X80鋼輸氣管道帶缺陷環(huán)焊縫的力學(xué)性能及兩類(lèi)裂紋形成原因

李 亮，黃 磊，許 彥，聶向暉，劉迎來(lái)，豐振軍，王耀光

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 101100)

0 引 言

目前我國(guó)高鋼級(jí)油氣管道的運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到3.5×104km，位居世界第一位[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)近10 a建成的高鋼級(jí)大口徑油氣輸送管線中，在管道建成試壓和投產(chǎn)運(yùn)行初期就發(fā)生了30余起環(huán)焊縫開(kāi)裂和泄漏事故，其中70%以上是由環(huán)焊縫焊接缺陷引起的[2-3]。可見(jiàn)，環(huán)焊縫已經(jīng)成為我國(guó)高鋼級(jí)油氣輸送管道最易失效的部位。根據(jù)國(guó)內(nèi)外公布的失效分析結(jié)果，油氣管道的失效模式主要包括斷裂、變形、腐蝕和機(jī)械損傷4類(lèi)[4]。羅金恒等[5]統(tǒng)計(jì)了近幾年發(fā)生的10起高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫缺陷導(dǎo)致的管道失效案例，發(fā)現(xiàn)焊接缺陷導(dǎo)致的內(nèi)壁起裂是導(dǎo)致管道失效的主要原因，占比高達(dá)90%。

環(huán)焊縫開(kāi)裂作為油氣管道的主要失效形式，具有裂紋長(zhǎng)、泄漏量大、對(duì)周邊環(huán)境和人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅等特點(diǎn)[6]。因此，定期檢測(cè)評(píng)估和及時(shí)處置環(huán)焊縫缺陷具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。為保障油氣管道的運(yùn)營(yíng)安全，2017年以來(lái)，中石油各管道運(yùn)營(yíng)公司對(duì)所屬轄區(qū)內(nèi)的油氣管道開(kāi)展了大規(guī)模的環(huán)焊縫隱患排查治理工作，對(duì)隱患排查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的環(huán)焊縫缺陷采取了換管或加裝B型套筒等措施[7]。

在近期對(duì)X80鋼輸氣管道環(huán)焊縫隱患排查過(guò)程中，共發(fā)現(xiàn)10處環(huán)焊縫存在焊接缺陷。該X80鋼管線公稱(chēng)直徑為1 219 mm。為進(jìn)一步了解上述環(huán)焊縫的力學(xué)性能和缺陷狀況，為后續(xù)X80鋼管道環(huán)焊縫的施工和評(píng)價(jià)提供參考，作者對(duì)上述環(huán)焊縫進(jìn)行了理化檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)和缺陷解剖分析。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

研究對(duì)象為某輸氣管道存在安全隱患的10個(gè)環(huán)焊縫接頭，接頭母材均為X80鋼?，F(xiàn)場(chǎng)焊接工藝為鎢極氬弧焊(GTAW)打底，焊材型號(hào)為ER50-6；自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊(FCAW)填充和蓋面，焊材型號(hào)為E81T8-Ni2J。其中：1#和2#環(huán)焊縫連接的是兩根可以自由旋轉(zhuǎn)的鋼管，1#環(huán)焊縫的上下游管道均為螺旋埋弧焊管，2#環(huán)焊縫上游管道為螺旋埋弧焊管，下游管道為直縫冷彎彎管；3#～5#環(huán)焊縫為用一段鋼管將兩根固定管段連接在一起(連頭)時(shí)，先進(jìn)行焊接形成的環(huán)焊縫，6#～10#則為后焊接形成的環(huán)焊縫。3#～10#環(huán)焊縫上游管道分別為螺旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管、螺旋埋弧焊管、螺旋埋弧焊管、螺旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管、螺旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管，下游管道分別為螺旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管、直縫冷彎彎管、直縫冷彎彎管、螺旋埋弧焊管、螺旋埋弧焊管、螺旋埋弧焊管、螺旋埋弧焊管。

