Svařování ocelových věží pobřežních větrných elektráren pod tavidlem

Sea conditions make big structural demands on on-shore wind power plants. Therefore, both basic and additional materials have to be selected very carefully, as well as suitable technology and the procedure of welding. Steel with low yield strength of 355 MPa is usually used. Due to the large thickness of the basic material, there are a big proportion of welded joints. The production economics dictates high requirements for the speed of welding works. A new flux OK Flux 10.72 has been introduced on the market designed for submerged arc welding having excellent welding characteristics and mechanical properties down to -50 °C. Of course, it is used for highly productive, so called tandem twin welding.

Vítr na moři je mnohem silnější než na pevnině, což zajišťuje i vyšší účinnost větrných elektráren. Po výstavbě, odzkoušení a zapojení jednotlivých elektráren do sítě se začalo se zakládáním větrných parků, převážně ve Skandinávii. Uvažuje se o některých lokalitách v Severním a Baltském moři. Pobřežní turbíny o výkonu do 5 MW s věžemi vyššími než 100 m jsou plánovány a kombinovány do skupin o celkovém výkonu do 1.500 MW.

POŽADAVKY NA POBŘEŽNÍ VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
Před instalací větrné turbíny se pečlivě zvažují vlivy na životní prostředí a všechna možná rizika pro námořní dopravu, popř. rizika způsobená námořní dopravou. Tyto studie nejsou důležité jen pro majitele elektráren, pojišťovací společnosti, ale i pro konstruktéry a dodavatele energetických zařízení. Některé z výsledků těchto studií vedou k aplikacím speciálních postupů výroby a montáže větrných turbín. Typická rizika pro základy a věž elektrárny jsou:

• kolize s lodí,
• příliv a odliv, proudění a vzedmutí moře (zvláště v Severním moři),
• plovoucí led (zvláště v Baltském moři),
• poryvy větru a hurikány.

ZÁKLADY
Při výstavbě se zvažuje použití několika druhů založení, například jednoduchá pilota, trojnožka, tížné založení a další. Některé z nich se již běžně používají, jiné se teprve zkoušejí. Pro samostatné turbíny i parky (např. Horns Reef v Dánsku) se přednostně používají – díky hloubce dna 25 m – jednoduché sloupy zapuštěné do dna. V případě, že to hloubka moře a geologické složení dna dovolí, jsou sloupy zaraženy hluboko do dna. S rostoucí hloubkou moře se častěji používá trojnožka. Pro všechny druhy těchto základů je společný určitý podíl potrubí. Výroba těchto trub je založena na tváření a svařování tlustých ocelových plechů.

POŽADAVKY NA OCELI A SVAŘOVÁNÍ
Pokud uvažujeme dobu životnosti větrné elektrárny na moři 20 let, představuje to 109 cyklů. Únavové namáhání konstrukce vyžaduje, aby svarové spoje byly v místech s nejmenším napětím a bez vrubů. Základové piloty mají průměr okolo 4 m a délku přibližně 30 m. Jsou vyrobeny z plechů o tloušťce 40–70 mm a o šířce 2–3 m. Pro srovnání: věže pozemních větrných elektráren mají tloušťku stěny do 45 mm u paty a jen 10–15 mm u vrcholu věže. U nízkouhlíkových ocelí s vyšší pevností vzrůstá uhlíkový ekvivalent (CE nebo CEW) obvykle s rostoucí tloušťkou stěny, navíc tloušťka stěny zajišťuje intenzivnější odvod tepla během svařování. Musí se proto předcházet zkřehnutí v tepelně ovlivněné oblasti a praskání za studena (předehřev, správné vnesené teplo, vícevrstvé svařování a nízký obsah difuzního vodíku v přídavných materiálech).
Podle doporučení zkušební laboratoře Germanischer Lloyd byly konstrukční části rozděleny do hlavních skupin v závislosti na druhu a velikosti namáhání na:

• speciální konstrukční členy (vysoce namáhané, např. příruby),
• primární konstrukční členy (normálně namáhané, např. stěny věží),
• sekundární konstrukční členy (nejméně namáhané, např. úchyty, držáky).

Pro pozemní konstrukce větrných elektráren se běžně používá ocel S355J2G3, ovšem vrubová houževnatost, požadovaná pro konstrukce na moři, vyžaduje jemnozrnné oceli s vyššími hodnotami. Materiály používané na speciální konstrukční členy musí být vysoce kvalitní, s nízkým obsahem síry, vodíku a se zaručenou tažností. Mez kluzu je 275 MPa a vyšší, pro všechny oblasti svaru jsou požadovány odpovídající hodnoty nárazové práce při teplotě -40 °C. Navíc může být požadována zkouška (CTOD).
Vhodné oceli byly vybrány podle EN 10 225 (viz tabulka 1).

