文/聂新林，王敬伟，林乙丑，刘梦飞·洛阳中重铸锻有限责任公司

本文重点探讨了影响海上风电设备用桩顶法兰低温冲击波动因素，并设计了两种试验方案，研究表明：控制夹杂物等级，锻造开坯+轧环成形以及强制冷却，有利于桩顶法兰的低温冲击稳定性，该方案经验证有效。

海上风电法兰服役环境恶劣，承载应力复杂，其长期安全运行面临极大的挑战。风电法兰需要在规定时间内保证可靠运行，这对法兰产品的相关技术指标，特别是在温度为-40℃、-50℃环境下的冲击韧性提出极高要求。我公司签订了多件直径达7000mm，单件重11330kg的桩顶法兰产品。

法兰锻件常用材料为Q355NE+Z35钢，是综合力学性能、焊接性能及切削加工性能均较好的低合金高强度结构钢，多用于风电、船舶、车辆、大型容器、大型钢结构和建筑等行业。环锻件的热处理工艺一般是正火或正火+回火，但存在强韧性不足的现象，所以环锻件热处理工艺逐渐转为调质工艺。热处理过程中，通过强制冷却，对热加工后的法兰锻件本体取样分析，发现冲击韧性数据波动较大，夹杂物等级与技术要求有偏差。

通过工艺试验及产品试制，我们发现，夹杂物、晶粒度、冷却方式等均对冲击韧性数据有一定影响，且冲击韧性波动较大，为此我们展开了进一步的研究。

技术要求

桩顶法兰是环锻件，有如下技术要求：

⑴法兰采用Q355NE+Z35锻造，满足JB/T 11218-2020标准要求，化学成分检测按GB/T 1591-2018标准执行，具体成分见表1。

表1 Q355NE+Z35钢化学成分要求(质量分数，%)

⑵法兰Z向性能满足GB/T 5313-2010标准的要求，原材料使用钢锭或连铸圆坯，严禁使用连铸板坯。

⑶法兰采用整体锻造成形，符合NB/T 47009-2017标准，锻件级别(Ⅲ级)合格。

⑷锻造成形应在有足够能力的锻压机上实现，保证锻透。

⑸锻件需进行正火+回火处理。

⑹法兰的最低屈服强度应不小于315MPa，根据DNVGL-OS-B101进行材料认证测试，在-50℃最低冲击值为27J。

法兰冲击值波动影响因素分析

依据桩顶法兰的结构特性，其热加工制造流程一般为：冶炼→镦拔、冲孔和扩孔、平整端面→扩孔(或轧环)成形→热处理。其影响因素分别涉及各工序的材料成分和冶炼控制、锻造成形方法及热处理过程中的冷却方法。

研究表明，冶炼过程的钢水纯净度将直接影响锻件夹杂物等级,而夹杂物影响冲击稳定性。当A类夹杂物(硫化物)增多时，在后续锻造过程中，硫化物夹杂物会沿着锻造方向延展，使得工件产生各向异性，从而降低材料的横向性能。另外，从微观角度来看，晶界位置相对形成析出相，造成合金元素在晶界偏聚，夹杂物也往往存在于此，析出相、元素偏析和夹杂物的存在均对晶界的强度造成一定的不良影响，低温下，夹杂物成为应力集中源，将直接导致法兰锻件的低温冲击波动变大。为此，在冶炼过程中需合理控制S和P的含量。

大型环类锻件的成形方法主要为自由锻和轧环。自由锻和轧环的主要区别在于，自由锻锻制环类锻件时，扩孔和平整端面的工序是分开的，而轧环则是扩孔与平整端面同时实现，两者对法兰的成形条件存在一定差别(法兰在锻造过程中，自由锻是两向锻造，而轧环是四向锻造)。

从锻造角度讲，大型自由锻和轧环均可实现环类锻件的锻造，且可完成锻造的基本任务(锻造方法能够锻合钢锭缺陷，击碎钢锭或连铸圆坯的粗大铸造树枝晶，增加金属致密度)。另外，自由锻由于操作效率相对较低，已经变形的部分受自身温度的影响，会在后续锻造道次到来之前得到一定程度的再结晶回复，加上各道次变形量相对较小，存在较大的晶粒长大风险。而轧环不同，由于锻造效率高，使得已变形部分来不及再结晶回复，且整圈变形均匀，轧环锻造成形更加有利于法兰锻件的成形及性能的稳定。

