大型鍛造法蘭脆性開裂原因分析

付 饒，杜風貞，武志勇

(1.中國船級社，北京 100006;2.國家有色金屬質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100088;3.中石油管道建設項目經(jīng)理部，北京 100101）

0 引言

ASTM A694 F60是高壓傳輸用管法蘭、管件、閥門和相關零件用碳鋼，是美國壓力容器的一種常用材料，這類鋼具有強度較高，合金含量低的優(yōu)點，適合于大型承壓管件［1］。其主要性能指標與國內(nèi)的Q420相當，大型高壓鍛造管法蘭國內(nèi)部分還采用16Mn制造，這種鋼性能相當于美國的ASTM A350 LF2鋼。

國內(nèi)對Q420或Q345鋼大型鍛造管法蘭斷裂研究較多［2-4］，而對于進口的采用ASTM A694－F60制造的大型鍛造管法蘭法脆斷分析鮮有報道。某北方大型天然氣傳輸企業(yè)一材質(zhì)為ASTM A694－F60，型號為30'的進口管法蘭組件發(fā)生爆裂，該組件由管法蘭和管道通過焊接連接而成，未經(jīng)投入使用僅在系統(tǒng)調(diào)試試壓過程中，便發(fā)生了法蘭頸部爆裂，此次事故對相關設備、廠房、造成較大的破壞，嚴重影響了工程項目進度，也對未來安全運行帶來了隱患，有必要研究其失效原因。

通過對該爆裂法蘭管件的2個部分進行斷口宏觀、微觀觀察，化學成分分析，金相組織檢查、力學性能分析、能譜分析等工作，確定法蘭爆裂失效的主要原因，并通過模擬實驗驗證分析結(jié)果的正確性，闡明法蘭脆性斷裂的機理，最后給出改進措施。

1 試驗過程及結(jié)果

1.1 宏觀觀察

通過對法蘭斷口進行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋貫通整個法蘭頸部，使法蘭斷為兩截，裂紋完全位于法蘭一側(cè)，部分裂紋位于法蘭頸部變徑處靠近焊縫的位置。法蘭頸部為管法蘭壁厚最薄處，該處也是法蘭外壁承受拉應力最大的部位。斷口整體較平整，呈銀灰色，存在大量肉眼可見的閃光小刻面，無明顯的塑性變形特征，屬于脆性斷口(圖1)。以螺栓孔順序作為標號，主裂紋可能的起源區(qū)域為8～14號之間的某處，主裂紋產(chǎn)生后沿法蘭圓周分別向兩個方向發(fā)展最終在3～4號間的位置交匯;標號為8～14間的這段斷口距焊縫較近，離焊縫趾部距離約2～5 mm，其中標號為9號處斷口最靠近焊縫邊緣處，根據(jù)裂紋走向推知該區(qū)域可能是裂紋源區(qū)，如圖2中白色箭頭所指處，但8～14間的任一位置均可能為裂紋源頭。

1.2 材質(zhì)分析

該法蘭材質(zhì)為ASTM A694 F60屬于低合金高強度鋼，根據(jù)工藝資料顯示，法蘭的熱處理制度為900℃正火，保溫時間為8 h，出爐空冷。依據(jù)法蘭組件的焊接工藝規(guī)程，法蘭在焊接前應作110±10℃的預熱，及焊后需保溫緩冷等處理，經(jīng)查證施工方的焊接實施記錄發(fā)現(xiàn)焊接施工措施得當，無技術及管理問題。為此，對法蘭進行了如下化學成分、力學性能、金相顯微組織及斷口微觀形貌觀察及能譜分析等測試工作。

1)化學成分分析

依據(jù)ASTM A694標準規(guī)定的F60標準成分及相關合金元素對法蘭取樣進行化學成分分析，結(jié)果表明失效樣品的化學成分合格。

2)力學性能

對法蘭本體及焊縫做了拉伸性能實驗，測試結(jié)果如表1所示;同時還對兩者做了沖擊試驗，特別是對法蘭做了一系列的溫度點(溫度范圍－40～80℃)的沖擊韌性實驗，結(jié)果見表2。

