LF2 低溫鋼鍛制法蘭裂紋原因分析

胡海波

（中國(guó)石化石油化工工程質(zhì)量監(jiān)督總站，浙江 寧波 315207）

0 引言

法蘭是建設(shè)各類(lèi)石油化工裝置中工業(yè)管道時(shí)選用的主要材料之一，常被使用在管子與閥門(mén)、設(shè)備等的連接部位。隨著石油化工行業(yè)“油轉(zhuǎn)化”發(fā)展加快，投資建設(shè)的化工項(xiàng)目數(shù)量加速增長(zhǎng)，很多化工裝置中一部分設(shè)備和管道儲(chǔ)存或輸送的工藝介質(zhì)為低溫狀態(tài)，這些設(shè)備和管道的材料長(zhǎng)期面臨低溫工況考驗(yàn)，因此確保材料不發(fā)生低溫下的脆性失效成為安全生產(chǎn)的前提，其中就包括消除法蘭制造過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋原始缺陷。

某PO/SM 裝置項(xiàng)目的丙烯管道中，有低溫鋼管子與法蘭對(duì)接焊縫，經(jīng)過(guò)射線(xiàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)法蘭母材出現(xiàn)開(kāi)裂，管子牌號(hào)為ASTM A333 Gr.6、規(guī)格為219 × 10 mm，法蘭牌號(hào)為ASTM A350 LF2 CL1、規(guī)格為DN200 SCH40，法蘭交貨狀態(tài)為正火+回火（N+T），制造法蘭用鍛件級(jí)別為Ⅲ級(jí)、鍛造比≥3。焊接接頭為鈍邊V 形坡口，采用GTAW+SMAW 焊接方法，選用焊材為ER55-Ni1 焊絲、E5518-N2 焊條，焊接環(huán)境良好，焊接過(guò)程和焊縫外觀質(zhì)量無(wú)明顯異常。LF2 屬于低溫合金鋼鍛件，它是化工裝置中的低溫鋼管道用鋼重要原材料，具有良好的低溫下力學(xué)性能。本研究對(duì)以上開(kāi)裂的法蘭取樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，從金屬微觀層面剖析了法蘭開(kāi)裂的主要原因，對(duì)預(yù)防類(lèi)似法蘭的制造質(zhì)量缺陷具有較強(qiáng)借鑒意義。

1 試驗(yàn)和分析

1.1 宏觀觀察

對(duì)法蘭的分析樣品進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)法蘭內(nèi)外表面均沒(méi)有異常的腐蝕情況，法蘭裂紋為環(huán)向裂紋，裂紋長(zhǎng)度約2/3 周長(zhǎng)。其中外壁裂紋均位于法蘭直邊段，且距焊縫熔合線(xiàn)為2.5 ～6.5 mm；內(nèi)壁裂紋距焊縫熔合線(xiàn)0.5 ～3.5 mm，從法蘭軸向截面觀察，局部的裂紋已穿透；法蘭的外壁裂紋形狀見(jiàn)圖1。

圖1 外壁裂紋形貌

1.2 化學(xué)成分分析

試驗(yàn)樣品從法蘭失效部分取樣，根據(jù)GB/T 14203-2016《火花放電原子發(fā)射光譜分析法通則》和GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》標(biāo)準(zhǔn)，采用發(fā)射光譜對(duì)法蘭進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。分析結(jié)果表明法蘭的化學(xué)元素含量均符合ASTM A350中LF2 CL1 的要求，其中S 含量0.0091%、P 含量0.019%，S、P 均控制在相對(duì)較低狀態(tài), 有利于形成良好的低溫韌性；C 含量0.188%、Mn 含量0.95%，計(jì)算出法蘭碳當(dāng)量CE 為0.346%，說(shuō)明法蘭具有較佳的焊接性能。

表1 法蘭化學(xué)成分分析結(jié)果

1.3 拉伸試驗(yàn)

按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對(duì)法蘭取樣進(jìn)行室溫的拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 法蘭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示法蘭試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷口伸長(zhǎng)率、斷面收縮率均符合ASTM A350 的要求，斷口伸長(zhǎng)率和斷面收縮率說(shuō)明法蘭原材料（鍛件）具有較強(qiáng)的塑性。

1.4 沖擊試驗(yàn)

按照GB/T 229-2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)法蘭取樣進(jìn)行了-46 ℃低溫環(huán)境下沖擊試驗(yàn)，試樣為55 mm × 10 mm × 10 mm V 型缺口，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)結(jié)果表明法蘭材料-46 ℃低溫沖擊性能滿(mǎn)足ASTM A350 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，105 ～155 J 的吸收功說(shuō)明法蘭材料有較高的韌性?xún)?chǔ)備。

表3 法蘭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

1.5 金相分析

從樣品上截取焊接接頭金相試樣，金相試樣的宏觀形貌顯示外壁裂紋在法蘭側(cè)近焊縫區(qū)母材上，內(nèi)壁裂紋基本在焊縫熱影響區(qū)上。

1.5.1 裂紋金相

用光學(xué)顯微境觀察法蘭外壁裂紋和內(nèi)壁裂紋的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)裂紋較粗、無(wú)明顯尖端，且內(nèi)壁裂紋的端部比較圓純。

