海上風電塔筒法蘭安裝推薦做法

王紀賓 孫大偉 耿殿營 韓彥慶 陳祥華

（海洋石油工程（青島）有限公司，青島 266520）

隨著全球開始推進能源轉(zhuǎn)型，海上風電概念成為重要關(guān)注點。2022 年，全球新增裝機約為8.8 GW，國內(nèi)新增裝機約為5.1 GW，在全球占比超過50%。目前，近海資源開發(fā)已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展，但是也存在資源競爭大、用海矛盾激烈等問題，未來的儲量受限。相對近海而言，深遠海域具備的風資源條件更優(yōu)，平均風速為8～10 m·s-1，技術(shù)可開發(fā)量超過20 億kW，技術(shù)先導性強、經(jīng)濟體量大，開發(fā)潛力巨大。隨著水深的增加，浮式風電成本低于傳統(tǒng)的固定式，因此浮式風機是目前開發(fā)遠海深水風能最經(jīng)濟的選擇。只要具備開發(fā)的經(jīng)濟性，海上風電從近海向深遠海發(fā)展是必然趨勢。

浮式海上風電技術(shù)是深遠海風資源開發(fā)的關(guān)鍵，漂浮式基礎(chǔ)支撐上部風機，通過系泊系統(tǒng)與海床連接，適用范圍更廣[1]。目前，國內(nèi)漂浮式海上風險項目僅有“三峽引領(lǐng)號”和中國海裝“扶搖號”。中國海洋石油集團有限公司主導建造的文昌深遠海浮式風電平臺浮體是國內(nèi)首個深遠海浮式風電項目，可以作為一種綠色電力替代，有效降低油氣開發(fā)過程中的碳排放。目前，該風電項目已實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電并經(jīng)受住臺風的考驗，證明其整體設(shè)計建造具備合理性和穩(wěn)定性[2]。

文昌風電項目為浮式基礎(chǔ)風電項目，如圖1 所示，其主體結(jié)構(gòu)為風機、塔筒及下方浮式基礎(chǔ)，塔筒底部與浮式基礎(chǔ)之間采用配對法蘭螺栓連接。文章介紹了浮式風電結(jié)構(gòu)中浮式基礎(chǔ)中心立柱塔筒法蘭整體安裝流程和要求，以期為同類項目中法蘭安裝提供工藝參考。

圖1 文昌浮式風電項目整體圖

1 法蘭基本信息

浮式基礎(chǔ)頂部法蘭為典型的雙排螺栓孔T 型法蘭，塔筒法蘭位于中心立柱分段頂部，法蘭支撐結(jié)構(gòu)與底部中心立柱連接。法蘭設(shè)計最大直徑為8 610 mm，垂直高度為254 mm，制作標準為《風力發(fā)電塔架 法蘭鍛件》（JB/T 11218—2020），設(shè)計材質(zhì)為Q355NEZ35材料。法蘭整體預制精度在一定程度上決定了安裝精度，表1 為典型的法蘭預制精度要求。在入場及安裝前應再次檢查尺寸精度，避免由于貨物的運輸、存儲、吊裝等過程造成精度偏差，影響后續(xù)的安裝工序。

表1 法蘭制作精度要求

2 法蘭安裝

2.1 塔筒中心立柱分段精度控制

浮式基礎(chǔ)頂部法蘭與底部法蘭連接支撐主要通過焊接連接。施工中，需要嚴格控制法蘭在運輸、吊裝、安裝焊接過程中產(chǎn)生的變形，避免超差導致后續(xù)與上部風機底部法蘭對接安裝失敗。圖2 為中心立柱頂部分段焊后尺寸測量點示意，其中最重要的是要保證法蘭下部連接的立柱分段頂部的法蘭連接支撐精度。分段頂部的水平度要求最大為3 mm，圓度最大不超過6 mm，平面度不大于2 mm。需要注意的是，水平度主要參考塔架技術(shù)規(guī)范中風筒上下端的平行度，用于確保安裝后整體的水平度。預制結(jié)束后，可以根據(jù)精度檢查結(jié)果采用打磨修正的方式達到設(shè)計要求。