采用MC-3000C型超聲波測(cè)厚儀、焊接檢驗(yàn)尺、鋼卷尺等測(cè)量10處環(huán)焊縫及其上、下游管道的幾何尺寸。按照SY/T 4109-2013，采用XT1605C型射線探傷機(jī)對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)，透照方式為中心透照，焦距為610 mm，管電壓為160 kV，管電流為5 mA，曝光時(shí)間為4 min。按照GB/T 4336-2016，在環(huán)焊縫上、下游管道上取樣，采用ARL4460型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，所測(cè)螺旋埋弧焊管的樣本數(shù)為13根，直縫冷彎彎管的樣本數(shù)為7根。

按照Q/SY GJX 0110-2007和GB/T 228.1-2010，分別在10處環(huán)焊縫0點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)位置無(wú)缺陷部位，以焊縫為中心沿軸向取全壁厚試樣，試樣長(zhǎng)230 mm，寬25 mm，按照標(biāo)準(zhǔn)要求去除焊縫余高；采用SHT 4106型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率為0.4 min-1。按照Q/SY GJX 0110-2007和GB/T 2650-2008，在環(huán)焊縫0點(diǎn)、3點(diǎn)位置無(wú)缺陷部位取樣，每處焊縫中心和熱影響區(qū)均各取3個(gè)試樣，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，缺口形式為V型，缺口位置符合標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫中心試樣和熱影響區(qū)試樣的數(shù)量均為60個(gè)。使用PSW750型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-10 ℃。按照Q/SY GJX 0110-2007和GB/T 4340.1-2009，使用KB30BVZ-FA型維氏硬度計(jì)測(cè)試硬度，試驗(yàn)載荷為98.07 N，保載時(shí)間為15 s，測(cè)點(diǎn)分別位于母材區(qū)、熱影響區(qū)以及打底焊和蓋面焊焊縫部位，如圖1所示，每個(gè)接頭共取16點(diǎn)測(cè)試。

圖1 維氏硬度測(cè)試位置示意

在環(huán)焊縫裂紋處取焊縫橫截面試樣，經(jīng)磨光和拋光，用體積分?jǐn)?shù)5%的硝酸酒精溶液腐蝕10 s后，使用Smart Zoom5型超景深數(shù)碼顯微鏡和MEF4M型光學(xué)顯微鏡觀察裂紋形貌和顯微組織，利用HITACH SU3500型掃描電子顯微鏡附帶的Oxford X-maxN型能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 幾何尺寸

由表1可知，10處環(huán)焊縫上下游管道的幾何尺寸均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但環(huán)焊縫的幾何尺寸控制不佳，有8處存在余高或錯(cuò)邊量超差現(xiàn)象。

表1 上下游管道和環(huán)焊縫幾何尺寸測(cè)量結(jié)果

2.2 無(wú)損檢測(cè)

由表2可知，環(huán)焊縫中的缺陷主要為未熔合和裂紋，二者在總?cè)毕葜姓急燃s75%。

表2 10處環(huán)焊縫射線探傷結(jié)果

2.3 化學(xué)成分

由表3可知:所有鋼管的化學(xué)成分均滿(mǎn)足Q/SY GJX 0102-2007、Q/SY GJX 0104-2007標(biāo)準(zhǔn)要求；螺旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管的碳當(dāng)量分別在0.17%～0.20%、0.16～0.20%，均滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求(不高于0.23%)，這說(shuō)明管道具有良好的焊接性。

表3 上下游管道化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果

2.4 拉伸性能

由圖2可知：在40個(gè)環(huán)焊縫拉伸試樣中，有4個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度低于625 MPa，不符合Q/SY GJX 0110-2007標(biāo)準(zhǔn)要求，抗拉強(qiáng)度不合格率為10%；不同位置試樣的抗拉強(qiáng)度均值介于675～700 MPa之間，波動(dòng)幅度不大。此外，在拉伸過(guò)程中，40個(gè)試樣中有17個(gè)斷裂于母材，21個(gè)斷裂于焊縫，2個(gè)斷裂于熔合區(qū)；其中4個(gè)抗拉強(qiáng)度不合格的試樣中，3個(gè)斷裂于焊縫，1個(gè)斷裂于熔合區(qū)。從上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，環(huán)焊縫相對(duì)于鋼管母材強(qiáng)度偏低(鋼管母材抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果均高于755 MPa)。

圖2 環(huán)焊縫接頭不同位置試樣的抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.5 沖擊性能