Požadavky na oceli pro primární konstrukční členy jsou velmi podobné. Evropské normy stanovují obsah uhlíku na méně než 0,14 % a uhlíkový ekvivalent C_EV ≤ 0,43 %. Předpisy Germanischer Lloyd udávají velmi podobné hodnoty. Evropská norma dále vyžaduje hodnoty nárazové práce pro V-vrub ≥ 50 J při -40 °C, předpisy požadují ≥ 34 J v podélném směru a ≥ 24 J v příčném směru. Doporučené oceli podle EN 10 225 jsou uvedeny v tabulce 2.

Pro menší tloušťky stěn mezi 25–50 mm předpisy povolují použití oceli S355G6 + M a S355G3 + N (podle EN 10 225), S355J2G3 (podle EN 10 025 se zvláštním certifikátem).

POŽADAVKY NA VÝROBCE
Je-li tloušťka t ≥ 40 mm, podle EN 10 225 je výrobce oceli povinen poskytnout zákazníkovi informace o její svařitelnosti. Odstavec 18 (Dodatečné požadavky) popisuje osvědčení o zkouškách svařitelnosti podle požadavků zákazníka tak, aby byla ověřena použitelnost dodaného materiálu a aby vyhovoval nárokům pro svařování – ať už s následným tepelným zpracováním nebo bez něj.
Výrobci věží větrných elektráren nastavili přísné hranice tolerance tloušťky plechů, kvality povrchu a přípravy svarových ploch. S rostoucí pevností a houževnatostí nabývají na významu množství vneseného tepla, rychlost ochlazování (předehřev a teplota interpass). Podle norem a předpisů musí dodavatelé a výrobci splňovat několik předpokladů. Výrobci by měli používat pouze takové přídavné svařovací materiály, které prokazují konstantní vysoké hodnoty při zkoušce CTOD při -10 °C. Výroba svařovaných dílů je založena na kvalifikaci postupu svařování podle evropské normy EN 288-3 a zahrnuje takové podrobnosti jako je:

• metoda svařování,
• teplota předehřevu,
• maximální interpass teplota,
• vnesené teplo,
• poloha svařování,
• svařovací materiál.

Protokoly schválení postupu svařování (WPQR) jsou připravovány ve všech případech a musí být objednatelům věže přístupné. Svařovat podle WPQR je nezbytné, zvláště v případech, kdy není aplikováno tepelné zpracování po svařování, což je cíl výrobců. Obyčejně je žíhání na odstranění vnitřního pnutí požadováno u tlustostěnných materiálů pro námořní konstrukce, dodaných ve stavu + N (normalizačně vyžíhaném) a + M (řízeně válcované). To platí pro oceli tloušťky t ≥ 40 mm podle normy EN 10 255 a t ≥ 50 mm podle předpisu Germanischer Lloyd. Aby mohlo být povoleno svařování bez následného tepelného zpracování, musí být ověřeny následující faktory:

• osvědčena svařitelnost základního materiálu,
• zvládnutí svařovacího procesu reprezentovaného WPQR,
• zkoušky CTOD podle EN 10 225, appendix E, nebo nákupem materiálu podle dodatečných požadavků podle EN 10 225.

SVAŘOVÁNÍ
Přísné požadavky na kvalitu a mechanické vlastnosti svarových spojů jsou většinou v konfliktu s produktivitou svařovacího procesu. Protože je svařování pod tavidlem při kombinaci kvality s velkým množstvím odtaveného kovu účinné, bylo tudíž první volbou pro výrobu věží a základových pilot. Varianta metody, která používá více než jeden drát, se stala důležitou s tím, jak narůstala tloušťka materiálu a objem svarů. Především však proto, že nabízela další nárůst objemu odtaveného kovu. Výsledkem vývoje je twin-tandemový proces se čtyřmi dráty, který je schopen přenést až 30 kg svařovacího materiálu za hodinu při 100% zatížení.
Při vysokých svařovacích proudech (více než 1.600 A), potřebných pro velké množství odtaveného kovu, bylo nutné se zaměřit na množství vneseného tepla. Aby se vyhovělo požadavkům na kvalitu, musely být při vícevrstvé technice svařování stanoveny limity na tloušťku svarové housenky a množství vneseného tepla. Rychlost svařování tak byla zvýšena na hodnoty okolo 100 cm/min. To dává výhodu žíhání materiálu při průchodu další svarové housenky, což má pozitivní vliv na mechanické vlastnosti ve všech oblastech svarového spoje, zvláště na houževnatost při -40 °C a níže.

ZKOUŠENÍ SVAŘOVÁNÍ S OCELÍ S355G8 + N

Základní materiál
Svařování bylo zkoušeno na materiálu S355-G8 + N podle EN 10 225 (podobně jako S355NL/EN 10 113-2, ale se zaručenou tažností).

