1 塔架和基础用钢板

1.1适用钢材

根据安装区域的水深，海上风力发电装备结构可分为两类：固定式和漂浮式。目前，固定式风力发电机处于领先地位，但由于未来合适的场地数量会减少，在全球范围内建立漂浮式风力发电机技术尤为重要。在日本等平浅水域有限的国家，人们对漂浮式技术的期望尤其高。在海上风力发电中，除《电力法》外，《港湾法》也适用于风力发电机和支撑结构，而《船舶安全法》则适用于漂浮式风力发电机。2020年制定的《海上风力发电机技术标准统一注释》规定，材料的选择应以符合JIS标准、《电力法》、《港湾法》及其他相关法规等为基准，同时应为2014年前已获得国土交通大臣批准的材料，或符合建设省2000年5月31日第1446号通知的材料，以及《船舶结构条例》中规定的用于漂浮式的材料。在日本海事协会2020年发布的《海上风力发电机和漂浮式海上风力涡轮机遵守法律法规指南》中，支撑结构所用材料应符合《钢质船舶规范》K编的规定。表1举例说明了适用于海上风力发电的厚钢板。随着风力涡轮机的增大，所用钢材的厚度也在增加。在欧洲广泛采用的EN和JIS标准中，屈服强度的下限随板材厚度的增加而降低。此外，在JIS标准材料中，作为已设定标准强度（F值）的材料，SM520的强度最高。另一方面，BT-HT是一种已获得日本建设大臣批准的建筑用厚钢板，其屈服强度下限不会随着厚度的增加而降低，而且还可提供TS590级高强度钢，因此可以有效地应对风力发电机规模扩张。

扩大海上风力发电应用的问题在于发电成本，这需要降低风力发电机和基础的制造、安装以及运行和维护成本。以下将介绍有助于降低海上风力发电成本的钢铁相关技术。

1.2高效焊接技术

随着结构大型化，钢板变厚，提高厚钢板的焊接效率可有效降低风力发电机和地基的制造成本。目前日本已开发出可显著减少焊道数的高热输入焊接方法和相应的高热输入钢材，并已在造船和建筑领域投入实际使用。焊接热影响区（HAZ）增韧技术的发展经历了如下几个阶段：20世纪70年代，TiN钢投入实际应用。这是能够利用几十到几百纳米尺寸的TiN对γ晶粒长大实施钉扎效应的技术。20世纪90年代，TiO钢投入实际应用。TiO钢是一种通过无铝钛脱氧将数微米以下的Ti氧化物分散到钢中，作为IGF（晶内铁素体）形核进行应用的技术，也是氧化物冶金技术应用的开始。2000年代，氧化物冶金技术得到进一步发展，通过在钢中分散含镁和钙的数十到数百纳米的氧化物和硫化物，还开发出在熔融线附近对γ晶粒长大实施强力钉扎的技术。这些通过细化晶粒增强HAZ韧性的技术统称为HTUFF（High HAZ Toughness Technology with Fine Microstructure Imparted by Fine Particles）。

有学者对用于漂浮式海上浮标的高热输入焊接的TMCP钢进行了研究。表2列出了钢材的化学成分。这些钢是用于NK级船体的高强度钢，厚度分别为25mm、40mm和50mm，D级的夏比冲击试验温度为-20℃，E级为-40℃。KD36-TM是TiN钢，KE36-TM是HTUFF钢。表3显示了焊接条件。作为高效的焊接条件，采用了向下高热输入焊接的FCB焊接法（焊剂铜衬垫单侧埋弧焊）和垂直高热输入焊接的EGW焊接法（气电立焊）。焊道数均为一道。从焊接接头的典型显微组织可以看出，HTUFF钢KE36-TM的熔融线（FL）附近的原始γ晶粒粗化明显受到抑制。图1显示了FL的夏比冲击断口韧脆转变温度（vTrs）与焊接热输入量之间的关系。两种钢种都具有足够的冲击特性，其vTrs都低于评估温度，而且可以确认HTUFF钢KE36-TM的vTrs总体上往往优于TiN钢KD36-TM。图2显示了对全厚度焊接所需的电弧时间和焊道数的估算结果，假定SAW通常用于海上风电基础的X坡口。尽管使用高速SAW也能在一定程度上提高焊接效率，但当焊接输入热量增加到10kJ/mm或更高时，电弧时间可缩短60%以上。利用用于高热输入焊接的TMCP钢可显著提高焊接工作的效率。

