埋弧横焊工艺在海上风电项目中的研究应用

埋弧横焊工艺在海上风电项目中的研究应用

唐雷廷

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摘要：上风力发电建筑物受多变的风向和风速、高盐和高湿环境、冲刷、软土地基等影响，长期运行的稳定性受到巨大挑战。因此海上风电机组在线安全监测势在必行，在建设期通过安装振动、腐蚀、倾斜、沉降等监测设备并实现自动化、远程化、在线化，根据监测数据对风力发电机组运行情况分析是目前风力发电维护管理的主要手段，可靠性受到业内的高度关注和好评。本文将重点梳理海上风电安全监测设备安装施工要点，为海上风电安全监测设备安装施工提供参考。

关键词：埋弧横焊工艺；海上风电；研究应用

引言

为应对全球气候变化和发展清洁能源，欧美等国较早地研究和开发了海上风电技术。与陆上风电场相比，海上风电场不占用土地资源，不受地形地貌影响，风速更高更稳，单机容量更大，年利用小时数更多。自1991年丹麦安装了世界上第一台海上风机以来，欧洲在海上风电装机和风机技术创新方面一直处于领先地位。英国计划2030年40%的发电量来自海上风电，德国于2020年批准的《海上风电法》修正案中明确了2040年海上风电40GW的目标；根据欧盟委员会（EC）规划，2050年，欧洲海上风电总装机容量450GW。美国能源部（DOE）计划2030年海上风电总装机容量30GW，旨在推动美国海上风电行业发展，助力解决气候危机。

1海上风电基础结构类型

海上风力发电结构通常由较高的通风机塔和较低的基础设施组成，后者是风电场设计的一个关键要素，建造成本约占通风机的40%。基础设施不仅承受着上层建筑的重量，而且承受着风、浪、洋流甚至海冰的作用。基础设施的选择与风能的稳定性和效率有关，并应考虑到以下因素:站点海域的风暴潮特征、海冰状况、海底地质条件、近海距离、水深、施工作业以及施工和运营成本固定基础和浮动基础分为两大类，视风力基础是否与海底有刚性联系而定，其中典型的固定基础包括单桩基础或多桩基础、重力基础和导管架基础；典型的浮基包括Spar、半潜和腿部张力。

2 A537CL.2低温钢的焊接性分析

南京钢铁有限公司制造的低温钢A537CL.2符合asmea 537—2013规范，钢板A537CL.2为ASME规范推荐的无镍低温钢材料，是在最低温度-18下建造LPG储罐墙体的主要材料碳当量使用国际焊接研究所(IIW)建议的碳计算公式计算：

注:w()为相应元素的%。当CE(IIW)=0.4%~0.6%时，钢材淬硬倾向大，焊接时需要预热才能防止裂纹。

3埋弧横焊工艺在海上风电项目中的应用

3.1元素最优组合的耐候风电钢焊接工艺

因为耐候风电钢中添加了Cr、Ni、Cu等耐候性元素，所以碳当量高，焊接性比普通风电钢差，容易产生焊接裂纹、气孔、夹渣等缺陷。按照CB/T4364—2013《斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》的规定，通过试验确定不同厚度钢板的焊接预热温度，为了提高焊缝金属流动性，比普通风电钢提高预热温度和层间温度20～40℃，使熔池液态停留时间延长，夹杂物及气孔更易于排出，焊缝裂纹敏感性降低，有效地降低了多向散热条件下角焊缝产生裂纹的风险。在焊接过程中严格控制预热温度和道间温度，可以有效地提高焊缝的冶金质量。由于耐候风电钢对热输入敏感，焊接工艺窗口窄，故焊接热输入过大会导致焊接热影响区局部粗晶粒脆化倾向急剧增加。通过物理模拟技术确定焊接热输入控制范围，保证耐候风电钢焊接热影响区的性能。以我国第一座F级耐候风电钢桥——中俄黑河大桥为例，先采用Gleeble3500试验机模拟焊接热影响区粗晶区组织，相应的热循环参数包括：焊前不预热，最高加热温度1350℃，焊接热输入分别为20kJ/cm、30kJ/cm、40kJ/cm和50kJ/cm，终止冷却温度100℃。