Drát a tavidlo
Aby byla zvýšena účinnost procesu s více dráty a byly zároveň splněny přísné požadavky na mechanické vlastnosti, bylo rozhodnuto o použití nově vyvinutého tavidla, jehož charakteristikami jsou dobrý přenos proudu, dobré chování při vysokých rychlostech a dobrá oddělitelnost strusky u relativně úzkých úkosů. Nové aglomerované bazické tavidlo OK Flux 10.72 (EN 760: SA AB 1 57 AC H5) bylo vyvinuto tak, aby splňovalo požadavky evropských výrobců větrných elektráren a vytvářelo svarový kov s požadovanou houževnatostí při -50 °C. Jako přídavný materiál byl vybrán drát OK Autrod 12.22 (EN 756: S2Si). Vyšší obsah křemíku v tomto drátu má vliv na dezoxidaci a oddělitelnost strusky. Navíc má tento drát velmi nízký podíl nečistot, což zaručuje vysokou houževnatost.

Vnesené teplo
Vnesené teplo má velký význam. Je-li příliš malé, TOO se zakalí a stává se náchylnou k praskání za studena. Pokud je vnesené teplo příliš veliké, dochází v TOO k růstu zrna, což negativně ovlivňuje pevnost. Vnesené teplo během zkoušek svařování bylo 1,9 kJ/mm v první vrstvě a 2,7 kJ/mm v dalších vrstvách. Svařování začínalo s předehřevem 125 °C, maximální teplota interpass byla omezena na 250 °C. Po zavaření čtvrté svarové housenky se pracovní teplota pohybovala mezi 160 až 180 °C. Vzhledem k velkým rozměrům bylo třeba ji udržovat ohřevem. Při výrobě věží větrných elektráren se používá úkos 50 ± 5 ° a otupení 3–5 mm. Při svařování se začíná se zavařením kořenové housenky metodou MAG zevnitř roury. Metodou svařování pod tavidlem pak bylo vytvořeno 31 svarových housenek včetně krycí vrstvy.

VÝSLEDKY MECHANICKÝCH ZKOUŠEK
Svařovaný plech nebyl tepelně zpracován – při vědomí, že většina výrobců používá kvalifikační proces pomocí CTOD zkoušky při -10 °C namísto tepelného zpracování dílu po svařování.

• Tvrdost – byla měřena podle Vickerse (HV 10) na základním materiálu, v TOO a ve svarovém kovu. Podle EN 10 225 (E.4) je přijatelná tvrdost omezena na hodnotu 325 HV 10.
• Statická zkouška tahem – pro zkoušku tahem byl použit příčný plochý vzorek. Byla naměřena pevnost 520 MPa, požadovaná pevnost podle EN 10 225 je R_m = 470–630 MPa. K přetržení vzorku došlo v tepelně neovlivněném základním materiálu.
• Rázová zkouška – pro ocel S355 podle EN 10 225 (E.4) je požadována minimální průměrná hodnota práce 36 J a minimální hodnota u jediného vzorku 26 J při -40 °C. Výsledky rázových zkoušek, vzorky s V-vrubem z TOO podle EN 875 jsou v tabulce 3.

Nicméně přídavné materiály byly schváleny pro -50 °C, hodnoty nárazové práce pro svarový kov, vytvořený twin-tandemovou metodou, jsou v záloze (tabulka 4). Svarový kov splnil požadavky i při -50 °C, přestože je zde viditelný trend nárůstu hodnot s poklesem zředění se základním materiálem.

ZÁVĚR
Zkoušky svařování ukázaly, že vysoce ekonomická metoda svařování pod tavidlem může splnit požadavky na mechanické hodnoty a kvalitu požadovanou při stavbě větrných elektráren na moři. Přídavné svařovací materiály OK Autrod 12.22 a OK Flux 10.72 prokázaly vynikající chování při svařování i výborné mechanické vlastnosti. Pro další výrobu budou doporučovány plechy vyrobené řízeným válcováním (např. S355-G8 + M) – díky nižšímu obsahu uhlíku a uhlíkovému ekvivalentu, čímž je dosaženo lepší svařitelnosti při nižším předehřevu. Využití této metody svařování je však širší: lze ji využít všude tam, kde je požadováno svařování za velmi nízkých teplot. Velikým projektem byla výstavba až 900 m dlouhého aquaduktu spojujícího kanály Mittelland a Havel nad řekou Labe a nyní na projekt výstavby dvou vodních náhonů pro vodní elektrárnu Karahnjukar na Islandu.
Dalším příkladem mohou být i DSD Novell v německém Würzburgu, která se podílí na stejném projektu na Islandu, Hitachi Canadian Industrie v kanadském Saskatoonu, jež se zabývá výrobou částí plynových a parních turbín, tlakových nádob a komponentů pro větrné elektrárny, italské Leucci Construzioni z Brindisi nebo Tegopi z portugalského Porta, obě orientované na výstavbu větrných elektráren.

(z podkladů firmy ESAB Vamberk, s.r.o.)

Tento článek vyšel v časopise KONSTRUKCE 2/2006.

Autor

• (red)