圖2 中心立柱頂部分段焊后測量點

由于焊接過程對于組對錯皮精度要求較高，為了保證分段頂部圓形鋼板底座與法蘭連接錯皮不超標，法蘭支撐拼接后需要保證圓度公差在6 mm 以內(nèi)。法蘭支撐鋼板壁厚為70 mm，預制成型后圓度二次調(diào)整難度大，總裝階段對上端面圓度影響較小。圓度需要在預制階段精確控制，是分段預制階段的關(guān)注重點。分段頂部平面度主要是為了保證法蘭對焊時，組對間隙符合要求。

2.2 塔筒中心立柱法蘭安裝焊接

法蘭支撐主要是由三瓣圓弧鋼板拼焊，其壓彎和對焊階段的精度控制是預制階段的重點，因此現(xiàn)場需要用弧形樣板檢查，以保證曲面弧度的均勻性。三瓣圓弧板對焊時，焊接收縮變形集中在焊接區(qū)域。圓弧板組對后，采取如圖3 所示的米字形支撐固定整體結(jié)構(gòu)，檢查尺寸符合要求后開展縱縫焊接。采取對稱焊接方式，3 處縱縫同時焊接施工。需要注意的是，法蘭支撐外側(cè)并沒有其他支撐結(jié)構(gòu)，因此焊接完成去除米字支撐時，必須采取對稱切割方式，以有效避免去掉剛性固定支撐后整體結(jié)構(gòu)發(fā)生波浪變形。移除剛性固定支撐后需要測量結(jié)構(gòu)的整體精度，確定橢圓度及上表面平整度。實際施工成果表明，采取以上控制措施可以有效控制變形，橢圓度和表面平整度基本無變化。

法蘭支撐板焊接壁厚為70 mm，常規(guī)的國內(nèi)海洋油氣平臺建造中一般要求采取焊后熱處理工藝[3]。但是，法蘭外徑尺寸較大，一方面需要投入的熱處理設(shè)備較多，而且焊后消應力過程中電加熱溫度為600 ℃左右，熱處理過程中接頭強度降低，在法蘭自重的影響下，支撐板極易產(chǎn)生不規(guī)則波浪變形。另一方面，法蘭在熱處理后尺寸精度會發(fā)生變化，一旦超標，必須進行二次機加工修正。為了避免熱處理影響尺寸精度，在焊接工藝開發(fā)過程中開展了裂紋尖端張開位移（Crack Tip Opening Distance，CTOD）測試，可以免除熱處理過程，這在海洋鋼結(jié)構(gòu)施工中比較常見[4]。

通過嚴控預熱溫度、層間溫度和焊接參數(shù)，避免焊后熱處理焊接工藝用于現(xiàn)場施工，應重點注意如下事項：預熱溫度不低于65 ℃；層間溫度不高于250 ℃；焊接方法為焊接變形量較小的藥芯焊絲氣體保護焊，焊接電流控制在240 A 以下；焊接熱輸入控制在1.5 kJ·mm-1以下。

根據(jù)施工方案，焊接過程中選用藥芯氣保焊工藝在橫焊位置進行焊接[5]，焊材選取日本神鋼制造的DW-A55LSR 焊絲，該焊絲具備-60 ℃測試溫度下良好的焊縫沖擊韌性以及-10 ℃測試溫度下最低0.25 mm 的焊縫CTOD 測試性能。在施工過程中，采用的焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接參數(shù)

法蘭連接焊口開設(shè)非對稱的雙V 坡口，一側(cè)坡口深度為20 mm 左右，一側(cè)坡口深度為50 mm 左右，坡口開設(shè)角度均為60°。為了減少焊接變形，建議采取如下焊接順序：第一，開始焊接50 mm 開口側(cè)（法蘭內(nèi)側(cè)）；第二，完成打底和填充，先不進行蓋面焊接；第三，在20 mm 開口側(cè)（法蘭外側(cè)）進行氣刨清根打磨；第四，完成法蘭外側(cè)填充蓋面焊接；第五，完成法蘭內(nèi)側(cè)蓋面焊接，移除背部加強板。第六，整體可將環(huán)焊縫分為4～8 段，采取分段退焊方式完成焊接。