3.2焊接变形试验

钢箱梁焊接部件较多，影响焊接质量的因素也较多，常见的影响钢箱梁焊接因素包括梁板的厚度、焊缝的搭接形式、焊缝质量要求、焊接的空间等。为了保证焊接质量，施工前需要对焊缝进行变形试验测试，以更好地保证焊缝满足钢箱梁荷载要求，另外钢箱梁的焊接作业应由焊接经验丰富的焊工完成。焊缝的变形受温度影响较大，因此选择温度相对较低时进行焊接作业，以保证温度对焊缝作业影响较小。

3.3腐蚀电位测点

测点一般布置在升压站和风机所在区域的海床面和极端低水位、设计低水位之间，均需在出海前完成安装。(1)腐蚀测点安装钢护筒应在升压站导管架或风机套笼制作期间焊接，穿线钢管焊接方法与钢板应力计保护钢管相同。(2)腐蚀测点保护钢筒需预留透水孔，海水可通过透水孔进入护筒内部与参比电极接触，参比电极固定时必须与钢护筒绝缘，安装前先使用高精度万用表测量腐蚀测点是否正常，测量后先将参比电极装入橡胶水带中(橡胶水带需打孔，以使海水与参比电极接触)，然后使用土工布包裹参比电极及橡胶水带，并使用扎带固定，封闭两侧(包裹厚度根据参比电极与保护筒之间的空隙，松紧程度决定)，将固定、封闭好的参比电极放置在钢护筒内，钢护筒使用堵漏王封口，防止参比电极在运输过程掉落。(3)安装完成后线缆穿入保护钢管管内集中向上牵引至导管架检修平台或风机套笼格栅平台处，将线缆放置在平台采集箱内，人工测量，也可接入自动化监测系统。

3.4夏比冲击

焊接中心和热影响区的夏季冲击试验采用v型偏差样品，并按照ASTMA370标准在zb 2752n-3微机控制的冲击试验机中进行试验。夏季冲击试验结果为10℃。可以看出，在-10℃时，焊接中心和热影响区的性能远远高于标准要求的性能，经过多次热循环，如碳弧焊和修复焊后，焊接接头不易碎。同时选择X80样品进行一系列夏季温度和冲击比试验，试验结果如图4 ~ 5所示。fat 50 CVN焊接中心约为-20℃，fat 50 CVN热区中心约为-40℃，钢额外的高质量焊接具有优异的低温强度。

3.5焊接部位的变形控制

钢箱梁下料前需要经过检验合格，作业场地要保证平整且满足平整度的相关规范要求，下料尺寸的精确控制对于焊接至关重要，采用无差别尺寸进行下料能够保证搭接位置的平顺，焊接尺寸更符合设计要求，焊接部位的变形更容易控制。

3.6耐候钢表面防护及处理工艺

为保证耐候钢桥整体耐候性一致，避免出现局部位置耐腐蚀性能下降，制定了一套完备的耐候钢表面防护工艺，即：严禁耐候焊接材料与普通焊接材料混用，引弧板、引出板及马板应采用与母材同材质钢板；耐候钢表面做记号要用水性笔，应避免构件上沾染油脂、油漆、焊接飞溅等；对被污染的耐候钢及焊缝表面应进行打磨处理；热矫正时严禁过烧（≤700℃）；对于个别结构或焊缝余高可能会滞水，要开工艺泄水孔或磨平焊缝余高，使其难以滞水。耐候钢构件焊接制造完成后，进行打砂处理后再进行周期浇水处理，有利于耐候钢及焊缝表面氧化层加速形成且氧化层致密均匀，提高钢桥的耐候性。

结束语

（1）为了实施国家战略性海洋新兴产业和切实推动化石能源重大转型，以英国、德国为代表的欧洲、美国、日本以及我国通过系列政策大力支持和发展海上风电，有助于提振经济，前景可观。（2）有关海上风电钢结构在海洋环境下的腐蚀规律及其对结构力学性能影响的研究较少且不系统，不能准确获得海上风电钢结构的不同腐蚀区域在不同海域下的基础性规律。（3）现有的海上风电基础结构几乎由钢材或混凝土构成，存在基础结构质量大，体积庞大，建造安装运维费用高、防腐性能差等问题。（4）提出的一种新型半潜式高强铝合金海上风电基础平台结构具有轻量化、小型化、高防腐、稳定性好的特点。

参考文献

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