海上风电高桩承台超长钢管桩制造质量控制

海上风电高桩承台 超长钢管桩制造质量控制

黄少奇 1 李名坤 2

中国水利水电第十二工程局有限公司 机电工程公司 邮编 323000

摘 要：近年来，海上风电发展迅速，各大重工企业加入行列，为海上风电发展贡献力量。本文以华电玉环1号海上风电场项目所需的高桩承台钢管桩制造为例，对海上复杂海域环境下服役的高桩承台超长钢管桩的厂内制造难点及关键技术进行阐述。在有限时间内，保质保量完成了钢管桩的制造任务，节约了工期，保障了施工现场沉桩任务的顺利进行。

关键词：海上风电 高桩承台 钢管桩 制造质量

0 引言：

中国大陆海岸线长18000km，拥有岛屿6000多个，海上风能资源丰富。根据海上风电区域靠岸距离、海水深度的不同，由近及远、由浅入深依次可划分为三个区域：潮间带和潮下带滩涂风电场、近海风电场和深海风电场。因海上风电场所处具体位置不同，海环境及受力情况不同，而对海上风电机组基础的性能要求有所不同，进而使海上风电机组基础呈现出形式多样化，其基础型式按照受力特点分为桩基础、浅基础和柔性基础三大类，主要类型见表1。

表1：海上风电基础型式和主要类型

基础型式	主要类型
桩基础	单桩、高桩承台、多脚架、导管架
浅基础	重力式、吸力筒
柔性基础	半潜式、立柱式、张力腿式、驳船式

1 工程概况

1.1 工程简介

华电玉环1号海上风电场项目一期工程位于浙江省玉环县近海海域，场区离岸最小距离约7km，水深7～10m。规划工程场区呈多边形布置，东西长约10.4km，南北宽约9.6km，规划海域面积47.3km²，总装机容量300MW。本工程安装43台单机容量7.0MW变桨变速风力发电机组，转轮直径184m，轮毂高度115m。风电机组基础全部采用高桩承台基础形式。

1.2 高桩承台基础简介

本项目北区共22台机位采用高桩承台基础型式，混凝土承台直径为16.4m，承台基础厚度为4.5m，8根直径为1.8m～2.0m、壁厚20mm～34mm的钢管桩作为基桩，桩长约为96～110m，单根重量分布在123t到134t之间。桩顶高程为11.0m，每台机组基础的8根钢管桩桩顶沿直径12.6m圆周均匀分布，钢管桩倾斜角5：1。由于海上施工环境恶劣，设计图纸要求钢管桩整根发货，桩体杜绝任何现场焊缝，避免现场接桩。由此，成品钢管桩整桩长度超长，单重偏重，为钢管桩制造厂的生产发货带来挑战。

2 高桩承台钢管桩制造

2.1 制造工艺流程如图1所示。

图1 管桩制造工艺流程

2.2 质量控制目标

（1）钢管外周长：测量值为理论周长的±0.1%，且不大于10mm。

（2）管端平面倾斜：小于0.1%D，且不得大于4mm。

（3）钢管总长度：测量值为正偏差，0～+300mm之间。

（4）管端平整度：管端与基准平面样板之间的间隙小于等于2mm。

（5）管端椭圆度：管端测量两组相互垂直的直径数据，每组数据做差，差值不大于5mm。

（6）钢管总轴线弯曲矢高：允许弯曲量为钢管总轴线长的0.1%，且不大于25mm。

（7）钢管柱桩身焊缝全部熔透，焊缝质量等级为一级。

（8）钢管柱防腐厚度达到1080µm，电火花测试无漏点。

3 高桩承台钢管桩制造质量控制关键技术

高桩承台钢管桩需要在制造厂内整桩制造，验收后从制造厂码头整桩装船发运到海上沉桩现场。根据供货协议商定的供货时间，制造厂单次供货量大，交货周期短，生产压力大。对制造厂的制造能力提出了很高要求：一是制造厂场地足够大，经排布可以使管桩生产流水线正常运转，且有足够大的成品管桩堆放场地，以便成品管桩存储和装船发货；二是制造厂拥有成套的直缝钢管桩生产设备和人员，数量可满足供货要求，且起重设备具备整桩吊运装船的能力；三是制造厂必须靠近大江大海，拥有在港航局登记在册可正常使用的船坞式码头，以便从制造厂船坞式码头装船发货。

