海上风电导管架TKY节点的FCAW双面焊焊接工艺.pdf

工艺与设备第46卷 第8期2023年8月焊管WELDED PIPE AND TUBEVol.46 No.8Aug.2023海上风电导管架TKY节点的FCAW双面焊焊接工艺李井双，罗运良（蓬莱巨涛海洋工程重工有限公司，山东 蓬莱 265607）摘 要：海上风电导管架建设过程中TKY节点的焊接相对比较复杂，常规采用手工电弧焊打底，药芯焊丝电弧焊进行单面焊接。为减少TKY节点的焊接变形和应力集中问题，采用GFL-71Ni焊丝、FCAW 双面焊焊接工艺，对S355NL导管架TKY节点进行了焊接工艺试验，并对焊接接头进行了理化性能和无损检测，结果表明，焊接接头各项性能完全符合项目规格书及相关标准的要求。该焊接方法能够提高焊接效率、节约成本，可为导管架TKY节点的焊接提供借鉴。关键词：海上风电；导管架；TKY节点；药芯焊丝电弧焊；双面焊接中图分类号：TG444.1 文献标识码：B DOI:10.19291/ki.1001-3938.2023.08.010FCAW Doublesided Welding Process of TKY Node in Offshore Wind Power JacketLI Jingshuang,LUO Yunliang(Penglai Jutal Offshore Engineering Heavy Industries Co.,Ltd.,Penglai 265607,Shandong,China)Abstract:The welding of TKY joints during the construction of offshore wind power jacket is relatively complicated.The manual arc welding is commonly used for the root pass welding and fluxcored wire arc welding is used for single side welding.In order to reduce the welding deformation and stress concentration of TKY nodes,GFL-71Ni welding wire and FCAW doublesided welding process were used to carry out welding process tests on the S355NL TKY nodes of jacket,and the physical and chemical properties and nondestructive tests were performed on the welded joints.The results showed that the performance of the welded joint adapts to the requirements of the project specifications and standards.The welding process can improve the welding efficiency and save costs.It can provide reference for the TKY nodes welding of jacket.Key words:offshore wind power;jacket;TKY node;fluxcored arc welding;doublesided welding0前 言苏格兰 Seagreen 海上风电项目装机容量1.1 GW，是苏格兰最大的海上风电场。该项目水深58.7 m，使用导管架基础，单套重约2 000 t，是目前全球风电行业安装水深最深的导管架基础。常规导管架TKY节点一般要求进行单面焊焊接，采用手工电弧焊打底，药芯焊丝电弧焊进行填充盖面。但是该项目要求导管架TKY节点进行双面焊焊接，从而减少焊接接头的变形和应力集中问题，延长接头的使用寿命。TKY节点双面焊在角度较小的情况下存在较大的难度，特别是导管架最上部的TKY节点，角度接近30，在进行内侧坡口焊接时受空间限制，焊接接头质量较难保证1-6。1导管架TKY节点焊接性分析按项目要求，焊接工艺参照 DNVGL-OS-C401：20187，其它要求应符合 BS/EN 1090-2：20189。该风电导管架TKY节点管材为EN 10025-3/4 S355NL/ML，支管壁厚范围1560 mm，主管壁厚范围30100 mm。要求-40 时管材的冲击功均值 34 J，单值 24 J。DNVGL-OS-C401：2018中导管架TKY节点为Branch连接，如图1所示。64第8期李井双等：海上风电导管架TKY节点的FCAW双面焊焊接工艺HAN GUAN TKY采用双面焊焊接，为了更方便进行碳弧气刨清根及打磨清理，先进行内焊缝的焊接，然后在筒体外侧进行清根和打磨清理，处理合格后再进行外部焊缝的焊接，如图2所示。2焊接工艺评定根据标准 DNVGL-OS-C401：2018 和业主要求，焊接工艺评定需要在对接试验满足力学性能的基础上，增加 TKY 节点焊接试验。两个试验的焊接工艺参数应相近或尽可能相同，以方便后续编写焊接工艺规程（WPS）。