分享：高等级海上风力发电机用钢的研发及力学性能
孙 震,胡 战,董中波
(宝钢湛江钢铁有限公司,湛江 524072)
摘 要:基于超快冷热机械控制工艺(TMCP),成分设计上遵循低碳含量、低碳当量、微合金化, 焊接时采用大热输入的原则,成功研发出了屈服强度为460 MPa的高等级海上风力发电机用钢。 阐述了开发的两种钢的化学成分设计及试制工艺流程,并对其综合力学性能进行分析。结果表明: 开发的两种钢具有生产周期短、强度高、韧性好、抗层状撕裂性能好、耐疲劳性能好、止裂性能优异 及可采用大热输入焊接等特点,符合海上风力发电机用钢的发展方向。
关键词:风力发电机;热机械控制工艺;研发;力学性能 中图分类号:TF7 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)03-0031-06
“十三五”以来中国海上风电快速发展,特别是 2018 年以后,受技术进步、成本下降及政策调整的 影响,多个沿海省份加快核准并开工建设一大批海 上风电项目。在能源转型背景下,“十四五”期间,中 国海上风电仍将延续快速发展态势[1]。在整个海上 风场建设中,对钢结构的投 资 占 总 投 资 的 20% 左 右,且钢为基础材料,其生产交付与风电场建设进展 息息相关,同时随着海上风力发电机向大型化方向 发展,采用高强度和超高强度钢可以有效减轻风塔 结构自重,增加风塔可变载荷和自持能力[2-3]。 我国海上风力发电机起步较晚,用钢的设计理 念与制造工艺技术远远落后于国外一流厚板厂,现 阶段海上风力发电机用钢主要采用海洋工程用结构 钢,应用标准为 GB712-2011《船舶及海洋工程用 结构钢》,屈 服 强 度 为 355 MPa,牌 号 为 DH36 和 EH36,交货状态为正火态。 随着大型风力发电机组数量的增加和所用钢板 厚度的增大,同时迫于降低建造成本的压力,欧洲海 上风电厂已开始批量使用屈服强度为420 MPa或 460 MPa级别钢板,以降低钢板厚度。近几年,日 本海上风电厂已开始批量使用屈服强度为390MPa 和460MPa的钢板,并开始小批量应用屈服强度为 690MPa级别的钢板。
为满足海上风力发电机用钢(以下简称风电用 钢)的发展趋势,宝钢湛江钢铁有限公司在目前国内 海上风电用钢的基础上,研发 出 了 符 合 GB712- 2011技术要求的屈服强度为460MPa级别的 DH460 和EH460钢种,笔者介绍了该两种钢的化学成分设 计及试制工艺流程,并对 EH460钢的综合力学性能 进行了分析,供海上风电用钢设计单位参考。
1 钢板化学成分及力学性能要求 DH36钢、EH36钢是屈服强度为355 MPa级 别的海洋工程用结构钢,目前海上风电用钢以其为 主,而 DH460 钢、EH460 钢 是 比 DH36 钢、EH36 钢高3个强度级别的钢种。同一强度级别的两种钢 其成分及强度要求相同,差异在于对冲击韧性的要 求,其中 DH 系列钢要求在-20 ℃时低温冲击性能 满足要求,EH 系列钢要求在-40 ℃低温冲击性能 满足要求。由于服役条件及钢板使用位置不同,钢 的选材也不同。GB712-2011对 DH36钢、EH36 钢、DH460钢、EH460钢的化学成分及力学性能的 要求见表1和表2。其中 DH36钢、EH36钢中的细 化晶粒用铝、铌、钒和钛等元素可单独或以任一组合 的形式加入。当单独加入时,其含量应符合表1的 规定;若混合加入两种或两种以上细化晶粒元素,该 标准对表1中元素含量下限的规定不适用,同时要 求铌、钒和钛的总含量不大于0.12%(质量分数,下 同);该标准对 DH460钢、EH460钢添加的合金化 元素及细化晶粒元素铝、铌、钒和钛等的含量没有作 规定,应符合公认的有关标准的要求。
2 高等级海上风电用钢化学成分设计及试 制工艺流程
