPa級別的海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼，目前海上風(fēng)電用鋼以其為主，而DH460鋼、EH460鋼是比DH36鋼、EH36鋼高3個強度級別的鋼種。同一強度級別的兩種鋼其成分及強度要求相同，差異在于對沖擊韌性的要求，其中DH系列鋼要求在-20 ℃時低溫沖擊性能滿足要求，EH系列鋼要求在-40 ℃低溫沖擊性能滿足要求。由于服役條件及鋼板使用位置不同，鋼的選材也不同。GB 712-2011對DH36鋼、EH36鋼、DH460鋼、EH460鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能的要求見表1和表2。其中DH36鋼、EH36鋼中的細化晶粒用鋁、鈮、釩和鈦等元素可單獨或以任一組合的形式加入。當(dāng)單獨加入時，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化晶粒元素，該標(biāo)準(zhǔn)對表1中元素含量下限的規(guī)定不適用，同時要求鈮、釩和鈦的總含量不大于0.12%(質(zhì)量分數(shù)，下同)；該標(biāo)準(zhǔn)對DH460鋼、EH460鋼添加的合金化元素及細化晶粒元素鋁、鈮、釩和鈦等的含量沒有作規(guī)定，應(yīng)符合公認的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 GB 712-2011對不同鋼種化學(xué)成分的要求(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Requirements of GB 712-2011 for chemical composition of different steel grades (mass fraction) %

表2 GB 712-2011對不同鋼種力學(xué)性能的要求Tab.2 Requirements of GB 712-2011 for mechanical propertiy of different steel grades

2 高等級海上風(fēng)電用鋼化學(xué)成分設(shè)計及試制工藝流程

由于海上風(fēng)電用鋼的使用環(huán)境極惡,長期在復(fù)雜的交變風(fēng)力載荷下承受拉伸、彎曲和剪切等作用力，因此對風(fēng)電用鋼的疲勞性能、斷裂韌性和焊接性能提出了更高的要求[4-5]。隨著大型風(fēng)力發(fā)電機組數(shù)量的增加和鋼板厚度的增大，高強度、高韌性、高塑性、高止裂性、優(yōu)良的抗疲勞性能與焊接性能的風(fēng)電用鋼板是重要的發(fā)展趨勢。

屈服強度為460 MPa級別海上風(fēng)電用鋼的設(shè)計理念及生產(chǎn)工藝與355 MPa級別海上風(fēng)電用鋼的一致，成分設(shè)計上遵循低碳含量、低碳當(dāng)量、微合金化和滿足大熱輸入焊接的原則，碳元素含量為0.07%～0.10%(質(zhì)量分數(shù),下同)，硅元素含量為0.05%～0.15%，錳元素含量為1.50%～1.60%，磷元素含量不大于0.01%，硫元素含量不大于0.001 5%及含有適量的鈮、釩、鈦、鉬、銅、鎳等合金元素。板坯產(chǎn)出后通過超快冷熱機械控制工藝(TMCP)軋制成厚度為60 mm的成品鋼板，試制工藝過程為：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。

3 試制結(jié)果及分析

3.1 顯微組織

根據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》的技術(shù)要求對試制EH460鋼板全板厚顯微組織進行觀察，顯微組織形貌見圖1。

可見，試制的海上風(fēng)電用鋼板顯微組織為貝氏體+鐵素體+少量珠光體，以貝氏體中溫轉(zhuǎn)變組織為主，是較理想的顯微組織。由于鋼板不同厚度處冷卻速率有差別，鋼板厚度方向的顯微組織也有一定的差異，但總體而言，試制鋼板各處顯微組織基本相同且均勻。

圖1 試制EH460鋼板的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of trial produced EH460 steel plate：a) 1/4 thickness from the upper surface; b) 1/2 thickness; c) 1/4 thickness from the lower surface