TKY节点焊接试验需要覆盖产品焊接难度最大的位置，即最小二面角，板厚的覆盖范围需要覆盖支管所有壁厚。2.1试验材料DNVGL-OS-C401：2018标准要求最大板厚为焊接工艺试验板厚的 2倍，为满足 EN 10025 S355NL/ML支管厚度范围1560 mm的要求，焊接工艺试验母材均选用 EN 10025-3 S355NL 的30 mm厚板，交货状态为正火，显微组织为铁素体+珠光体。S355NL的力学性能要求为：屈服强度 355 MPa，抗拉强度470630 MPa。材料的化学 成 分 见 表 1，其 中 w（C）=0.13%，CEpcm为 0.41%，焊接性能尚可11。采用的焊接材料为 GFL-71Ni 高强钢药芯焊丝，焊丝直径为 1.2 mm，焊丝的化学成分见表 2。焊丝的药芯类型为金红石，焊接采用的保护气体为纯CO2。2.2TKY节点焊接工艺试验方案按照标准规范要求以及项目图纸信息，采用最小位置二面角 30进行 TKY 接头焊接工艺试验。主管规格为 1 600 mm30 mm，支管规格为800 mm30 mm。接头连接如图3所示。由于 TKY 节点焊口不同位置的坡口形式、二面角不同，焊接接头的细节要求也不同。按照相关规范要求，并与业主沟通后，对焊接细节类似划分为A、B、D、E四个焊接区域，具体如图4所示。图2双面焊焊接顺序示意图图1导管架TKY节点位置Branch连接示意图 表1S355NL材料的化学成分%w（C）0.13w（Si）0.28w（Mn）1.55w（P）0.016w（S）0.002 4w（N）0.005w（Cr）0.04w（Nb）0.021w（V）0.051w（Ti）0.01w（Mo）0.01w（Ni）0.02CEpcm0.41 表2GFL-71Ni药芯焊丝的化学成分%w（C）0.032w（Si）0.33w（Mn）1.40w（P）0.007w（S）0.006w（Cr）0.02w（Mo）0.01w（Ni）0.45w（Ti）0.01w（Cu）0.01w（V）0.02w（Fe）余量图3TKY节点焊接试验接头连接示意图图4TKY节点焊口不同位置区域的划分 652023年 第 46 卷焊 管2.3焊接工艺试验参数焊接工艺方法为药芯焊丝电弧焊（FCAW），采用松下 YD-500EL 焊机，坡口采用双面焊接形式12-14。焊接时按照标准要求覆盖所有焊接位置，对不同区域焊接时需包含 1G（平焊）、2G（横焊）、3G（立焊）、4G（仰焊）四个位置，不 同 焊 接 区 域 坡 口 及 焊 后 尺 寸 如 图 5所示。由于 TKY 节点不同焊接位置的坡口截面积会发生变化，需要控制焊枪的位姿和焊接速度。尤其是打底焊焊接时，焊接要求较高，焊接过程中要选择合适的电流参数，保证根部焊缝成形并避免焊穿。采用的焊接工艺参数见表3。3焊接试验结果按 DNV GL-OS-C401：2018 要求，导管架TKY节点焊接属于 Branch连接接头，焊接工艺试验首先需要在对接试验进行 NDT 检测和力学试验，力学试验包括拉伸、弯曲、冲击、硬度等。在保证力学试验满足要求的基础上，增加了 TKY 节点焊接试验，已证明具备 TKY节点的焊接操作能力，TKY节点焊接后需进行无损检测（NDT）和宏观金相检测。3.1拉伸试验拉伸试验方法按照DNV GL-OS-C401：2018和DNV GL-OS-B101：2018进行7-8，焊接接头2个试样的抗拉强度分别为 575 MPa 和 582 MPa，断裂位置均在母材区域，拉伸试验结果满足EN10025-3 S355NL规定抗拉强度不低于470 MPa的要求，拉伸试验结果合格。3.2弯曲试验弯曲试验按照 DNV GL-OS-C401：2018 和DNV GL-OS-B101：2018要求，对焊接接头进行侧弯试验，侧弯试验的压头直径为40 mm，弯曲角度为180，试验后4个试样弯曲面均无焊接缺陷，满足DNV GL-OS-C401：2018中的要求。3.3冲击试验冲击试验在焊接接头上进行取样，按照DNV GL-OS-C401：2018 和 DNVGL-OS-B101：2018要求，冲击试验采用10 mm10 mm55 mm标准试样，试验温度-40，冲击摆锤采用KV2，试验结果见表4。按照标准和业主规格书要求，焊接接头冲击功均值 34 J、单值 24 J，检测结果满足要求。图5TKY节点不同位置焊接示意图表3焊接工艺参数焊道/焊层打底填充盖面方法FCAWFCAWFCAW焊丝直径/mm1.21.21.2焊接极性DCEPDCEPDCEP电流/A190230220240220235电压/V242624272426焊接速度/(mm min-1)125165145250205260热输入/(kJ mm-1)1.52.21.42.41.41.7表4冲击试验结果试验位置焊缝熔合线熔合线+2 mm试验温度/-40冲击功/J单值104、116、8887、70、7076、55、35均值1037655 66第8期李井双等：海上风电导管架TKY节点的FCAW双面焊焊接工艺HAN GUAN 3.4宏观检测按照 DNVGL-OS-C401：2018取宏观试样，对接焊试验和 TKY 焊接节点宏观形貌如图 6所示。结果显示，在宏观试样焊接区域未发现焊接缺陷，宏观试验符合 EN ISO 5817：2014-B的要求10。3.5硬度检测按 照 业 主 规 格 书 及 DNVGL-OS-C401：2018要求，采用维氏硬度（HV10）方法进行焊接 接 头 硬 度 检 测，硬 度 检 测 值 应 不 超 过350HV10。