由于海上风电用钢的使用环境极恶,长期在复 杂的交变风力载荷下承受拉伸、弯曲和剪切等作用 力,因此对风电用钢的疲劳性能、断裂韧性和焊接性 能提出了更高的要求[4-5]。随着大型风力发电机组 数量的增加和钢板厚度的增大,高强度、高韧性、高 塑性、高止裂性、优良的抗疲劳性能与焊接性能的风 电用钢板是重要的发展趋势。 屈服强度为460 MPa级别海上风电用钢的设 计理念及生产工艺与355 MPa级别海上风电用钢 的一致,成分设计上遵循低碳含量、低碳当量、微合 金化和满 足 大 热 输 入 焊 接 的 原 则,碳 元 素 含 量 为 0.07%~0.10%(质 量 分 数,下 同),硅 元 素 含 量 为 0.05%~0.15%,锰元素含量为1.50%~1.60%,磷 元 素 含 量 不 大 于 0.01%,硫 元 素 含 量 不 大 于 0.0015%及含有适量的铌、钒、钛、钼、铜、镍等合金 元素。板坯 产 出 后 通 过 超 快 冷 热 机 械 控 制 工 艺 (TMCP)轧制成厚度为60mm 的成品钢板,试制工 艺过程 为:铁 液 → 铁 液 预 处 理 → 转 炉 → 精 炼 → 2300mm 连铸→堆冷→板坯检查→二切→加热→ 高压水除鳞 →4200mm 粗 轧 →4200mm 精 轧 → 预矫→Mulpic(多功能间歇式喷射冷却装置)加速冷 却→热矫→精整→钢板检验。
3 试制结果及分析
3.1 显微组织
根据 GB/T13298-2015《金属显微组织检验 方法》的技术要求对试制 EH460钢板全板厚显微组 织进行观察,显微组织形貌见图1。 可见,试制的海上风电用钢板显微组织为贝氏 体+铁素体+少量珠光体,以贝氏体中温转变组织 为主,是较理想的显微组织。由于钢板不同厚度处 冷却速率有差别,钢板厚度方向的显微组织也有一 定的差异,但总体而言,试制钢板各处显微组织基本 相同且均匀。
3.2 拉伸性能
在试制 EH460钢板上取横向圆棒拉伸试样(直 径为10mm)进行室温、高温及低温拉伸试验。室 温拉伸试验根据 GB/T228.1-2010 《金属材料 拉 伸试验 第1部分:室温试验方法》的规定执行;高温 拉伸试验根据 GB/T228.2-2015 《金属材料 拉伸 试验 第2部分:高温试验方法》的规定执行,使用红 外加热炉对拉伸试样加热并保温,保温时间不小于 20min,然后采用100kN 的电子拉伸试验机进行 拉伸试验;低温拉伸试验根据 GB/T228.3-2019 《金属材料 拉伸试验 第3部分:低温试验方法》的 规定执行,在配有低温箱的 CSS-1110型电子拉伸 试验机上进行,由液氮雾化装置作为制冷源[6],试验 结果见图2。
室 温 下 EH460 钢 的 抗 拉 强 度 Rm 为 630 MPa、屈服强度 Rp0.2 为537 MPa、断后伸长率 A 为22%,均满足标准对 EH460钢的 要 求,且 有 较大富余 量。随 着 试 验 温 度 的 升 高,钢 板 的 强 度 总体呈下降趋势,塑性总体呈上升趋势,在试验温 度范围内无拉伸强度陡变现象发生。低温下随着 试验温度的 降 低,钢 板 的 屈 服 强 度 和 抗 拉 强 度 缓 慢上升,断后伸长率变化较小,说明该钢在低温环 境下具有较好的强塑性。
3.3 冲击性能
在 EH460 钢 板 纵 向、横 向 1/4 厚 度 处,按 照 GB/T229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方 法》的技术要求进行低温夏比(V 型缺口)冲击试验, 结果见图3。 由图3可知,-40 ℃下横、纵向试样冲击吸收 能量均在300J以上,远高于标准对 EH460钢的要 求。根据冲击吸收能量为50%上平台能时所对应 的温度和剪切断面率为50%时所对应的温度,确定 试制钢板的韧脆转变温度低于-80 ℃,表明试制钢 板低温韧性优异[7]。 对 EH460钢板纵向冲击试样的断口进行扫描 电镜(SEM)分析,形貌见图4。 由图4可知断裂扩展区形貌呈韧窝状,断口有 明显的形变特征,断口呈韧性断裂特征,表明试制钢 板试样的冲击韧性良好。