3.2 拉伸性能

在試制EH460鋼板上取橫向圓棒拉伸試樣(直徑為10 mm)進行室溫、高溫及低溫拉伸試驗。室溫拉伸試驗根據(jù)GB/T 228.1-2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的規(guī)定執(zhí)行；高溫拉伸試驗根據(jù)GB/T 228.2-2015 《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》的規(guī)定執(zhí)行，使用紅外加熱爐對拉伸試樣加熱并保溫，保溫時間不小于20 min，然后采用100 kN的電子拉伸試驗機進行拉伸試驗；低溫拉伸試驗根據(jù)GB/T 228.3-2019《金屬材料 拉伸試驗 第3部分：低溫試驗方法》的規(guī)定執(zhí)行，在配有低溫箱的CSS-1110型電子拉伸試驗機上進行，由液氮霧化裝置作為制冷源[6]，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 試制EH460鋼板的室溫、高溫及低溫拉伸性能試驗結(jié)果Fig.2 Tensile property test results of trial produced EH460 steel plate at room temperature, high temperature and low temperature：a) tensile test at room temperature and high temperature; b) tensile test at low temperature

室溫下EH460鋼的抗拉強度Rm為630 MPa、屈服強度Rp0.2為537 MPa、斷后伸長率A為22%，均滿足標(biāo)準(zhǔn)對EH460鋼的要求，且有較大富余量。隨著試驗溫度的升高，鋼板的強度總體呈下降趨勢，塑性總體呈上升趨勢，在試驗溫度范圍內(nèi)無拉伸強度陡變現(xiàn)象發(fā)生。低溫下隨著試驗溫度的降低，鋼板的屈服強度和抗拉強度緩慢上升，斷后伸長率變化較小，說明該鋼在低溫環(huán)境下具有較好的強塑性。

3.3 沖擊性能

在EH460鋼板縱向、橫向1/4厚度處，按照GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》的技術(shù)要求進行低溫夏比(V型缺口)沖擊試驗，結(jié)果見圖3。

圖3 試制EH460鋼板的低溫沖擊性能試驗結(jié)果Fig.3 Low temperature impact test results of trial produced EH460 steel plate:a) longitudinal; b) transverse

由圖3可知，-40 ℃下橫、縱向試樣沖擊吸收能量均在300 J以上，遠高于標(biāo)準(zhǔn)對EH460鋼的要求。根據(jù)沖擊吸收能量為50%上平臺能時所對應(yīng)的溫度和剪切斷面率為50%時所對應(yīng)的溫度，確定試制鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-80 ℃，表明試制鋼板低溫韌性優(yōu)異[7]。

對EH460鋼板縱向沖擊試樣的斷口進行掃描電鏡(SEM)分析，形貌見圖4。

圖4 試制EH460鋼板縱向沖擊試樣SEM形貌Fig.4 SEM morphology of longitudinal impact specimen of trial produced EH460 steel plate：a) at low magnification; b) position 1 at high magnification; c) position 2 at high magnification

由圖4可知斷裂擴展區(qū)形貌呈韌窩狀，斷口有明顯的形變特征，斷口呈韌性斷裂特征，表明試制鋼板試樣的沖擊韌性良好。

3.4 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)要求對試制鋼板進行沿厚度方向的全板厚拉伸試驗，沿鋼板厚度方向的抗拉強度分別為571,575,572 MPa,斷面收縮率分別為73.5%,74.2%,75.5%。

可知鋼板沿厚度方向的抗拉強度和斷面收縮率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,同時斷面收縮率均在70%以上，超過了Z向(抗層狀撕裂)鋼的最高級別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[8]。

3.5 疲勞及止裂性能

3.5.1 高周疲勞性能

為測試鋼材的疲勞強度，將試制鋼板加工成螺紋頭高周疲勞試樣，根據(jù)GB/T 3075-2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》的技術(shù)要求，選用PLG200型高頻疲勞試驗機進行試驗,設(shè)定疲勞強度對應(yīng)循環(huán)次數(shù)為107周次，應(yīng)力比R取0.1，數(shù)據(jù)處理過程參考GB/T 24176-2009《金屬材料 疲勞試驗 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方案與分析方法》的技術(shù)要求,結(jié)果見表3。

