中国宝武钢铁集团有限公司高级主任研究员黄卫锋:中国宝武高性能风电用钢解决方案

能见App 2023年10月18日 4182

2023年10月16日-19日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。能见App全程直播本次大会。

10月18日上午,中国宝武钢铁集团有限公司高级主任研究员黄卫锋在风电产业技术创新论坛I上发表题为《中国宝武高性能风电用钢解决方案》的主题演讲。

以下为发言全文:

各位嘉宾上午好,今天我给大家带来中国宝武高性能风电用钢解决方案,分三块:风电用钢现状、TMCP高强钢的优势、Baowind用钢情况。

目前每年就风电的基础用钢量新增600-800万吨,全球范围内风电用钢量达到1亿吨,而且目前随着风电行业在进行大型化高效化的发展也遇到成本的压力,我们想通过钢材技术的创新给大家带来降本的效果。    

目前风电机组来讲,塔架占整个成本的30%,在当中又有80%的成本属于原材料钢材的成本。所以说钢材成本本身对于主机厂和业主,成本的压力也是比较大的,也是比较敏感的。所以宝武看到风电用钢的发展方向,也看到具体应用工作。

随着目前海上风电做的比较大,单桩来讲预期最大直径可以做到15米,长度可以达到150米,钢板厚度可以做到150mm。后来也有专家估计接下来达到单装一根钢管4000吨,对于吊装的影响也是非常大的。另外导管架也是越来越大,就风塔本身而言也是越来越大,像16兆瓦的塔桶直径可以达到8米,单重达到800多吨。

越来越大造成钢板生产和塔桶制造,也是造成很大的困扰。塔架越来越大,壁厚也是越来越大,长度也是非常大的。现在15米直径的塔桶,要求钢桶长度40米。随着钢板的单重增加,生产制造难度也非常高,现在采用拼接的方式解决这个问题,但也会带来其他的问题,对于整个制造难度是增加的。

对于塔桶制造本身来讲,随着厚度的增加,对于三管成型的能力要求越来越高。厚度越厚,焊接的时间和质量也是难以保障的,重量的增加对于吊机能力和风电的安装船能力要求越来越高,所有的这些问题给我们提出能不能有更好的方式解决。

就风电用钢来讲,无论这么大的尺寸或者单吨这么大,我们的用钢材料非常低,用整个标准当中最落后的工艺来生产。目前来讲,无论是海上或者陆上的风电钢,用的材料级别就是最普通的355,也就是对于海上风电来讲,一般用的国标712,相当于标准当中最低的材料。相比于传统72来讲,去年标准增加后可以增加960,对于陆上塔桶来讲用的是191,现在用的也是Q35,对于这个标准最高钢级也是达到690,所以也是用标准中最低强度级别的材料,所以提升的空间非常大。

我们用标准整体来讲要求比较低,其实对于后续钢材加工所需要的焊接性、疲劳性能,在主流的主机厂当中没有涉及。所以说,这些要求对于后期的加工制造非常关键,但这没有反映在现有风电行业技术要求当中。

另外是材料制造工艺全部以是政府工艺为主,最大的问题是碳排放比较高,因为需要热处理,而且能够制造钢材最大的强度级别有限,最大是460,强度再高是做不了的。目前先进的工艺在风电行业得到的认识不足,反观其他的行业,风电安装船,大批量采用高强钢,这些应用可以为风电行业来去建。就我们对风电钢的预测,后续高性能风电钢有几个突出的特点。

一是高性能,二是可焊性,三是制造过程要绿色低碳,采用最先进的制造工艺不需要热处理,同时希望减少用钢量和碳排放,四是低成本,虽然说性能和工艺提高,总的成本还是要下降的。

介绍一下TMCP高强钢的优势,目前大家所用的材料是19世纪40年代出现的,在19世纪60年代出现了调制处理的扎制工艺,70年代出现TMCP工艺,目前来讲用最简单的工艺,里面最大的问题在于正火和正火工艺只能适用于低强度的材料,调制工艺可以达到非常高的强度,但最大的问题是不好焊,一般用于不需要焊接的场合。TMCP覆盖的钢级比较广泛,同时韧性、可焊性比正火调制要好,所以我们认为TMCP在峰顶行业应用前景广阔。   

同时,目前正火用40、355碳钢量大于0.43,如果用TMCP工艺,即使做到460,碳钢量可以降低到0.40左右。如果在基础上加上一定的核心,我就可以把碳钢量进一步降低0.33。如果在基础上再稍微加一点合金,从这个意义上来讲TMCP具有的优势,能够细化,包括提高疲劳强度。

基于工艺情况下,中国Baowind构建355-500的风电钢,最大厚度可以做到120,突出的特点是可以实现高效衔接,目前的用量也非常广泛。在材料的设计之初考虑到后续材料的加工工艺,包括焊接工艺,已经形成非常完整后续加工指导工艺的规范。

目前,Baowind风电用钢的解决方案包含两部分,一是纯粹用高强本身,二是在高强本身的情况下增加高疲劳,能够进一步降本。先说高极限方案,目前塔桶推荐用420、460,希望用Q420为大家降本,同时出现高塔可以做到K500,目前主流的420方案,比如说右边的案例是在新疆比较项目,采用355和420经济性的对比。420原来是346吨,用到420直接减重40吨。

从去年6月份开始,所有的主机厂在大批量应用420材料,有一些主机厂基本上一半设计,已经用420材料替代。海上目前的几大设计院,也在设计420和460替代方案。

这个构建塔(PPT)采用的是550方案,比传统的355减重非常大,采用钢管是用保钢制造的1.4米直径,现有塔一般是3米一段,这个不需要那么多的焊缝,整个产能非常高,成本也非常低。

高疲劳的方案,刚刚只是提到高极限,风电运行环境当中,大部分情况下对于焊缝疲劳强度要求非常高,我们要提高寿命减少用钢量,我们做三种材料的对比,355疲劳强度是DC92,420疲劳极限101,500是155。这就意味着寿命可以延长这么多或者说把材料的壁厚减薄。

同时做附件焊缝,做的次数是1000万次。基本上它是属于无限疲劳寿命,附件疲劳做到110兆帕,420提升13.8%,都比对接焊缝疲劳强度高一些。

在今年4月份的时候,北京鉴衡全程参与做实验的过程,给我们颁发疲劳性能提升的技术评估复合性报告,也是全球钢铁行业或者风电行业第一家取得证书,而且大家能够用高疲劳的方案设计证书。可以在现有的基础上进一步减重20-40吨,就去年来讲宝武风电钢供货量也非常大,大家认为高强之后韧性会下降,无论是-20或者-40,性能永远是非常高的,在标准的情况下做各位置的评价,最低也就是在100多家。

最后给大家介绍一下碳钢量的设计,采用TMCP工艺后,其实是500采购,碳钢量只有0.39,现在Q935是0.42%,所以我们认为宝武高强系列材料,从可靠性的角度上来讲是优于35材料。这是TMCP业绩表,涉及到国内外不同强度级别的材料也都有。

我们希望大家在风电行业,能够更多的用高性能的风电钢材料,对于宝武来讲为了区别现有的材料和宝钢新开发材料的区别,所以我们申请Baowind这么一个品牌,也希望通过宝武在行业内的推动,让大家用到更多高性能的风电钢,推动整个行业的进步。

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

 

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