电子束焊接（Electron Beam Welding：EBW）是另一种可用于超厚钢板的高效焊接方法。EBW能够对超过100mm的特厚钢板进行1次性焊接，但需要高真空（10-2MPa）条件，因此通常在真空室中进行焊接。近年来，研究人员开发了一种减压电弧焊（Reduced Pressure EBW：RPEBW），实现了大型建筑物（如海上风力发电机）在局部排气条件下进行焊接。然而，确保焊接接头的韧性一直是EBW焊接的一个问题。有研究人员开发了一种YP355N/mm2级TMCP钢板，具有极佳的EBW焊缝性能。在50mm厚的钢板上进行了单道EBW（80kV）焊接，结果证实焊接金属和HAZ具有优异的夏比冲击韧性（vE-40℃）。焊接金属韧性的提高归功于镍添加量的优化，以及由于降低了钢中的铝含量，焊缝金属中IGF析出增加，晶粒尺寸变小。

1.3抗疲劳技术

在漂浮式海上风力发电机中，除了普通漂浮设施所承受的海浪波动外力外，还叠加了风力发电特有的风和转子振动所产生的波动外力，因此所使用的钢材会在宽频范围内承受复杂的重复应力。因此，对于形状不连续和焊缝等应力集中部位，需要进行满足足够耐久性的疲劳设计。虽然对于大型漂浮式海上风力发电机来说，使用高强度钢材是可取的，但即使钢材的强度提高了，焊缝的疲劳强度一般也不会提高。为了充分发挥高强度钢的优势，需要采取提高焊缝疲劳强度的措施。 超声波冲击处理（Ultrasonic impact treatment：UIT）是一种表面强化处理方法，在超声波振动工具和待处理工件之间放置一个冲击头，产生的超声波推动冲击头与工件表面发生撞击，使物体表面产生塑性流动，同时在被撞击表面附近产生压缩残余应力。UIT已越来越多地应用于船舶和桥梁，它不仅能改善焊缝的形状，还能改善残余应力和钢的微观组织，从而显著提高疲劳性能。萱森等人利用了海上风力发电机用高强钢生产的模拟结构体，展示了UIT对目标部位的疲劳特性的提升效果。表4显示了用于大型结构模型疲劳试验的YP460钢板的化学成分和力学性能，图3显示了大型结构模型疲劳试验件。假定漂浮结构与塔架底座连接处的支架焊缝为疲劳部位，漂浮结构被模拟为水平构件，塔架底座被模拟为垂直构件。大型结构模型疲劳试样的疲劳特性如图4所示。当使用通常作为疲劳设计曲线指标的2×106循环次数来评估该试验结果时，UIT试样的疲劳强度是焊接试验件的两倍多。因此，不仅在船舶桥梁中，而且在海上风力发电机的漂浮结构中，UIT都能显著提高疲劳强度。

2 用于SEP船的钢板

在公海上为固定式海上风电设备建造基础结构和风力发电机需要使用大型施工船。由于施工船的租赁费用较高，因此需要快速施工，在欧洲，单桩地基施工的标准工作时间为一天，风力发电机施工的标准工作时间为两天。施工船的类型因施工条件而异，但最常见的类型是自升式平台（Self Elevating Platform：SEP）船，这种船预计能以相对较快的速度进行施工，通过将4-6条支腿插入海底表面并将甲板与海水表面隔开，从而消除了船只因海浪而产生的摇摆，使起重机能在与陆地几乎相同的环境中工作。在欧洲，为了提高商用可行性，风力发电机变得越来越大，超过10MW的大型风力发电机项目已初具雏形，并且在目前的起重能力约为1500t的前提下，已开始建造起重能力为2500t至3000t的SEP船舶。在日本，SEP船的建造也在取得进展，日本第一艘配备大型起重机（起重能力为800t）的SEP型多用途起重船已经完工。2022年完工一艘最大起重能力为2500t、可装卸12MW级风力发电机的SEP船。

TS780N/mm2级超厚钢板用于自升式桩腿的支架，要求具有良好的可焊性、缺口韧性、抗层状撕裂性和气割性。在制造超厚钢板时，改善连铸（CC）坯的中心偏析和微小气孔非常重要。图5是新型铸造设备概览。与传统的弧形连铸工艺相比，该浇铸法采用垂直铸造，通过降低浇铸速度，使非金属夹杂物有时间上浮。此外，通过控制浇铸温度和钢水流动来控制凝固组织，这大大减少了以往在连铸坯中观察到的中心偏析，并减少了铸坯厚度中心的细小气孔。通常铸坯厚度范围在245-400mm之间，因此该设备可用于小批量订单生产。通过选择这种立式连铸设备和最佳热轧条件来轧制微小气孔，生产出厚度为178mm的超厚HT780钢板。其化学成分见表5，力学性能见表6，在板厚1/2t范围显示出良好的强度和夏比冲击韧性。