對于此類大型環(huán)形結(jié)構(gòu)，一旦焊接施工結(jié)束出現(xiàn)大面積焊接修復，就會破壞整體尺寸精度。為保證整體變形可控，施工一次合格，焊接施工需要注意以下7 個關(guān)鍵點。第一，加熱片加熱后不允許中斷，溫度一直保持在70 ℃以上，避免反復加熱冷卻增加焊縫內(nèi)應力。第二，由于焊接使用混合氣，熔池熔深較純二氧化碳保護氣焊縫熔池淺，夾渣等不易浮出熔池。要認真仔細徹底清理每道焊縫的道間，特別注意打磨焊道層間的溝槽，同時使用風帶清理干凈層間渣子及打磨的飛濺鐵屑等。此方法可以有效避免后續(xù)無損檢測中容易出現(xiàn)的點狀缺陷。第三，焊接過程中，單道焊道寬度不允許超過15 mm，焊接過程注意焊肉不宜過厚。第四，根部清理要徹底，適當擴寬呈弧形。清根結(jié)束后打磨至光亮金屬，不能有任何碳化層殘留。第五，焊接過程注意觀察電弧熔池，發(fā)現(xiàn)有任何異物立即停止焊接，并進行打磨處理。第六，冬季施工環(huán)境下，焊完后表面蓋保溫毯緩冷，避免產(chǎn)生冷裂紋。如果沒有保溫毯，不要立刻去除電加熱片，通過調(diào)節(jié)設(shè)定溫度，在2～3 h 內(nèi)緩慢降溫，直至斷電。第七，移除背部加強板時，采取對稱移除方式。

焊接完成后，對所有焊縫外觀使用不低于5 倍的放大鏡進行100%檢查，發(fā)現(xiàn)外表面缺陷及時返修打磨處理，特別需要關(guān)注焊縫區(qū)域不允許存在低于焊縫高度的弧坑。焊接接頭采取超聲檢測（Ultrasonic Testing，UT）及磁粉檢測（Magnetic Particle Testing，MT）進行100%檢測，驗收要求按照《承壓設(shè)備無損檢測 第3 部分：超聲檢測》（NB/T 47013.3-2015）中的I 級標準。需要特別關(guān)注中心立柱頂部分段縱縫與法蘭環(huán)焊縫T 型交叉焊縫區(qū)域，建議額外使用直探頭掃查，避免存在超標缺陷。在服役過程中，由于需要定期對此類關(guān)鍵焊縫進行無損檢測，一旦出現(xiàn)諸如裂紋之類的缺陷，風機服役期間焊接修復將極為困難，也將影響周圍供電的油田生產(chǎn)設(shè)施。因此，做好預制階段的焊接質(zhì)量控制極為重要。

焊接接頭無損檢測全部合格后，使用激光對中儀在法蘭端面選擇至少40 個檢驗點進行多點檢驗，檢查法蘭安裝后的整體精度。其中，法蘭內(nèi)傾度需要控制在1.0～1.5 mm，法蘭的圓度控制在3 mm 以內(nèi)，法蘭上端面圓跳度控制在1 mm 以內(nèi)，法蘭上端面平面度控制在1.5 mm 以內(nèi)。

按照上述順序及要求完成法蘭安裝后，法蘭焊接一次性合格，施工精度完全達到技術(shù)要求，無須進行機加工二次修復，可以有效縮短施工工期。在安裝上部風機時，應及時將浮式基礎(chǔ)頂部法蘭的最終安裝精度與風筒下基礎(chǔ)法蘭的安裝精度相互印證核實，確保海上對接成功。若有偏差，應在陸地施工期間開展相關(guān)修復和調(diào)整工作。

3 結(jié)語

按照合理的施工順序及要求進行法蘭安裝，可以有效保證焊接變形在可控范圍內(nèi)。安裝過程中需要重點監(jiān)控法蘭預制精度、底部支撐預制尺寸精度、組對精度和焊后法蘭端面尺寸精度，保證其達到標準要求，這樣可以有效提升一次安裝合格率。