由圖3可知：部分焊縫中心試樣出現(xiàn)了沖擊功不合格現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)得到不合格率為21.7%(不低于60 J為合格)；熱影響區(qū)試樣的沖擊功全部合格(不低于60 J為合格)，但熱影響區(qū)沖擊功數(shù)值的離散程度大于焊縫中心；熱影響區(qū)沖擊功的平均值比焊縫中心高約125 J。

圖3 環(huán)焊縫接頭不同位置試樣的沖擊功測(cè)試結(jié)果

2.6 維氏硬度

由圖4可知：10處環(huán)焊縫接頭不同位置處的維氏硬度測(cè)試結(jié)果均分布在190～280 HV，符合標(biāo)準(zhǔn)要求(測(cè)試點(diǎn)樣本數(shù)為160個(gè)，不高于300 HV為合格)；熱影響區(qū)存在一定程度的軟化，打底焊焊縫的硬度平均值低于母材和蓋面焊焊縫。

圖4 環(huán)焊縫接頭不同位置維氏硬度測(cè)試結(jié)果

2.7 裂紋形成原因

2.7.1 7#環(huán)焊縫中裂紋形成原因

7#環(huán)焊縫中存在2處裂紋，2處裂紋均起源于打底焊與填充焊焊縫交界處的未熔合缺陷，均從未熔合缺陷向上方填充焊焊縫和焊根處擴(kuò)展，如圖5所示。取其中一條裂紋進(jìn)一步觀察。由圖6可知：裂紋曲折擴(kuò)展，在向上方填充焊焊縫中擴(kuò)展時(shí)局部位置出現(xiàn)了次生裂紋(位置2)；未熔合缺陷呈三角形形狀，裂紋在未熔合缺陷的3個(gè)尖角處均發(fā)生擴(kuò)展，并且裂紋呈沿晶和穿晶特征；裂紋沿焊縫環(huán)向的擴(kuò)展長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沿焊縫軸向的擴(kuò)展長(zhǎng)度。

圖5 7#環(huán)焊縫中裂紋的低倍形貌

圖6 7#環(huán)焊縫中裂紋1的微觀形貌

7#環(huán)焊縫為管道連頭中后焊的一道焊縫，因焊接時(shí)兩側(cè)管道固定不動(dòng)，焊縫中存在較大的拘束應(yīng)力，這是裂紋擴(kuò)展的外部原因。打底焊與填充焊焊縫交界處存在未熔合缺陷，未熔合處邊緣存在非常細(xì)窄的尖角，應(yīng)力集中程度較大，這是裂紋擴(kuò)展的內(nèi)部原因。這也在童遠(yuǎn)濤等[8]和趙金蘭等[9]的研究中得到了證實(shí)，即未熔合缺陷端部通常有狹窄尖銳的縫隙，且其尖端前方的熔合線因兩側(cè)組織各不相同而成為焊縫的薄弱區(qū)域，極易萌生裂紋。因此，該環(huán)焊縫裂紋應(yīng)是產(chǎn)生于管道建設(shè)期(焊接后)，在拘束應(yīng)力的作用下，裂紋從未熔合缺陷邊緣尖角處萌生，并主要沿焊縫環(huán)向發(fā)生擴(kuò)展，最終形成了以未熔合缺陷為裂紋源的冷裂紋。

2.7.2 8#環(huán)焊縫中裂紋形成原因

由圖7可以看出：8#環(huán)焊縫中的裂紋位于焊根區(qū)域正中，貫穿整個(gè)打底焊焊縫，裂紋前端終止于填充焊焊縫下方熔合線處；裂紋兩側(cè)組織呈柱狀晶分布，且與裂紋方向幾乎垂直，裂紋兩側(cè)柱狀晶前沿存在諸多大小不等的孔洞；進(jìn)一步觀察可知，裂紋兩側(cè)打底焊焊縫組織無(wú)異常，均為多邊形鐵素體(PF)+粒狀貝氏體(GB)+少量晶內(nèi)針狀鐵素(IAF)組織；靠近裂紋的兩側(cè)組織中存在局部聚集的孔洞，局部裂紋邊緣呈鋸齒狀。