鉴于以上情况分析，针对成品钢管桩长度超长和单重较大的问题，结合制造厂厂房分布和船坞式码头的具体所在位置，采用车间内分节制作、露天场整拼的方法解决这一问题。

下面对钢管桩制造过程中质量控制关键技术进行阐述。

3.1 钢板材质及检验

钢管桩采用Q355NC型正火轧制T1级探伤板，需对所有钢板数量的20%进行超声波（UT）“田”字探伤，符合《承压设备无损检测第三部分：超声检测》（NB/T47013.3-2015）中T1级质量要求。每批钢板进场验收时，除检查外观尺寸合格外，还需对产品质量证明书内容进行核对，质量证明书需包含材料材质、熔炼分析、拉伸试验、冲击试验、探伤试验等数据。对没有产品合格证件，或标号不清，或对材质有疑问的钢材拒绝使用。

3.2 板材下料控制

板材下料是钢管桩制作尺寸精度控制的关键源头，对2.1中质量要求的(1)、(2)、(3)、(4)起到决定性作用。如下表2所示，对钢板划线的极限偏差做了限制。板料材质为Q355NC，是低合金高强度结构钢，下料厚度为20mm～34mm，适合用龙门数控火焰切割机下料。使用数控火焰切割机下料，主要有两个指标可用来鉴定下料板件是否合格，分别是气割精度和切割质量。切割工位操作人员根据实际切割效果进行不断调整，直至切割出切面平整光洁、边缘完整、尺寸合格的板料。

表2 钢板划线的极限偏差

3.3 钢管椭圆度控制

在生产过程中，单节钢管管口椭圆度合格与否决定着组对工序是否能够顺利进行。椭圆度合格的标准是在钢管端面测量两组相互垂直的直径数据，每组数据的差值不大于5mm。控制椭圆度的根源在于下料工序、其次是卷圆工序。在下料合格的前提下，钢管卷管工序对椭圆度的影响最大。卷制完成后测量端口椭圆度，椭圆度检查合格后转到下道组对工序。

3.4 钢管总轴线弯曲矢高控制

弯曲矢高是指构件上距离构件连线中心点的最大值。钢管总轴线弯曲矢高就是超长钢管的两端面的中心连线到钢管起拱最高的的距离。本项目钢管桩总轴线允许弯曲量为钢管总轴线长的0.1%，且不大于25mm。每根成品钢管桩长度百十余米，由30余节单节长度为2m和3m两种规格的钢管拼焊而成，需要组对30余次，在保证单节钢管管端面倾斜度小于等于2mm的前提下，要控制钢管桩总轴线弯曲矢高在25mm范围之内，就要严格控制每次小组对时的组对间隙，避免出现因间隙不均匀随着长度累计而使钢管桩总轴线弯曲矢高超出允许范围的现象出现。

本项目采用厂内分节拼焊、露天场整桩拼焊的制作方法，将钢管桩总轴线弯曲矢高的控制目标细化拆分，使得单小组钢管桩由6～7节单节钢管拼焊而成，长度控制在20m左右，椭圆度和端面倾斜度合格的单节钢管会流向小组对工位，在组对滚轮架上进行小组对，在组对过程中严格控制组对间隙的均匀性，并测量已组对点焊完成管节的轴线弯曲矢高，控制其范围设置为5mm，经质检员验收合格后方能运输至露天场等待整桩组对拼焊。

露天场组对拼焊效果是对钢管桩总轴线弯曲矢高控制效果的终极检验。钢管桩在露天场组对前要对组对用的轨道式移动滚轮架和半封闭式移动焊接平台进行检修维护，在保障安全的前提下进行整组对作业，每根成品钢管桩有4道组拼环缝，意味着每有一小组钢管组拼到整桩上，都需要测量桩轴线的弯曲矢高，在滚轮架上不断旋转调整，直到桩轴线弯曲矢高合格后进行焊接工作。

