摘 要:對10處存在缺陷的 X80鋼輸氣管道環(huán)焊縫進(jìn)行了力學(xué)性能檢測和兩類裂紋成因分 析。結(jié)果表明:10處環(huán)焊縫抗拉強(qiáng)度不合格率為10%,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;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)存在軟化。環(huán)焊縫 中的缺陷以未熔合和裂紋為主,二者占比為75%。裂紋主要為冷裂紋和結(jié)晶裂紋,冷裂紋起源于 焊根附近未熔合缺陷處,在拘束應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)展導(dǎo)致開裂;結(jié)晶裂紋產(chǎn)生原因為硫元素在打底 焊焊縫中心晶界上偏析并形成低熔點(diǎn)共晶相,在凝固收縮拉應(yīng)力作用下晶界發(fā)生開裂。

關(guān)鍵詞:環(huán)焊縫;力學(xué)性能;冷裂紋;結(jié)晶裂紋

中圖分類號:TG457.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1000-3738(2022)01-0061-0

0 引 言

 目前我國高鋼級油氣管道的運(yùn)營里程已達(dá)到 3.5×104 km,位居世界第一位[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國近 10a建成的高鋼級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,環(huán)焊縫已經(jīng)成為我國高鋼級油 氣輸送管道最易失效的部位。根據(jù)國內(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[4]。羅金恒等[5]統(tǒng)計(jì)了近 幾年發(fā)生的10起高鋼級管道環(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 裂 作 為 油 氣 管 道 的 主 要 失 效 形 式, 具有裂紋長、泄漏量大、對周邊環(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 評 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)營安全,2017年以來,中石油 各管道運(yùn)營公司對所屬轄區(qū)內(nèi)的油氣管道開展了 大規(guī)模的環(huán) 焊 縫 隱 患 排 查 治 理 工 作,對 隱 患 排 查 過程中發(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 X80鋼輸氣管道環(huán)焊縫隱患排查過 程中,共發(fā)現(xiàn) 10 處環(huán)焊縫存在焊接缺陷。該 X80 鋼管線公稱直徑為1219mm。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)焊縫的施工和評價(jià)提供參考,作者對上述環(huán)焊縫 進(jìn)行了理化檢測、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。現(xiàn)場焊接工藝 為鎢極氬弧焊(GTAW)打底,焊材型號為 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型超聲波測厚儀、焊接檢驗(yàn)尺、 鋼卷尺等測量10處環(huán)焊縫及其上、下游管道的幾何 尺寸。按照 SY/T4109-2013,采用 XT1605C 型 射線探傷機(jī)對環(huán)焊縫進(jìn)行射線檢測,透照方式為中 心透照,焦距為610mm,管電壓為160kV,管電流 為5mA,曝光時(shí)間為 4 min。按照 GB/T4336- 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/SYGJX0110-2007和 GB/T228.1- 2010,分別在10處環(huán)焊縫0點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)位置 無缺陷部位,以焊縫為中心沿軸向取全壁厚試樣,試 樣長230mm,寬25mm,按照標(biāo)準(zhǔn)要求去除焊縫余 高;采用SHT4106型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn) 機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),應(yīng)變速率為0.4min-1。按照 Q/SYGJX0110-2007和 GB/T2650-2008,在環(huán) 焊縫0點(diǎn)、3點(diǎn)位置無缺陷部位取樣,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× 10mm×55mm,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 GJX0110- 2007和 GB/T4340.1-2009,使 用 KB30BVZ-FA 型維氏硬度計(jì)測試硬度,試驗(yàn)載荷為98.07N,保載 時(shí)間為15s,測點(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)測試

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10s后,使 用SmartZoom5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。

2.2 無損檢測

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%。

2.3 化學(xué)成分

由表3可知:所有鋼管的化學(xué)成分均滿足 Q/ SYGJX0102-2007、Q/SY GJX0104-2007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%,均滿足技術(shù)指標(biāo)要 求(不高 于 0.23%),這 說 明 管 道 具 有 良 好 的 焊 接 性

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 GJX0110-2007 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~ 700MPa之間,波動(dòng)幅度不大。此外,在拉伸過程中,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)果來看,環(huán)焊縫相對于鋼管母材強(qiáng)度偏低(鋼 管母材抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果均高于755MPa)。 

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 60J為合格);熱影響區(qū)試樣的沖擊功全部合格(不 低于60J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125J。

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 氏硬度測試結(jié)果均分布在190~280HV,符合標(biāo)準(zhǔn) 要求(測試點(diǎn)樣本數(shù)為160個(gè),不高于300HV 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。

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)展長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沿焊縫軸向的擴(kuò)展長度。 

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。

由圖8可以看出,8# 環(huán)焊縫中裂紋沿著晶界擴(kuò) 展

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)域中無硫、碳等元素。由此可見,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)。

8# 環(huán)焊縫中的裂紋位于打底焊焊縫兩側(cè)平行生長的柱狀晶交界處,裂紋走向與柱狀晶生長方向近似 垂直,且呈沿晶開裂特征;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,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。

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< 文章來源>材料與測試網(wǎng) > 機(jī)械工程材料 > 46卷 >