热处理工艺直接影响法兰锻件的强韧性，通过充分再结晶细化原奥氏体晶粒＋快速冷却相结合，可获得细小的铁素体与贝氏体组织，且具有低温韧性好、性能波动小等优点，是高附加值H形钢发展的方向。新一代TMCP方法的核心是通过控制形变与控制冷却相结合，获得细小均匀的铁素体与贝氏体复合组织，以实现钢的强韧化，其冷却强度与均匀性的控制对最终产品的性能起着决定性的作用。由此，在热处理过程中，通过控制冷却，可以达到细化组织、提高低温韧性、减小性能波动性等目的。

试验方案及结果分析

法兰材料成分设计

依据标准及相关文献，对桩顶法兰成分进行了设计，如表2所示。

表2 Q355NE+Z35钢化学成分设计(质量分数，%)

锻造及热处理试验方案

在保证冶炼纯净度的基础上，初步提出两种试验方案，如图1所示。方案一：自由锻开坯+自由锻成形，即整个过程从钢锭到毛坯成品的所有工序均在自由锻压机上进行，热处理采用强制冷却方式。方案二：自由锻开坯+轧环机成形，即在自由锻压机上制坯，然后在轧环机上轧环成形，热处理采用强制冷却方式。

图1 桩顶法兰两种锻造方案

为控制法兰升温过程中由热应力导致的变形，热处理工艺中增加了350℃和650℃的保温台阶，650℃保温结束以后快速升温，以便迅速通过相变温度，增加钢在相变时的过热度，提高奥氏体的形核率，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。880～910℃保温结束后出炉，快速转至圆形水槽，并执行冷却工艺。法兰锻件冷却过程如图2所示。

图2 桩顶法兰冷却

结果分析与讨论

不同方案的法兰锻件在相同的位置取样，并对处理后的试样进行机械性能试验和金相检验。热处理后的冲击韧性数据见表3、表4。

表3 两种方案法兰锻件试样热处理后常温冲击值

表4 两种方案法兰锻件试样热处理后低温冲击值

两种方案的冲击试验结果表明，方案一和方案二中，试样的常温冲击整体平均值非常好，而低温冲击方面，自由锻成形的冲击性能数据不如轧环机成形的冲击性能。法兰锻件强制冷却后回火，纵、横向的金相组织均为均匀细小的珠光体+铁素体组织，晶粒度为7级，没有明显夹杂物及带状组织，两种方案法兰锻件的金相组织相近，如图3所示。综合来看，通过控制冶炼成分，采用轧环成形方法并采用强制冷却，有利于桩顶法兰冲击值的稳定。

图3 法兰金相组织

进一步试验验证

通过两种试验方案的数据对比，锻造开坯+轧环成形的试验方案的冲击数据有明显优势，为此，专门针对该方案进行了试验验证，以便后续方案的推广。

法兰锻件锻制轧压成形后，在井式电阻炉中进行加热，如图4所示。井式电阻炉布置为芯体式，有利于环形法兰受热均匀。加热温度由890℃降低至880℃，保温时间为10.5h，出炉后迅速移至圆形水槽，浸入冷却剂强制冷却，为使工件冷却均匀，工件在圆形水槽内上下窜动，直到冷却结束。

图4 井式电阻炉加热

对验证方案试样进行金相组织检验，纵、横向的金相组织均为均匀细小的珠光体+铁素体组织，晶粒度为7.5级，没有明显夹杂物及带状组织，金相组织如图5所示。

图5 验证方案金相组织

验证方案试样的冲击平均值显示，无论是常温冲击还是低温冲击，数据波动均较小，最大最小值相差仅为0.7J和30.9J，且整体数值远高于技术要求。该数据表明，锻造开坯+轧环成形及强制冷却方案有利于桩顶法兰的冲击稳定性。

表5 验证方案法兰锻件试样冲击性能

结论

法兰锻件要求强度和韧性均较高，这就要求制定热加工工艺时需要严格把控各个环节。试验方案及验证方案的研究结果表明：

⑴控制冶炼质量有利于法兰锻件的低温冲击稳定性，尤其是控制S、P含量，可以有效减少金属材料中的夹杂物，降低夹杂物等级。

⑵锻造开坯+轧环成形的锻造方案有利于低温冲击稳定性。

⑶热处理过程中加热均匀并强制冷却，有利于冲击韧性的提高及低温冲击的稳定。