法蘭鍛件UT 檢驗缺陷分析

文/高潔·遼寧機電職業技術學院

★項目來源：遼寧機電職業技術學院2020 年院級教研課題高職院校教師“雙師”能力提升的策略研究

★基金編號：JYLX2020010

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發利用的水能總量還要大10 倍。古時風主要是被用來通過風車抽水、磨面等，而現在人們感興趣的是如何利用風來發電。風力發電是把風的動能轉為電能。風力發電機組塔筒一般高度為65m、70m、85m。為了方便制造及運輸，塔筒一般分為上、中、下三段。在制造過程中，每段的連接就要用到法蘭。法蘭焊接后平面度一般要≤0.5mm，焊縫還要進行UT 檢驗，不能存在缺陷。但許多法蘭鍛件供應商在提供鍛件時UT 檢驗為合格品，但是在焊接后法蘭卻出現缺陷，如何解決該問題是眾多法蘭供應商及風能公司頗為頭疼且棘手的問題。下面通過一個實例講解一下法蘭供應商А 公司如何解決焊接UT 探傷后存在缺陷的問題。

法蘭的制造工藝流程

法蘭的鍛造工藝流程

由于法蘭工作環境為野外，長期在65 ～85m 高處經受拉伸、彎曲及剪切等作用力，所以法蘭一般需要鍛造生產。鍛造能消除金屬在冶煉過程中產生的鑄態疏松等缺陷，優化微觀組織結構，同時保存了完整的金屬流線。該法蘭的鍛造工藝流程為：下料→鐓粗→平整→滾圓→沖孔→平整→輾環。材料牌號為Q345E-Z35；材料規格為φ600mm 連鑄坯；下料長度為1646mm，下料重量為3654kg；材料利用率為93.3%,沖孔直徑為φ280mm。加熱工藝如圖1 所示。

法蘭鍛后熱處理工藝流程

熱處理方法為正火和回火。正火的主要目的是使晶粒細化和碳化物分布均勻化，改善鋼的性能，獲得接近平衡狀態的組織。回火的目的是減小或消除工件的內應力，降低鋼的脆性，使工件獲得較好的強度、韌性、塑性、彈性等綜合力學性能。本例法蘭正火工藝如圖2 所示，回火工藝如圖3 所示。

法蘭經鍛造及熱處理后硬度、拉伸、沖擊、晶粒度、UT 檢驗等均達到用戶要求。

圖1 圓坯加熱工藝

圖2 正火工藝

圖3 回火工藝

法蘭焊接后出現問題

焊接后法蘭出現的問題

В 公司對А 公司交付的16 套、144 片法蘭進行焊接，經焊縫UT 檢驗，其中5 片法蘭超標，缺陷位于法蘭熱影響區內(法蘭鍛件UT 合格)，為弄清法蘭焊后UT 探傷超標問題，供需雙方確定對超標的一片法蘭進行破壞分析，法蘭編號ZH-LC-JF-MF5а-09，材料Q345E-Z35，生產廠家及爐號已知。

問題法蘭缺陷位置

為確定缺陷位置，在法蘭下端面(法蘭脖頸對面)進行探傷檢驗，用φ10mm 雙晶探頭，頻率4MHz，發現在法蘭高140mm 處，有一條沿圓周А ～В 方向連續條狀缺陷，長約1300mm，深度6 ～20mm，如圖4 所示。C 點有一單點缺陷，與А、В 缺陷相同；D 點有一單點缺陷，φ2mm，位于法蘭端面，距離內徑80mm 處，深度6 ～15mm。C、D 點缺陷如圖5所示。

問題法蘭檢驗

化學成分檢驗

在圖4 中法蘭端面取樣檢驗化學成分，見表1。

經檢驗，化學成分合格。

問題法蘭機械性能檢驗

在法蘭底面(脖頸反方向)取樣檢驗法蘭機械性能，檢驗結果見表2，不同鋼廠材料高溫機械性能檢驗結果見表3。

經檢驗，機械性能合格，不同鋼廠材料高溫機械性能沒有差異。

表1 化學成分檢驗(%)