3.5 桩身焊缝焊接质量控制

钢管桩桩身焊缝包括纵缝和环缝，且每根钢管桩包含35余条纵缝和环缝，考虑焊接任务量大，交货工期紧张，项目部选择SAW+FCAW的焊接方法进行钢管桩的施焊工作，其中钢管桩主体焊缝（纵缝和环缝）采用SAW，桩身附属构件的焊接和主体焊缝局部返修均采用FCAW。从三个方面对桩身焊缝焊接质量控制进行阐述。

（1）焊前控制

1）人员资质

焊接由具备海洋工程、压力容器、电力等相关行业焊工证的人员负责实施。

焊工焊接的钢材种类、焊接方法和焊接位置等，均需与焊工本人考试所取得的合格项目相符。

无损检测人员经过专业培训，通过国家专业部门考试，并取得无损检测资格证书。评定焊缝质量由Ⅱ级或Ⅱ级以上的无损检测人员担任。

2）焊材管理

焊丝、焊剂到货验收后需放置于通风、干燥和室温不低于5℃的专设库房内，并及时做好实测温度记录。焊剂烘焙温度350℃保温2小时。焊剂中若有杂物混入，需对焊剂进行清理，或全部更换。焊丝在使用时表面无铁锈和油污。全部焊接材料必须具备质量合格证、相应的材料数据表、机械性能报告等，另外还需对不同批次的焊材进行抽样检验，焊接试板后送至第三方检测机构做焊材的理化复验工作。

3）焊接设备

焊接设备具有合格证明书，并且具有参数稳定、调节灵活和安全可靠等性能，能够满足焊接参数的需要。焊接设备上的电流表、电压表定期检定，规范参数调节装置需定期检查，以保证其工作正常。

4）焊接环境

在厂房内进行焊接时，焊接环境温度需大于0℃（低于0℃时，需在施焊处两侧200mm范围内加热到15℃以上或再进行焊接施工），相对湿度＜85%，且焊接工作区必须采取适当的措施防风雨。

在露天场焊接作业的环境要求可参照厂房内焊接对环境要求的约束条件，当环境出现下列情况时，需采取有效的防护措施，无防护措施时，停止焊接工作：①风速超过规定，气体保护焊大于2m/s，其它焊接方法大于8m/s；②雨雪天气；③环境温度小于零度；④相对湿度＞85%。

（2）焊接过程控制

1）每次施焊前，需清理焊缝及焊缝坡口两侧各10～20mm范围内的氧化皮、铁锈、熔渣、油污、水迹及其它杂物，并检查装配尺寸、坡口尺寸和定位焊縫质量，定位焊缝上的裂纹、气孔、夹渣等缺欠均需清除。每一焊道焊完后及时清理，检查合格后才能继续施焊。

2）由于桩身焊缝为全熔透焊缝，纵缝、环缝的背缝焊接之前进行彻底清根。

3）为尽量减少变形和收缩应力，在施焊前选定定位焊焊点和焊接顺序，从构件受周围约束较大的部位开始焊接，向约束较小的部位推进。

4）纵缝焊接需设引弧和断弧用的助焊板，拒绝在母材上引弧和断弧。定位焊的引弧和断弧在坡口内进行。

5）每条焊缝尽量一次连续焊完，因故中断焊接时，采取防裂措施。在重新焊接前，将表面清理干净，确认无裂纹后，再按原工艺继续施焊。

6）拆除引、断弧助焊板时不能伤及母材，拆除后将残留焊疤打磨修整至与母材表面齐平。

7）焊接工作不允许伤害桩体，不允许在桩体任何部位进行引弧。除图纸要求外，不允许在桩体的任意部位焊接把手或者接地线部件等。

（3）焊后控制

1）焊接完毕，焊工进行自检。焊缝自检合格后在焊缝附近进行编号和作出记录，并由焊工在记录上签字。

2）桩体所有焊缝与母材圆滑过渡。防腐施工之前，对所有焊缝进行打磨，打磨半径不小于构件壁厚；每条焊缝施焊完毕需清除熔渣及飞溅物。

3）因局部探伤不合格而需要返修的焊缝需要按照返修工艺执行，且同一部位返修次数不超过两次。

3.6 桩身防腐质量控制

风电机组基础钢管桩暴露于潮水腐蚀环境中，高桩承台基础桩基表面属于Im2腐蚀性环境类别。桩身外表面总防腐总厚度最厚达1080μm，且每根钢管转防腐区域长度达26m，涂层性能要求高。