表1 法蘭及焊縫拉伸試驗結(jié)果Table 1 Tensile properties of flange and welded seam

從表1數(shù)據(jù)可知，法蘭本體材料拉伸試驗以美標ASTM A694 F60的標準為評判依據(jù)時，其屈服強度低于規(guī)定值，可判定為力學性能不合格;焊縫的拉伸各項指標明顯高于法蘭本體的性能。

由表2沖擊試驗結(jié)果可知，法蘭的低溫沖擊功很小，斷口均呈脆性，可見法蘭脆韌轉(zhuǎn)變溫度不在－40～80℃之間，已經(jīng)超出失效部件的服役溫度環(huán)境;依據(jù)ASTM A707中最低一級要求的L1級的沖擊試驗規(guī)定值作為評判依據(jù)時［5］，即試件在－29℃時，平均沖擊功不低于33 J，法蘭的沖擊韌性顯然不合格。作為對比試驗，焊縫的室溫沖擊功均在250 J以上，其值遠高于同溫度條件下法蘭本體的沖擊功，沖擊斷口呈韌性斷裂特征。

表2 沖擊試驗結(jié)果Table 2 Results of impact tests

對法蘭、焊縫及熱影響區(qū)作了硬度測試，結(jié)果顯示法蘭本體硬度約為185 HB，在焊縫部分及焊接熱影響區(qū)進行顯微硬度測試，結(jié)果顯示最高硬度值為257 HV，熱影響區(qū)如果產(chǎn)生了馬氏體組織，與基體硬度相比該區(qū)的顯微硬度會有顯著提高;因此，說明焊接熱影響區(qū)未出現(xiàn)淬火馬氏體組織，排除因焊接引起的力學性能的顯著變化等因素對開裂的影響。

3)金相組織檢查

通過對法蘭縱向剖面，橫跨裂縫焊縫及法蘭本體不同部位進行了金相組織觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)特別是對焊接熱影響區(qū)的微觀組織形態(tài)進行了觀察和評定，以分析其熱成形方式及熱處理工藝等信息，評價其顯微組織結(jié)構(gòu)及形態(tài)分布對性能的影響。

為了完整評價法蘭縱剖面的金相組織情況，在法蘭整個縱剖面上選取了7個不同部位進行金相分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)顯微組織形態(tài)均相同，主要由粗大的塊狀索氏體團和大塊角狀鐵素體構(gòu)成，是一種魏氏組織形態(tài)(圖3)。

根據(jù)金相樣品拋光態(tài)觀察結(jié)果，顯示法蘭基體比較純凈，無大塊狀或長條狀夾雜物，說明夾雜對機械性能影響有限;圖3中顯示的許多金黃色或淡紫色方塊狀物質(zhì)，可能為鈮、鈦氮碳氮化物過度長大形成的相;法蘭一側(cè)焊縫熱影響區(qū)厚度大約3 mm，沿著熱影響區(qū)由內(nèi)到外均未發(fā)現(xiàn)粗大的晶粒區(qū)，焊縫組織及熱影響區(qū)組織明顯比法蘭本體組織更細小，也未看到嚴重的淬火等有害組織出現(xiàn)，從組織上排除了焊接對開裂的不利影響因素。

由調(diào)研取證結(jié)果可知，實際爐溫記錄圖紙溫度示數(shù)為960℃，保溫時間為4 h，顯示本法蘭實際正火溫度偏高，正常的正火工藝規(guī)范為900℃保溫8 h。為此，對法蘭取樣做了900℃保溫1 h(根據(jù)樣品的尺寸計算保溫時間，最低0.5 h)后，出爐空冷的模擬正火實驗。圖4a、圖4b分別為模擬正火前、后的失效法蘭樣品金相顯微組織，可見在相同放大倍率下，模擬正火后顯微組織獲得顯著細化。

圖3 法蘭金相組織Fig.3 Microstructure of flange

4)微觀觀察及能譜分析

通過掃描電鏡對法蘭斷口觀察，發(fā)現(xiàn)9號附近位置外側(cè)表面有輕微塑性變形，且變形區(qū)接近焊縫的熔合線，雖然有輕微氧化及污染損傷，但仍然能夠看到部分微觀特征，存在塑性變形痕跡(圖5)。法蘭斷口表面整體為河流狀花樣的顯微形貌，呈典型的穿晶斷裂微觀特征(圖6);9號位置及附近區(qū)域的河流狀花樣的流向大致沿徑向向外。裂紋靠近外表面處的斷口河流狀花樣發(fā)展方向較凌亂，無明顯的取向性，符合裂紋源處的斷口顯微形貌特征。