3.4 抗层状撕裂性能
按照 GB/T5313-2010《厚度方向性能钢板》的 技术要求对试制钢板进行沿厚度方向的全板厚拉伸 试验,沿钢板厚度方向的抗拉强度分别为571,575, 572MPa,断面收缩率分别为73.5%,74.2%,75.5%。 可知钢板沿厚度方向的抗拉强度和断面收缩率 满足标准要求,同时断面收缩率均在70%以上,超 过了Z 向(抗层状撕裂)钢的最高级别Z35(断面收 缩率不小于35%)的要求,表明该钢具有良好的抗 层状撕裂性能[8]。
3.5 疲劳及止裂性能
3.5.1 高周疲劳性能
为测试钢材的疲劳强度,将试制钢板加工成螺纹 头高周疲劳试样,根据 GB/T3075-2008《金属材料 疲 劳 试 验 轴 向 力 控 制 方 法》的 技 术 要 求,选 用 PLG200型高频疲劳试验机进行试验,设定疲劳强度 对应循环次数为10 7 周次,应力比R 取0.1,数据处理 过程参考 GB/T24176-2009《金属材料 疲劳试验 数 据统计方案与分析方法》的技术要求,结果见表3。 经计算,钢板的平均疲劳强度为256.4 MPa,表 明钢板具有优良的抗疲劳性能。考虑到数据可靠性 较高,还分析计算了钢板在置信度90%、失效概率 10%情况下的疲劳强度下极限,结果为218.3MPa。
3.5.2 止裂性能
按照 GB/T21143-2014《金属材料 准静态断 裂韧度的统一试验方法》的技术要求对试制 EH460 钢板进行-40 ℃下的 CTOD(裂纹尖端张开位移) 试验,结果见表4,其中δm(B)为对于全塑性特性的 第一个最大力平台对应的尺寸敏感断裂抗力。 可知钢板-40 ℃时 CTOD 特征值δm (B)不小 于1.06,且试验过程中未出现 POP-IN 效应(瞬间载 荷迅速下降、位移增加很小的“突进”现象),说明试 制钢板止裂性能优异[9]。
3.6 大热输入焊接试验
采用气保护焊打底、气电立焊正反面一次成型 工艺,对试制 EH460钢板进行气电立焊试验。气电 立焊试验采用气电立焊专用焊机,焊接材料选用气 电立焊专用 DWS-43G 型 CO2 气保护药芯焊丝,其 直径为1.6mm。焊接试板坡口根据气电立焊工艺 特点加工而成,焊接试板长度方向为轧向(纵向),试 板坡口示意图见图5,焊接工艺参数见表5继续对接头进行维氏硬度试验,每0.5 mm 取 点测试,试验部位包括母材(BM)、热影响区(HAZ) 和焊缝(WM),结果见图6。 由表5、表6及图6可知,气电立焊实测单面焊 接热 输 入 达 到 124kJ·cm -1,接 头 抗 拉 强 度 达 到 589MPa,接头焊缝、熔合线、熔合线外1 mm 热影 响区及熔合线外3 mm 热影响区-40 ℃冲击吸收 能量均达到了较好水平。焊缝区硬度最高,热影响 区没有明显硬化及软化现象,这与接头强度分布相 对应,整个焊接接头淬硬倾向较低。以上研究结果 表明,焊接接头具有优良的综合力学性能。
4 结论
(1)同等服役情 况 下 采 用 高 强 度 钢 板 可 降 低 钢板设计厚度,进而大幅度降低建造和安装成本; 焊接接头力学性能优异,与母材同强同韧,钢板具备大热输入焊接特性,可以保证施工效率,节约焊 接时间。 (2)在室温至650 ℃范围内无拉伸性能陡变现 象发生,且在-80 ℃低温环境下仍具有较好的强塑 性,表明材料在服役过程中不会因环境温度变化而 失效。 (3)钢板的韧脆转变温度在-80 ℃以下,抗层 状性能达到并超过Z 向钢的最高级别Z35的要求, 低温韧性和抗层状撕裂性能优异。 (4)高周疲劳强度达到256.4 MPa,-40 ℃时 CTOD特征值δ 及止裂性能。
来源：材料与测试网
