提高Q355钢桩顶法兰强韧性能的有效措施

王继业 秦红付 李 雪 李春辉 胡振志 金 明

(中信重工机械股份有限公司，河南471003)

法兰作为风力发电机组塔架的关键连接件，其服役条件恶劣，长期承受交变载荷，受力较为复杂，因此，对产品的综合性能要求严格[1]。随着海上风电装机向大功率发展，法兰的规格尺寸也越来越大，桩顶法兰尺寸≥7000 mm，厚度≥350 mm，要求低碳低合金Q355钢满足ReL≥315 MPa和KV2(-50℃)≥50 J，制造工艺需要采取有效的控制措施，以满足批量生产法兰锻件的各项理化检验指标。

1 技术要求

1.1 化学成分

桩顶法兰材料牌号Q355NEZ35，Q355指屈服强度，N为正火要求，E为材料级别要求(S≤0.005%)，Z35指纵向断面收缩率≥35%，化学成分符合GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》或EN10025-3:2004标准S355NL要求，见表1，其中Nb、V、Ti、Al作为细化晶粒的强化元素选择添加。另外，在保证力学性能各项指标的基础上，应降低碳当量，以保证材料焊接性能。

表1 Q355NEZ35钢化学成分要求(质量分数，%)Table 1 Chemical composition requirements of Q355NEZ35 steel(mass fraction,%)

1.2 性能标准

桩顶法兰尺寸规格大，外径≥∅7000 mm，壁厚≥350 mm，法兰取样位置见图1，力学性能指标见表2，ReL和-50℃KV2是两个关键的验收指标。锻件晶粒度≥6级，带状组织≤2级；A、B、C、D类夹杂物粗系≤1级，细系≤2级，DS粗系≤1级。超声检测应满足NB/T 471013—2015《承压设备无损检测》标准中Ⅰ级要求，单个缺陷当量≤∅4 mm，密集缺陷当量≤∅2 mm；磁粉检测要求精加工表面不允许存在线性缺陷显示。

表2 力学性能要求Table 2 Mechanical properties requirements

图1 取样图Figure 1 Sampling diagram

2 制造工艺分析

常规海上风电塔筒连接法兰尺寸、重量小，可采取连铸坯锯切下料，桩顶法兰尺寸大、重量大，目前连铸坯直径尺寸不能满足桩顶法兰锻件下料要求，必须采用钢锭锻造，钢锭冶炼经真空脱气处理，采取真空浇注或惰性气体保护浇注工艺，钢锭切除水冒口、下料→加热→镦粗、冲孔→扩孔制坯→加热→轧环机轧制成形至法兰锻件，锻件经正火或正火(回火)处理，粗加工取样进行力学性能等各项理化检测，精加工后进行超声检测和磁粉检测。

2.1 热处理工艺

锻件锻后采取正火工艺细化晶粒和组织，达到力学性能各项指标要求[2]。针对Q355NEZ35钢大截面尺寸法兰，常规的正火空冷方案难以保证强度和低温冲击指标要求，需要采取正火加速冷(喷水、浸水等强制冷却)的方法，以获得细小的铁素体和珠光体组织，提高强度和低温韧性指标。参考Q345冷却转变曲线图(见图2)制定正火工艺参数(见图3)，Ac3完全奥氏体化温度应≥880℃，珠光体鼻尖温度约500℃。

图2 Q345冷却曲线Figure 2 Q345 cooling curve

图3 正火工艺曲线Figure 3 Normalizing process curve

2.2 成分的微合金化

Q355NEZ35钢桩顶法兰的综合力学性能取决于材料的化学成分。C含量的增加能够提高强度，但使钢的脆性转变温度升高，导致韧性下降，应在保证强度的基础上尽可能降低C含量。Mn的作用是固溶强化，提高淬透性，降低奥氏体向铁素体转变温度。Ni能够改善钢的缺口韧性，提高强度和淬透性。Cr可以显著提高强度和硬度，但对韧性指标不利。Mo作为残余元素，应降低含量。Al能够细化晶粒，降低冷脆倾向和时效倾向性，提高冲击韧性，但形成的氧化铝类夹杂物在热加工时呈串排列或点链状出现，并且由于流动能力不同，其与钢基体界面结合能力差，易形成微裂纹，导致超声检测不合格。Nb、V具有细化晶粒和强化沉淀的作用，并且能够提高钢的强韧性，合理控制铌钒微合金元素非常关键[3-7]。

