法蘭鍛件UT 檢驗(yàn)缺陷分析

文/高潔·遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

★項(xiàng)目來源：遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院2020 年院級(jí)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(hào)：JYLX2020010

風(fēng)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(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10 倍。古時(shí)風(fēng)主要是被用來通過風(fēng)車抽水、磨面等，而現(xiàn)在人們感興趣的是如何利用風(fēng)來發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒一般高度為65m、70m、85m。為了方便制造及運(yùn)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(jìn)行UT 檢驗(yàn)，不能存在缺陷。但許多法蘭鍛件供應(yīng)商在提供鍛件時(shí)UT 檢驗(yàn)為合格品，但是在焊接后法蘭卻出現(xiàn)缺陷，如何解決該問題是眾多法蘭供應(yīng)商及風(fēng)能公司頗為頭疼且棘手的問題。下面通過一個(gè)實(shí)例講解一下法蘭供應(yīng)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(huán)境為野外，長期在65 ～85m 高處經(jīng)受拉伸、彎曲及剪切等作用力，所以法蘭一般需要鍛造生產(chǎn)。鍛造能消除金屬在冶煉過程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(huán)。材料牌號(hào)為Q345E-Z35；材料規(guī)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(xì)化和碳化物分布均勻化，改善鋼的性能，獲得接近平衡狀態(tài)的組織?；鼗鸬哪康氖菧p小或消除工件的內(nèi)應(yīng)力，降低鋼的脆性，使工件獲得較好的強(qiáng)度、韌性、塑性、彈性等綜合力學(xué)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(jīng)鍛造及熱處理后硬度、拉伸、沖擊、晶粒度、UT 檢驗(yàn)等均達(dá)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(xiàn)問題

焊接后法蘭出現(xiàn)的問題

В 公司對(duì)А 公司交付的16 套、144 片法蘭進(jìn)行焊接，經(jīng)焊縫UT 檢驗(yàn)，其中5 片法蘭超標(biāo)，缺陷位于法蘭熱影響區(qū)內(nèi)(法蘭鍛件UT 合格)，為弄清法蘭焊后UT 探傷超標(biāo)問題，供需雙方確定對(duì)超標(biāo)的一片法蘭進(jìn)行破壞分析，法蘭編號(hào)ZH-LC-JF-MF5а-09，材料Q345E-Z35，生產(chǎn)廠家及爐號(hào)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(duì)面)進(jìn)行探傷檢驗(yàn)，用φ10mm 雙晶探頭，頻率4MHz，發(fā)現(xiàn)在法蘭高140mm 處，有一條沿圓周А ～В 方向連續(xù)條狀缺陷，長約1300mm，深度6 ～20mm，如圖4 所示。C 點(diǎn)有一單點(diǎn)缺陷，與А、В 缺陷相同；D 點(diǎn)有一單點(diǎn)缺陷，φ2mm，位于法蘭端面，距離內(nèi)徑80mm 處，深度6 ～15mm。C、D 點(diǎn)缺陷如圖5所示。

問題法蘭檢驗(yàn)

化學(xué)成分檢驗(yàn)

在圖4 中法蘭端面取樣檢驗(yàn)化學(xué)成分，見表1。

經(jīng)檢驗(yàn)，化學(xué)成分合格。

問題法蘭機(jī)械性能檢驗(yàn)

在法蘭底面(脖頸反方向)取樣檢驗(yàn)法蘭機(jī)械性能，檢驗(yàn)結(jié)果見表2，不同鋼廠材料高溫機(jī)械性能檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

經(jīng)檢驗(yàn)，機(jī)械性能合格，不同鋼廠材料高溫機(jī)械性能沒有差異。

表1 化學(xué)成分檢驗(yàn)(%)

圖4 А、В 之間有一條連續(xù)條狀缺陷

圖5 C、D 兩點(diǎn)單點(diǎn)缺陷

表2 機(jī)械性能檢驗(yàn)