下面从四个方面对管桩防腐质量进行控制。

（1）防腐施工环境

1）表面处理和防腐涂层施工过程中，要对环境的温度、相对湿度和露点进行控制。

2）表面处理和防腐涂层施工，要在通风和照明良好的室内施工；空气相对湿度要低于85%，底材须高于露点温度至少3℃。

3）待涂表面的钢板温度控制在5℃～40℃的范围内，如超出本范围，需采用适当的手段后方能施工。

4）涂层涂装在厂房内喷涂时，室内光线明亮，空气流通。涂装操作区地面干净，保证在喷涂过程中无灰尘扬起。操作区设置隔离地带和安全警示标牌。在施工和干燥期间采取适当的通风和预防措施，使雾粒和挥发的溶剂处于安全浓度范围内，防止造成中毒及爆炸、火灾事故。

（2）表面预处理

1）钢材进行表面预处理前，首先进行飞边毛刺、锐边尖角进行倒角等工作，锐边和切割边缘打磨到R≥2mm，并清除所有的焊接飞溅物和焊渣。

2）喷砂施工要在相对封闭的喷砂房内进行，并保证足够的通风和照明；涂层涂装过程必须在厂房内进行。喷涂场地开阔，设有专用操作区。室内空气流通，光线明亮。

3）钢材表面在涂装前需进行喷砂除锈处理，表面除锈等级达到Sa2.5级，表面粗糙度达到50～80μm。

4）表面处理合格后在4h内喷涂，其间隔时间越短越好。若遇下雨或其它造成钢材基体表面潮湿时，要待环境达到施工条件后，用干燥的压缩空气吹干表面水分和除去灰尘，并重新喷砂处理至设计要求的等级。

（3）涂装施工

1）施涂前，根据施工图纸要求和涂料生产厂的规定，在工艺试板上进行附着力测试。

2）钢管表面处理合格后必须在4h内喷涂第一道油漆，环境温度会影响每道油漆达到硬干的时间，5℃~40℃的范围内，温度越高，达到硬干所需的时间越短，可以覆涂的时间间隔就越小，涂料涂装效率越高。

3）钢管桩涂层经7天固化养护后才能开始打桩工作。涂层在未完全固化的情况下，禁止承受拉力作用；涂层固化过程中，需保持良好的通风，在固化前，需避免接触水气。

（4）涂层质量检验

1）确保在适合施涂和养护的环境条件下进行涂装。

2）涂装后按《漆膜厚度测定法》（GB/T 13452.2）中规定的方法进行涂层干膜厚度测定。

3）在涂层喷涂过程中，不断检测调节每道涂层的湿膜厚度，以控制干膜厚度。

4）防腐涂装完成并达到固化要求出厂前，由监理工程师对涂层的外观进行检查。

5）对桩体外表面100%的涂装范围均采用高压漏点检测仪进行漏点检测，桩体内表面的50%涂装范围需进行漏点抽检，其余部位按10%范围进行漏点抽检。

6）漏涂点按 NACESP0188 进行检测，发现任何漏涂点均进行补涂，且修补处的干膜厚度复测结果满足图纸要求。

4 结束语

玉环风电项目高桩承台钢管桩由两家制造厂同时开始生产制造，从始至终，合理调配生产资源，遵循安全第一的理念，严格把控质量关口，历时5个月，陆续生产超长钢管桩共206根，发货总重量高达23000t，有力保障了打桩现场的打桩进度。到2021年6月18日，华电玉环海上风电一期工程（北区）完成全部基础承台浇筑！