經(jīng)計算，鋼板的平均疲勞強度為256.4 MPa，表明鋼板具有優(yōu)良的抗疲勞性能?？紤]到數(shù)據(jù)可靠性較高，還分析計算了鋼板在置信度90%、失效概率10%情況下的疲勞強度下極限，結(jié)果為218.3 MPa。

3.5.2 止裂性能

按照GB/T 21143-2014《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》的技術(shù)要求對試制EH460鋼板進行-40 ℃下的CTOD(裂紋尖端張開位移)試驗，結(jié)果見表4，其中δm(B)為對于全塑性特性的第一個最大力平臺對應(yīng)的尺寸敏感斷裂抗力。

表3 試制EH460鋼板高周疲勞性能試驗結(jié)果Tab.3 Test results of high cycle fatigue property of trial produced EH460 steel plate

表4 試制EH460鋼板CTOD試驗結(jié)果Tab.4 CTOD test results of trial produced EH460 steel plate

可知鋼板-40 ℃時CTOD特征值δm(B)不小于1.06，且試驗過程中未出現(xiàn)POP-IN效應(yīng)(瞬間載荷迅速下降、位移增加很小的“突進”現(xiàn)象)，說明試制鋼板止裂性能優(yōu)異[9]。

3.6 大熱輸入焊接試驗

采用氣保護焊打底、氣電立焊正反面一次成型工藝，對試制EH460鋼板進行氣電立焊試驗。氣電立焊試驗采用氣電立焊專用焊機，焊接材料選用氣電立焊專用DWS-43G型CO2氣保護藥芯焊絲，其直徑為1.6 mm。焊接試板坡口根據(jù)氣電立焊工藝特點加工而成，焊接試板長度方向為軋向(縱向)，試板坡口示意圖見圖5，焊接工藝參數(shù)見表5。

圖5 氣電立焊試驗試板坡口示意圖Fig.5 Diagram of groove for test plate of gas electric vertical welding

表5 氣電立焊焊接工藝參數(shù)Tab.5 Welding parameters of gas electric vertical welding

對試制鋼板焊接接頭進行橫向拉伸試驗、彎曲試驗及夏比V型沖擊試驗，結(jié)果見表6。

表6 試制EH460鋼板焊接接頭力學(xué)性能試驗結(jié)果Tab.6 Mechanical property test results of welding joint of trial produced EH460 steel plate

繼續(xù)對接頭進行維氏硬度試驗，每0.5 mm取點測試，試驗部位包括母材(BM)、熱影響區(qū)(HAZ)和焊縫(WM)，結(jié)果見圖6。

圖6 試制EH460鋼板焊接接頭硬度試驗結(jié)果Fig.6 Hardness test results of welding joint of trialproduced EH460 steel plate

由表5、表6及圖6可知，氣電立焊實測單面焊接熱輸入達到124 kJ·cm-1，接頭抗拉強度達到589 MPa，接頭焊縫、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 ℃沖擊吸收能量均達到了較好水平。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，這與接頭強度分布相對應(yīng)，整個焊接接頭淬硬傾向較低。以上研究結(jié)果表明，焊接接頭具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

4 結(jié)論

(1) 同等服役情況下采用高強度鋼板可降低鋼板設(shè)計厚度，進而大幅度降低建造和安裝成本；焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)異，與母材同強同韌，鋼板具備大熱輸入焊接特性，可以保證施工效率，節(jié)約焊接時間。

(2) 在室溫至650 ℃范圍內(nèi)無拉伸性能陡變現(xiàn)象發(fā)生，且在-80 ℃低溫環(huán)境下仍具有較好的強塑性，表明材料在服役過程中不會因環(huán)境溫度變化而失效。

(3) 鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-80 ℃以下，抗層狀性能達到并超過Z向鋼的最高級別Z35的要求，低溫韌性和抗層狀撕裂性能優(yōu)異。

(4) 高周疲勞強度達到256.4 MPa，-40 ℃時CTOD特征值δm(B)不小于1.06，具有優(yōu)異的疲勞及止裂性能。