圖4 А、В 之間有一條連續條狀缺陷

圖5 C、D 兩點單點缺陷

表2 機械性能檢驗

表3 不同鋼廠機械性能高溫拉伸對比試驗

低倍檢驗

為了分析材料缺陷，進行低倍檢驗。在連續缺陷А、В 之間，取4 塊低倍試片，編號分別為1#、2#、3#、4#；在C、D 處分別取低倍試片，編號為5#、6#。試片經過熱腐蝕后宏觀形貌如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11 所示。從低倍圖片上可以看出，1#、2#、3#低倍試片材料純凈度較高，4#、5#、6#低倍試片出現大顆粒疏松點，5#、6#試片尤為嚴重，疏松點分布無明顯規律，在焊道熔合區邊緣及其他部位均存在，并且顆粒較大。缺陷波產生位置在法蘭高度140mm 處，將試片1#熔合區放大，如圖12 所示。

圖6 1#試片低倍圖片

圖7 2#試片低倍圖片

圖8 3#試片低倍圖片

圖9 4#試片低倍圖片

圖10 5#試片低倍圖片

圖11 6#試片低倍圖片

圖12 缺陷波產生位置

幞頭在唐代演變成兩種，一是平腳幞頭，方形，背后左右兩側伸出一腳，用鐵絲，竹蔑，琴弦為骨，最初較短，后來逐漸延長。可以隨時取戴，和帽子相同，所有的君臣都可通用。

另一種是軟腳幞頭，圓頂，為非官場和不同階層的人戴用。

從圖12 中可觀察到，法蘭與塔筒熔合區機體組織有一條明顯界線，并且延伸至1300mm，見圖4 中的А ～В 段。試片6#在同樣位置有一長10mm 缺陷，應與上述缺陷形成的原因一致。試片6#在法蘭高度80mm 處有一條狀缺陷，長10mm。從低倍試片上看，有大顆粒疏松點存在，該處缺陷應為大顆粒夾渣物或氣孔所致。

綜合分析

綜合上述實驗結果，從化學成分、機械性能(拉伸試驗常溫下)上看符合標準要求，尤其對興澄材料、東北特鋼材料高溫機械性能進行比較，不同鋼廠材料高溫抗拉指標沒有本質差異，也就是說法蘭化學成分及機械性能與UT 檢驗缺陷波形成無關；從鍛件UT檢驗上看，在法蘭與焊縫熔合處有一條約1300mm 長，高度140mm 連續缺陷存在，應為焊縫與法蘭熔合處連接導致。從圖11、圖12 可以看出，法蘭在焊接過程中，焊絲將法蘭機體熔合約為10mm。焊接過程焊絲與法蘭熔合后，鋼鐵熔點溫度約1600 度，如果該區域冷卻過快，導致熔合區域材料體積急劇收縮，在沒有充分補縮的熔液前提下，在焊道及邊緣、內部或表面將形成強大的拉應力，當機體或焊道強度抵御不住焊道收縮產生的拉應力時，導致焊縫內部或外部產生裂紋。

如果材料疏松點位于熔合區邊緣，將形成裂紋源，在熱應力的作用下，進一步將該缺陷放大甚至撕裂；在焊道附近法蘭本體上，如果存在冶金缺陷，在焊道收縮過程產生的拉應力作用下，同樣會將該缺陷放大。

材料中存在冶金缺陷不可避免，但鑒于風電法蘭產品工藝的特殊性，材料冶煉時，必須對圓鋼邊緣疏松及點狀疏松進行有效控制，該缺陷是導致法蘭焊縫探傷過程中UT 檢驗超標的主要因素。在焊縫熱影響區內，凡是大顆粒夾渣、氣孔、疏松等冶金缺陷，都將是潛在的裂紋源，一旦裂紋形成，由于焊接應力的作用(焊接應力無法消除)，裂紋會隨著時間的推移繼續擴大，導致嚴重的后果。

結論

⑴法蘭在焊接前，要充分預熱(建議增加預熱火焰數量)，初始焊接應采用小電流、薄焊層，縮小法蘭與焊縫之間的溫度差；焊后緩冷，避免焊道在風口處冷卻或采取保護措施。

⑵法蘭材料要嚴格控制純凈度，圓鋼需嚴格控制一般疏松、點狀疏松，尤其是提高圓鋼邊緣純凈度，在冶煉過程中，應對真空脫氣工序調整工藝參數并需嚴格控制。