外壁裂紋深度約4.13 mm，外壁裂紋距焊縫熔合線(xiàn)約3.69 mm，用顯微鏡觀察的外壁裂紋局部微觀形貌如圖2，在外壁裂紋兩側(cè)約0.5 mm 范圍內(nèi)有明顯脫碳現(xiàn)象，經(jīng)放大在外壁裂紋兩側(cè)邊緣附近有較多呈彌散狀尺寸大小不同的夾雜物，外壁裂紋的縫隙內(nèi)有高溫氧化層。內(nèi)壁裂紋深度約4.88 mm，內(nèi)壁裂紋距焊縫熔合線(xiàn)約1.45 mm，用顯微鏡觀察的內(nèi)壁裂紋局部微觀形貌見(jiàn)圖3，在內(nèi)壁裂紋兩側(cè)邊緣附近也有呈彌散狀尺寸大小不同的夾雜物，內(nèi)壁裂紋尖端為焊縫熔合線(xiàn)上，該處夾雜物異常粗大（長(zhǎng)約0.67 mm、寬約0.15 mm）；由于該處裂紋基本在焊縫熱影響區(qū)上，經(jīng)歷焊接熱循環(huán)，使內(nèi)壁裂紋兩側(cè)的脫碳現(xiàn)象不明顯，但同樣在內(nèi)壁裂紋縫隙內(nèi)有致密高溫氧化物存在。

圖2 外壁裂紋局部微觀形貌（200x）

圖3 內(nèi)壁裂紋局部微觀形貌（200x）

根據(jù)裂紋形態(tài)和外壁裂紋兩側(cè)有明顯脫碳現(xiàn)象，說(shuō)明裂紋具有鍛造裂紋特性。結(jié)合外壁裂紋和內(nèi)壁裂紋的縫隙內(nèi)有高溫氧化層，可以推斷制造法蘭的鋼材局部在某個(gè)高溫?zé)釕B(tài)階段出現(xiàn)了鋼表面氧化前的脫碳反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理為鋼表面的鐵碳合金與氧反應(yīng)產(chǎn)生了純鐵物質(zhì)和碳氧化物，使這些部位的機(jī)械強(qiáng)度降低,可能與合金凝固時(shí)界面前沿不穩(wěn)定有關(guān)。同時(shí)，外壁裂紋和內(nèi)壁裂紋兩側(cè)邊緣附近有呈彌散狀尺寸大小不同的夾雜物，說(shuō)明內(nèi)外裂紋均具有原始制造缺陷特征，在鋼錠冒口通常因?yàn)檠a(bǔ)縮、保溫效果不好而出現(xiàn)縮孔、疏松。

1.5.2 金相組織

對(duì)焊接接頭的金相組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)焊縫蓋面焊的金相組織為先共析鐵素體+針狀鐵素體+珠光體，焊縫其他部位為鐵素體+珠光體，法蘭母材為鐵素體+珠光體且有魏氏組織存在，管子母材為鐵素體+珠光體。焊接接頭的金相組織基本屬于正常狀態(tài)。

1.6 硬度試驗(yàn)

對(duì)焊接接頭金相試樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，硬度測(cè)試結(jié)果為焊縫金屬164.0～190.6 HV、熱影響區(qū)155.3～190.6 HV、法蘭母材141.2 ～147.7 HV、直管母材135.3～146.7 HV，說(shuō)明法蘭母材硬度滿(mǎn)足ASTM A350標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)LF2 CL1 鍛件硬度≤207 HV（197HB）的要求值。

1.7 斷口分析

分別打開(kāi)外壁裂紋和內(nèi)壁裂紋進(jìn)行斷口形貌微觀分析。

1.7.1 宏觀形貌

外壁裂紋由外向內(nèi)，斷口表面呈咖啡色，很平，在內(nèi)壁側(cè)呈白色狀為人工打開(kāi)面，顯然基本有一半為穿透裂紋。內(nèi)壁裂紋由內(nèi)向外，斷口表面呈灰色，也很平，裂紋深度不到一半，呈白色為人工打開(kāi)面。

1.7.2 微觀形貌

對(duì)斷口進(jìn)行化學(xué)清洗后在掃描電鏡下觀察斷口的微觀形貌。

外壁裂紋斷口雖經(jīng)清洗，也只能在局部觀察到斷口表面形貌，斷口微觀形貌見(jiàn)圖4，斷口開(kāi)面很平，不屬于裂紋斷裂面，其尖端靠近內(nèi)壁側(cè)的斷口表面上有較多不同尺寸大小的夾雜物（能譜分析主要為SiO 和MnO）。內(nèi)壁裂紋斷口微觀形貌見(jiàn)圖5，斷口表面也很平，大部分為自由凝固斷面，斷口表面也有較多不同尺寸大小的雜質(zhì)，人工打開(kāi)面為韌窩形貌。