硬 度 试 验 打 点 位 置 参 照 EN ISO 9015-1：2011，如图 7 所示11。焊接接头硬度检测结果见表 5，各位置的硬度检测结果符合标准要求。3.6无损检测无损检测包括 100%VT（目视）、100%MT（磁粉检测）和100%UT（超声检测）检验，其中VT按照EN ISO 5817：2014中要求进行检测，MT按照EN ISO 23278中要求进行检测，UT按照EN ISO 11666中的要求进行检测，检验的结果符合DNVGL-OS-C401：2018标准要求。焊接工艺试验得到业主认可，并获得业主批准的焊接工艺规程（WPS）。该焊接工艺成功在苏格兰Seagreen海上风电导管架项目中得到应用，焊接作业效率和产品质量得到大幅提高15，节约了焊接成本。4结 论（1）采用 S355NL 母材和 GFL-71Ni 焊丝，完成导管架TKY节点FCAW 双面焊焊接工艺试验，并对焊接接头进行了理化性能和无损检测，获得满足标准和规范要求的焊接接头，实现了该工艺技术在苏格兰 Seagreen 海上风电项目上的应用。（2）通过对导管架 TKY节点双面焊接工艺研究，为导管架TKY节点双面焊接的应用与推广提供参考。图6金相宏观形貌图7硬度打点位置示意图表5焊接接头硬度检测结果检测位置ABCHV10117218919821771872043197188204419824121152022442346247248321722321020782162042069220209177102822352581127523421212193220190131831801821418317818215177180179 672023年 第 46 卷焊 管参考文献：1 任润卯，马陈勇，高学明.海南24平台导管架管节点焊接质量控制 C/第十三届中国海洋（岸）工程学术讨论会.南京：中国海洋工程学会，2007：85-87.2 邢树宏.从UT检验结果分析T、K、Y形管节点焊前根部间隙对焊接质量的影响 J.中国海上油气（工程），1989，1（5）：35-38.3 朱斌，齐伟.打桩船桩架管节点焊接研究 J.金属加工（热加工），2013（22）：36-38.4 周振丰.焊接冶金学与金属焊接性（修订本）M.北京：机械工业出版社，1988.5 闵祥军，王文贵.海洋钢结构 TKY管节点的焊接工艺 C/2010全国钢结构学术年会论文集.北京：中国钢结构协会，2010：542-544.6 宋金虎.焊接方法与设备 M.大连：大连理工大学出版社，2010.7 DNV.Fabrication and testing of offshore structures：DNV GL-OS-C401 S.Oslo，Norway：DNV，2018.8 DNV.Metallic materials：DNV GL-OS-B101 S.Oslo，Norway：DNV，2018.9 BSI.Execution of steel structures and aluminium structures-Part 2：technical requirements for steel structures：BS/EN 10902：2018 S.London：BSI，2018.10 BSI.WeldingFusion-welded joints in steel，nickel，titanium and their alloys（beam welding excluded）Quality levels for imperfections：BS/EN ISO 5817：2014 S.London：BSI，2014.11 BSI.Destructive tests on welds in metallic materialshardness testing：BS EN ISO 9015-1：2011 S.London：BSI，2011.12 陈祝年.焊接工程师手册 M.北京：机械工业出版社，2002.13 王云鹏.焊接结构生产 M.北京：机械工业出版社，2002.14 张应力.新编焊工实用手册 M.北京：金盾出版社，2004.15 孟雷，鲁欣豫.海洋固定平台TKY管节点的质量控制 C/2009全国钢结构学术年会论文集.北京：中国钢结构协会，2009：286-291.作者简介：李井双（1989），女，汉族，工程师，大学本科，主要从事海洋工程制造焊接质量检验方面工作。收稿日期：2022-09-07修改返回日期：2023-02-17编辑：罗刚6 郑辉，金鑫，李成钢，等.深水立管顶端柔性节点疲劳寿命预测 J.海洋技术，2013，32（4）：99-103.7 陈景浩，侯广成，田凯，等.深水立管柔性接头疲劳特性研究J.石油机械，2016，44（6）：67-70.8 李成钢，金鑫，张敬安，等.深水立管顶锻柔性节点结构设计J.石油矿场机械，2013，42（7）：38-42.9 尤学刚，黎世龙，侯静，等；深水立管柔性接头有限元分析研究 J.中国石油和化工标准与质量，2022（7）：118-121.10 李松羽.张力腿平台张力筋腱柔性连接结构力学性能分析与试验研究 D.黑龙江：哈尔滨工程大学，2018.11 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