圖4 糾正熱處理前后的顯微組織Fig.4 Microstructure of the sample

法蘭金相樣品顯微組織包含大塊狀的鐵素體和索氏體團塊。索氏體團內(nèi)通過掃描電鏡可見針片狀的魏氏片狀鐵素體組織以及細小的點片狀滲碳體及鐵素體(圖7)。由圖8可見鐵素體晶界間存在薄片狀的3次滲碳體組織。

通過電鏡能譜對金相中的方塊狀物質(zhì)分析可知，這些物質(zhì)為鈦鈮的碳化物或氮化物，這種碳化物或氮化物比較粗大，尺寸一般在5～10 μm，不能對晶界遷移起到任何的釘扎作用。

2 分析與討論

綜合分析表明:失效法蘭的化學成分合格，沖擊韌性差，金相顯微組織粗大，呈魏氏組織形態(tài)，裂紋沿法蘭頸變徑處開裂，此處為法蘭壁厚最薄處，也是彎曲拉應力最大的位置，顯微組織分析還排出了焊接工藝對組織及性能的有害影響。由此可見，法蘭爆裂失效與法蘭內(nèi)在質(zhì)量關系非常大，嚴重的魏氏粗大組織是造成法蘭脆性較大的主要內(nèi)在原因。

魏氏體的危害主要表現(xiàn)在使鋼的力學性能尤其是塑性和沖擊韌性顯著降低，同時使脆韌轉(zhuǎn)折溫度升高。造成這種粗大魏氏鐵素體組織可能的原因是熱處理時組織過熱［6-9］。由于過熱使得鈦、鈮等的碳氮化物過度長大無法對奧氏體晶界作有效釘扎，晶界遷移得不到控制，使得原始奧氏體組織顯著粗大，隨后冷卻過程中由于晶粒過度粗大，且高溫區(qū)冷卻速度較快，碳來不及充分擴散，形成魏氏組織形態(tài)，溫度降低到一定階段時，由于鍛件質(zhì)量很大，冷速顯著降低，溫度不能很快降到室溫;因此，過飽和的鐵素體仍在晶界或相界處析出三次滲碳體，進一步增加材料的脆性，這就是法蘭出現(xiàn)魏氏組織，引起脆斷的主要機制。

廠家的生產(chǎn)記錄顯示，該批法蘭熱處理溫度記錄圖紙顯示其最終正火熱處理加熱溫度為960℃，保溫3.5 h。該法蘭的正確生產(chǎn)工藝規(guī)程為正火加熱溫度為900℃，保溫時間以最大截面尺寸計算應為8 h。可見最終正火熱處理過程中，奧氏體化溫度過高是造成這種粗大過熱組織的直接原因。調(diào)查顯示法蘭制造廠家擅自提高了奧氏體加熱溫度，以縮短保溫時間，其目的是為節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率。

為了驗證原因分析的正確性，進行了一個模擬的糾正熱處理實驗，即通過對失效法蘭截取小塊樣品作900℃保溫1 h正火，結(jié)果得到的顯微組織顯著細化，對應沖擊功也達到了200 J，韌性提高了兩個數(shù)量級，沖擊斷口呈韌性斷裂形態(tài)。可見法蘭整體可通過正確的熱處理制度以糾正該批次法蘭脆性開裂問題，驗證了分析的正確性。

3 結(jié)論

1)法蘭爆裂失效的主要原因為法蘭在進行最終熱處理—正火過程中組織過熱，隨后生成了粗大的魏氏組織，使其沖擊韌性顯著降低;

2)法蘭脆斷與化學成分及焊接工藝無關;

3)通過嚴格執(zhí)行最終熱處理工藝規(guī)范，特別是防止正火溫度過高造成的組織過熱現(xiàn)象的發(fā)生，可避免法蘭脆斷的發(fā)生，該批次法蘭可通過再次施加正確的正火工藝來消除法蘭脆斷問題，提高整個系統(tǒng)的安全性。

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