圖4 外壁裂紋微觀形貌

圖5 內(nèi)壁裂紋微觀形貌

1.8 能譜分析

用X 射線(xiàn)能譜儀對(duì)裂紋縫隙處的斷口表面進(jìn)行分析。

1.8.1 裂紋縫隙內(nèi)

外壁裂紋和內(nèi)壁裂紋的縫隙內(nèi)能譜分析部位和結(jié)果見(jiàn)表4，裂紋縫隙內(nèi)主要為O 元素、同時(shí)還檢測(cè)到Si 和Mn 元素。

表4 裂紋縫隙能譜主要元素分析結(jié)果

1.8.2 斷口表面

對(duì)未經(jīng)清洗的斷口表面進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果顯示斷口表面主要為O 元素、局部還有Si、Mn 和Ca元素。

1.8.3 經(jīng)清洗后的斷口表面

對(duì)經(jīng)過(guò)清洗后的斷口表面能譜分析，分析部位和結(jié)果見(jiàn)表5，分析結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)清洗后斷口表面有尺寸不同的夾雜物，夾雜物性質(zhì)主要為SiO 和MnO夾雜。

表5 清洗后斷口表面能譜主要元素分析結(jié)果

2 裂紋原因分析

對(duì)開(kāi)裂法蘭取樣進(jìn)行了宏觀檢查、化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、金相分析、硬度測(cè)試、缺陷形貌分析、微區(qū)EDS 能譜分析等。法蘭化學(xué)成分和力學(xué)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足ASTM A350 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)LF2 CL1 鍛件的要求，可以判斷法蘭開(kāi)裂不是由于材質(zhì)問(wèn)題引起。硬度測(cè)試結(jié)果基本正常。

法蘭母材料金相組織為鐵素體+珠光體，有魏氏組織存在。缺陷裂紋兩側(cè)金相組織有明顯脫碳現(xiàn)象，裂縫兩側(cè)邊緣區(qū)域及尖端有呈彌散狀尺寸大小不同的夾雜物，能譜分析夾雜物主要為SiO 和MnO 夾雜；裂縫表面有明顯高溫氧化跡象，能譜分析有較高含量的O 元素；說(shuō)明裂紋具有原始制造缺陷特征。法蘭的鋼材局部在某個(gè)高溫?zé)釕B(tài)階段出現(xiàn)了表面脫碳，使這些部位的機(jī)械強(qiáng)度降低。裂縫宏觀及微觀表面很平，不屬于裂紋斷裂面，大部分裂縫表面有聚集或分散的夾雜物。

綜合上述分析結(jié)果和法蘭鍛造成型工藝推斷，法蘭頸部上的裂縫屬于金屬冶金缺陷，法蘭裂縫產(chǎn)生的本質(zhì)原因是針對(duì)該片法蘭下料時(shí)鋼錠冒口沒(méi)有切除干凈，導(dǎo)致坯料靠近冒口側(cè)中心部位有大量夾雜物、縮孔或疏松等冶金缺陷殘留，破壞了金屬基體的連續(xù)性，坯料經(jīng)過(guò)沖孔和鍛打成型，缺陷被擠壓集中到法蘭頸部，同時(shí)形狀由分散體積狀變成面狀，即裂縫，具有鍛造裂縫特性。機(jī)加工后裂縫缺陷暴露于表面，焊接收縮可能會(huì)導(dǎo)致靠近焊縫的裂縫張口有所擴(kuò)大。

3 結(jié)論

（1）法蘭的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿(mǎn)足ASTM A350 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)LF2 CL1 鍛件的要求。

（2）開(kāi)裂法蘭與管子的焊接接頭金相組織基本正常。

（3）用于制造法蘭的鋼錠冒口發(fā)生了鋼表面氧化，導(dǎo)致有明顯脫碳現(xiàn)象。

（4）鋼錠的大量夾雜物、縮孔或疏松等原始制造缺陷，在法蘭的沖孔、鍛打等制造過(guò)程中，缺陷會(huì)被擠壓集中而變形為裂縫。

（5）法蘭勁部上的裂縫是因?yàn)橄铝蠒r(shí)鋼錠冒口沒(méi)有切除干凈，在法蘭制造過(guò)程中加工導(dǎo)致。

4 改進(jìn)辦法

（1）法蘭的制造方要改進(jìn)法蘭坯料控制，確保將鋼錠冒口徹底切除干凈，從源頭消除材料中存在原始缺陷的可能性。

（2）制造方對(duì)法蘭毛坯進(jìn)行超聲波檢測(cè)，確保及時(shí)排查法蘭內(nèi)部缺陷。

（3）采購(gòu)方提高采購(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，由采購(gòu)方、制造方根據(jù)ASME SA-961 規(guī)定在采購(gòu)協(xié)議中明確，法蘭在出廠前必須經(jīng)表面無(wú)損檢測(cè)合格。

（4）采購(gòu)方加強(qiáng)對(duì)法蘭質(zhì)量證明文件及出廠前檢驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告的核查，可以制定有針對(duì)性的材料入場(chǎng)檢驗(yàn)措施，如抽取一定比例的法蘭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。