胡海波

（中國石化石油化工工程質量監(jiān)督總站，浙江 寧波 315207）

0 引言

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

某PO/SM 裝置項目的丙烯管道中，有低溫鋼管子與法蘭對接焊縫，經過射線檢測發(fā)現(xiàn)法蘭母材出現(xiàn)開裂，管子牌號為ASTM A333 Gr.6、規(guī)格為219 × 10 mm，法蘭牌號為ASTM A350 LF2 CL1、規(guī)格為DN200 SCH40，法蘭交貨狀態(tài)為正火+回火（N+T），制造法蘭用鍛件級別為Ⅲ級、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，焊接過程和焊縫外觀質量無明顯異常。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性能。本研究對以上開裂的法蘭取樣進行試驗分析，從金屬微觀層面剖析了法蘭開裂的主要原因，對預防類似法蘭的制造質量缺陷具有較強借鑒意義。

1 試驗和分析

1.1 宏觀觀察

對法蘭的分析樣品進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)法蘭內外表面均沒有異常的腐蝕情況，法蘭裂紋為環(huán)向裂紋，裂紋長度約2/3 周長。其中外壁裂紋均位于法蘭直邊段，且距焊縫熔合線為2.5 ～6.5 mm；內壁裂紋距焊縫熔合線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圖1。

圖1 外壁裂紋形貌

1.2 化學成分分析

試驗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定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》標準，采用發(fā)射光譜對法蘭進行化學成分分析，分析結果見表1。分析結果表明法蘭的化學元素含量均符合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%，計算出法蘭碳當量CE 為0.346%，說明法蘭具有較佳的焊接性能。

表1 法蘭化學成分分析結果

1.3 拉伸試驗

按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對法蘭取樣進行室溫的拉伸試驗，試驗結果見表2。

表2 法蘭拉伸試驗結果

試驗結果顯示法蘭試樣的抗拉強度、屈服強度、斷口伸長率、斷面收縮率均符合ASTM A350 的要求，斷口伸長率和斷面收縮率說明法蘭原材料（鍛件）具有較強的塑性。

1.4 沖擊試驗

按照GB/T 229-2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》對法蘭取樣進行了-46 ℃低溫環(huán)境下沖擊試驗，試樣為55 mm × 10 mm × 10 mm V 型缺口，試驗結果見表3。試驗結果表明法蘭材料-46 ℃低溫沖擊性能滿足ASTM A350 標準規(guī)定，105 ～155 J 的吸收功說明法蘭材料有較高的韌性儲備。

表3 法蘭沖擊試驗結果

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近焊縫區(qū)母材上，內壁裂紋基本在焊縫熱影響區(qū)上。

1.5.1 裂紋金相

用光學顯微境觀察法蘭外壁裂紋和內壁裂紋的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)裂紋較粗、無明顯尖端，且內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，在外壁裂紋兩側約0.5 mm 范圍內有明顯脫碳現(xiàn)象，經放大在外壁裂紋兩側邊緣附近有較多呈彌散狀尺寸大小不同的夾雜物，外壁裂紋的縫隙內有高溫氧化層。內壁裂紋深度約4.88 mm，內壁裂紋距焊縫熔合線約1.45 mm，用顯微鏡觀察的內壁裂紋局部微觀形貌見圖3，在內壁裂紋兩側邊緣附近也有呈彌散狀尺寸大小不同的夾雜物，內壁裂紋尖端為焊縫熔合線上，該處夾雜物異常粗大（長約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，經歷焊接熱循環(huán)，使內壁裂紋兩側的脫碳現(xiàn)象不明顯，但同樣在內壁裂紋縫隙內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)和外壁裂紋兩側有明顯脫碳現(xiàn)象，說明裂紋具有鍛造裂紋特性。結合外壁裂紋和內壁裂紋的縫隙內有高溫氧化層，可以推斷制造法蘭的鋼材局部在某個高溫熱態(tài)階段出現(xiàn)了鋼表面氧化前的脫碳反應，反應機理為鋼表面的鐵碳合金與氧反應產生了純鐵物質和碳氧化物，使這些部位的機械強度降低,可能與合金凝固時界面前沿不穩(wěn)定有關。同時，外壁裂紋和內壁裂紋兩側邊緣附近有呈彌散狀尺寸大小不同的夾雜物，說明內外裂紋均具有原始制造缺陷特征，在鋼錠冒口通常因為補縮、保溫效果不好而出現(xiàn)縮孔、疏松。