3 工艺效果

GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》和EN 10025-3:2004要求Nb、V、Ti、Al作为细化晶粒的强化元素，单独或组合添加，并给出了最小含量要求，成分制定在满足性能要求的基础上应考虑材料成本，尽可能减少合金加入量，同时要考虑合金的多元化添加产生的不利影响，表3给出的一组成分，按标准添加Nb、V、Ti、Al全部强化元素，实际检测效果并不理想，屈服强度达不到要求，-50℃低温冲击吸收能量甚至低于10 J，而且超声检测夹杂物当量超标。本文设计了两种工艺成分，分两个批次组织生产，分别为A、B批次，每个批次5件产品，具体化学成分见表4。

表3 化学成分(质量分数，%)Table 3 Chemical composition(mass fraction,%)

表4 两批次生产化学成分对照(质量分数，%)Table 4 Comparison of chemical composition of two batches of production(mass fraction,%)

两批次生产都选择添加微量Nb元素细化晶粒，Nb的成品分析为0.015%～0.03%，A批次提高了Al和V含量；B批次提高了Ni和Cr含量。两批次法兰的S、P含量控制得都很低，Cu、Mo、Ti作为残余元素，不做分析。

图4是A、B批次法兰的屈服强度和抗拉强度实测结果。由图可知，屈服强度及抗拉强度均满足技术指标要求，B批次整体屈服强度偏高，这对法兰使用是有利的。两个批次化学成分的C、Si、Mn元素含量调控基本一致，且C、Si、Mn元素都有利于强度的提高。A、B批次产品在-50℃低温下的冲击吸收能量如图5所示，检测结果均已达标。其中，B批次化学成分Ni元素为0.17%～0.21%，Ni的添加降低了钢的低温脆化转变温度，提高钢的疲劳抗力，减小钢对缺口的敏感性。在Ni、Nb元素的综合作用下，使B批次的低温冲击吸收能量比A批次更加稳定。

图4 两批次强度值对比Figure 4 Comparison of strength values of two batches

图5 两批次冲击吸收吸收能量对比Figure 5 Comparison of impact absorbed energyvalues of two batches

为了比较A、B批次法兰的综合性能，计算各个性能参数的平均值见表5，B批次的平均综合性能高于A批次，屈服强度平均值达到376.6 MPa，抗拉强度535 MPa，纵向冲击吸收能量达到215.7 J，其数值是A批次的1.26倍，横向冲击吸收能量也高出20 J，为180.1 J。金相检验分析B批次法兰带状组织优于A批次，B批次法兰的晶粒度平均等级也优于A批次，达到8.5级以上，见表6。产品显微组织如图6所示，组织状态为铁素体+珠光体。

表5 A、B批次力学性能结果平均值比较Table 5 Comparison of average valuesof mechanical properties of batches A and B

表6 A、B批次金相及夹杂物平均值比较Table 6 Comparison of the average valueof metallographic structure and inclusionsin batches A and B

图6 显微组织图Figure 6 Microstructures

4 结论

采取成分微合金化控制技术和合理的热处理工艺措施，提高了Q355钢大截面尺寸桩顶法兰锻件强度和韧性指标。两种成分微合金化法兰锻件的检测对比分析得出，Ni、Cr、Nb元素调控相对Al、V、Nb元素能获取更优异的使用性能指标。屈服强度平均值达到376.6 MPa，抗拉强度535 MPa，纵向冲击吸收能达到215.7 J，横向冲击吸收能180.1 J，晶粒度平均等级达到8.5级以上。