圖7 8#環(huán)焊縫中裂紋形貌及裂紋兩側(cè)顯微組織

由圖8可以看出，8#環(huán)焊縫中裂紋沿著晶界擴(kuò)展。

圖8 8#環(huán)焊縫中裂紋的SEM形貌

由圖9和表4可以看出：位置1～4為近裂紋處焊縫金屬中的塊狀偏聚區(qū)，位置5為近裂紋處焊縫金屬中的正常區(qū)域；塊狀偏聚區(qū)硫、碳含量明顯偏高，而正常區(qū)域中無(wú)硫、碳等元素。由此可見(jiàn)，8#環(huán)焊縫中裂紋兩側(cè)局部聚集的孔洞實(shí)際為硫、碳等元素形成的低熔點(diǎn)雜質(zhì)偏聚區(qū)。

表4 圖9中不同位置EDS測(cè)試結(jié)果

8#環(huán)焊縫中的裂紋位于打底焊焊縫兩側(cè)平行生長(zhǎng)的柱狀晶交界處，裂紋走向與柱狀晶生長(zhǎng)方向近似垂直，且呈沿晶開(kāi)裂特征；在靠近裂紋的打底焊焊縫中存在硫、碳等元素偏聚現(xiàn)象。在管線鋼焊接熔池結(jié)晶過(guò)程中，硫、磷等元素的存在易引起結(jié)晶偏析，并形成多種低熔點(diǎn)化合物或共晶相[10-12]；在熔池結(jié)晶后期，后結(jié)晶的低熔點(diǎn)組元和雜質(zhì)被排斥到柱狀晶前沿或相鄰柱狀晶交界處，形成液態(tài)薄膜散布在晶粒間，當(dāng)冷卻時(shí)不均勻收縮產(chǎn)生的拉伸變形超過(guò)允許值時(shí)，就會(huì)在晶粒邊界處分離而形成結(jié)晶裂紋[13]。此外，當(dāng)硫元素以FeS形式存在時(shí)，由于FeS在鐵液中幾乎可以無(wú)限溶解，而在固態(tài)鐵中的溶解度僅為0.015%～0.020%，因此在凝固后期極易以低熔點(diǎn)共晶Fe+FeS(熔點(diǎn)985 ℃)或FeS+FeO(熔點(diǎn)940 ℃)的形態(tài)偏析于晶界，從而增大形成結(jié)晶裂紋的傾向[14-15]。綜上可見(jiàn)，8#環(huán)焊縫中的裂紋為結(jié)晶裂紋，其形成原因是硫元素在打底焊焊縫中心偏析并形成低熔點(diǎn)共晶相，在凝固收縮拉應(yīng)力的作用下發(fā)生開(kāi)裂。

3 結(jié) 論

(1) 10處存在安全隱患的環(huán)焊縫中，管道連頭后焊接焊縫占比高達(dá)50%；環(huán)焊縫幾何尺寸控制不佳，10處環(huán)焊縫中有8處存在余高或錯(cuò)邊量超差現(xiàn)象。

(2) 10處環(huán)焊縫抗拉強(qiáng)度不合格率為10%，環(huán)向不同位置抗拉強(qiáng)度平均值分布較均勻；焊縫中心沖擊功不合格率為21.7%，熱影響區(qū)沖擊功全部合格，且其平均值高于焊縫中心；環(huán)焊縫、母材和熱影響區(qū)的維氏硬度全部合格，但熱影響區(qū)存在一定程度的軟化，且打底焊焊縫的硬度低于母材和蓋面焊焊縫。

(3) 環(huán)焊縫中的缺陷以未熔合和裂紋為主，二者占比為75%。管道連頭后焊接環(huán)焊縫出現(xiàn)2處冷裂紋，均起源于焊根附近未熔合缺陷處，在拘束應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)展開(kāi)裂；1處結(jié)晶裂紋是由于硫元素在打底焊焊縫中心偏析并形成低熔點(diǎn)共晶相，在凝固收縮拉應(yīng)力作用下發(fā)生開(kāi)裂。

(4) 建議進(jìn)一步優(yōu)化焊接工藝，確保焊縫強(qiáng)度和韌性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；加強(qiáng)連頭的焊接質(zhì)量控制，尤其要重點(diǎn)檢查根焊部位的焊接質(zhì)量，避免出現(xiàn)未熔合、內(nèi)壁焊趾溝槽等易誘發(fā)裂紋的缺陷；嚴(yán)格控制焊材成分并調(diào)整焊接工藝，避免硫元素在焊縫中心偏聚。