1.5.2 金相組織

對焊接接頭的金相組織進行觀察，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

對焊接接頭金相試樣進行維氏硬度測試，硬度測試結果為焊縫金屬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，說明法蘭母材硬度滿足ASTM A350標準中對LF2 CL1 鍛件硬度≤207 HV（197HB）的要求值。

1.7 斷口分析

分別打開外壁裂紋和內壁裂紋進行斷口形貌微觀分析。

1.7.1 宏觀形貌

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

1.7.2 微觀形貌

對斷口進行化學清洗后在掃描電鏡下觀察斷口的微觀形貌。

外壁裂紋斷口雖經清洗，也只能在局部觀察到斷口表面形貌，斷口微觀形貌見圖4，斷口開面很平，不屬于裂紋斷裂面，其尖端靠近內壁側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）。內壁裂紋斷口微觀形貌見圖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，人工打開面為韌窩形貌。

圖4 外壁裂紋微觀形貌

圖5 內壁裂紋微觀形貌

1.8 能譜分析

用X 射線能譜儀對裂紋縫隙處的斷口表面進行分析。

1.8.1 裂紋縫隙內

外壁裂紋和內壁裂紋的縫隙內能譜分析部位和結果見表4，裂紋縫隙內主要為O 元素、同時還檢測到Si 和Mn 元素。

表4 裂紋縫隙能譜主要元素分析結果

1.8.2 斷口表面

對未經清洗的斷口表面進行能譜分析，分析結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 經清洗后的斷口表面

對經過清洗后的斷口表面能譜分析，分析部位和結果見表5，分析結果表明，經過清洗后斷口表面有尺寸不同的夾雜物，夾雜物性質主要為SiO 和MnO夾雜。

表5 清洗后斷口表面能譜主要元素分析結果

2 裂紋原因分析

對開裂法蘭取樣進行了宏觀檢查、化學成分分析、拉伸試驗、沖擊試驗、金相分析、硬度測試、缺陷形貌分析、微區(qū)EDS 能譜分析等。法蘭化學成分和力學性能指標均滿足ASTM A350 標準中對LF2 CL1 鍛件的要求，可以判斷法蘭開裂不是由于材質問題引起。硬度測試結果基本正常。

法蘭母材料金相組織為鐵素體+珠光體，有魏氏組織存在。缺陷裂紋兩側金相組織有明顯脫碳現(xiàn)象，裂縫兩側邊緣區(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；說明裂紋具有原始制造缺陷特征。法蘭的鋼材局部在某個高溫熱態(tài)階段出現(xiàn)了表面脫碳，使這些部位的機械強度降低。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，法蘭裂縫產生的本質原因是針對該片法蘭下料時鋼錠冒口沒有切除干凈，導致坯料靠近冒口側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，坯料經過沖孔和鍛打成型，缺陷被擠壓集中到法蘭頸部，同時形狀由分散體積狀變成面狀，即裂縫，具有鍛造裂縫特性。機加工后裂縫缺陷暴露于表面，焊接收縮可能會導致靠近焊縫的裂縫張口有所擴大。

3 結論

（1）法蘭的化學成分和力學性能均滿足ASTM A350 標準中對LF2 CL1 鍛件的要求。

（2）開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、鍛打等制造過程中，缺陷會被擠壓集中而變形為裂縫。

（5）法蘭勁部上的裂縫是因為下料時鋼錠冒口沒有切除干凈，在法蘭制造過程中加工導致。

4 改進辦法

（1）法蘭的制造方要改進法蘭坯料控制，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）制造方對法蘭毛坯進行超聲波檢測，確保及時排查法蘭內部缺陷。

（3）采購方提高采購質量檢驗標準，由采購方、制造方根據(jù)ASME SA-961 規(guī)定在采購協(xié)議中明確，法蘭在出廠前必須經表面無損檢測合格。

（4）采購方加強對法蘭質量證明文件及出廠前檢驗檢測報告的核查，可以制定有針對性的材料入場檢驗措施，如抽取一定比例的法蘭進行無損檢測。