表3 不同鋼廠機(jī)械性能高溫拉伸對(duì)比試驗(yàn)

低倍檢驗(yàn)

為了分析材料缺陷，進(jìn)行低倍檢驗(yàn)。在連續(xù)缺陷А、В 之間，取4 塊低倍試片，編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#；在C、D 處分別取低倍試片，編號(hào)為5#、6#。試片經(jīng)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(xiàn)大顆粒疏松點(diǎn)，5#、6#試片尤為嚴(yán)重，疏松點(diǎn)分布無明顯規(guī)律，在焊道熔合區(qū)邊緣及其他部位均存在，并且顆粒較大。缺陷波產(chǎn)生位置在法蘭高度140mm 處，將試片1#熔合區(qū)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(chǎn)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(cè)伸出一腳，用鐵絲，竹蔑，琴弦為骨，最初較短，后來逐漸延長?？梢噪S時(shí)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(chǎng)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(qū)機(jī)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(yīng)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(diǎn)存在，該處缺陷應(yīng)為大顆粒夾渣物或氣孔所致。

綜合分析

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從化學(xué)成分、機(jī)械性能(拉伸試驗(yàn)常溫下)上看符合標(biāo)準(zhǔn)要求，尤其對(duì)興澄材料、東北特鋼材料高溫機(jī)械性能進(jìn)行比較，不同鋼廠材料高溫抗拉指標(biāo)沒有本質(zhì)差異，也就是說法蘭化學(xué)成分及機(jī)械性能與UT 檢驗(yàn)缺陷波形成無關(guān)；從鍛件UT檢驗(yàn)上看，在法蘭與焊縫熔合處有一條約1300mm 長，高度140mm 連續(xù)缺陷存在，應(yīng)為焊縫與法蘭熔合處連接導(dǎo)致。從圖11、圖12 可以看出，法蘭在焊接過程中，焊絲將法蘭機(jī)體熔合約為10mm。焊接過程焊絲與法蘭熔合后，鋼鐵熔點(diǎn)溫度約1600 度，如果該區(qū)域冷卻過快，導(dǎo)致熔合區(qū)域材料體積急劇收縮，在沒有充分補(bǔ)縮的熔液前提下，在焊道及邊緣、內(nèi)部或表面將形成強(qiáng)大的拉應(yīng)力，當(dāng)機(jī)體或焊道強(qiáng)度抵御不住焊道收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)，導(dǎo)致焊縫內(nèi)部或外部產(chǎn)生裂紋。

如果材料疏松點(diǎn)位于熔合區(qū)邊緣，將形成裂紋源，在熱應(yīng)力的作用下，進(jìn)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(chǎn)生的拉應(yīng)力作用下，同樣會(huì)將該缺陷放大。

材料中存在冶金缺陷不可避免，但鑒于風(fēng)電法蘭產(chǎn)品工藝的特殊性，材料冶煉時(shí)，必須對(duì)圓鋼邊緣疏松及點(diǎn)狀疏松進(jìn)行有效控制，該缺陷是導(dǎo)致法蘭焊縫探傷過程中UT 檢驗(yàn)超標(biāo)的主要因素。在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，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(yīng)力的作用(焊接應(yīng)力無法消除)，裂紋會(huì)隨著時(shí)間的推移繼續(xù)擴(kuò)大，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

結(jié)論

⑴法蘭在焊接前，要充分預(yù)熱(建議增加預(yù)熱火焰數(shù)量)，初始焊接應(yīng)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(fēng)口處冷卻或采取保護(hù)措施。

⑵法蘭材料要嚴(yán)格控制純凈度，圓鋼需嚴(yán)格控制一般疏松、點(diǎn)狀疏松，尤其是提高圓鋼邊緣純凈度，在冶煉過程中，應(yīng)對(duì)真空脫氣工序調(diào)整工藝參數(shù)并需嚴(yán)格控制。