摘 要:對10處存在缺陷的 X80鋼輸氣管道環焊縫進行了力學性能檢測和兩類裂紋成因分 析。結果表明:10處環焊縫抗拉強度不合格率為10%,焊縫中心沖擊功不合格率為21.7%,熱影響 區沖擊功全部合格;環焊縫、母材和熱影響區的維氏硬度全部合格,但熱影響區存在軟化。環焊縫 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晶裂紋,冷裂紋起源于 焊根附近未熔合缺陷處,在拘束應力作用下發生擴展導致開裂;結晶裂紋產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共晶相,在凝固收縮拉應力作用下晶界發生開裂。

關鍵詞:環焊縫;力學性能;冷裂紋;結晶裂紋

中圖分類號:TG457.6 文獻標志碼: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營里程已達到 3.5×104 km,位居世界第一位[1]。據統計,我國近 10a建成的高鋼級大口徑油氣輸送管線中,在管道 建成試壓和投產運行初期就發生了30余起環焊縫 開裂和泄漏事故,其中70%以上是由環焊縫焊接缺 陷引起的[2-3]。可見,環焊縫已經成為我國高鋼級油 氣輸送管道最易失效的部位。根據國內外公布的失 效分析結果,油氣管道的失效模式主要包括斷裂、變 形、腐蝕和機械損傷4類[4]。羅金恒等[5]統計了近 幾年發生的10起高鋼級管道環焊縫缺陷導致的管 道失效案例,發現焊接缺陷導致的內壁起裂是導致管道失效的主要原因,占比高達90%。

環焊縫開 裂 作 為 油 氣 管 道 的 主 要 失 效 形 式, 具有裂紋長、泄漏量大、對周邊環境和人員安全構 成嚴重威脅 等 特 點[6]。因 此,定 期 檢 測 評 估 和 及 時處置環焊 縫 缺 陷 具 有 重 要 的 經 濟 和 社 會 意 義。 為保障油氣管道的運營安全,2017年以來,中石油 各管道運營公司對所屬轄區內的油氣管道開展了 大規模的環 焊 縫 隱 患 排 查 治 理 工 作,對 隱 患 排 查 過程中發現的環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鋼輸氣管道環焊縫隱患排查過 程中,共發現 10 處環焊縫存在焊接缺陷。該 X80 鋼管線公稱直徑為1219mm。為進一步了解上述 環焊縫的力學性能和缺陷狀況,為后續 X80鋼管道 環焊縫的施工和評價提供參考,作者對上述環焊縫 進行了理化檢測、統計和缺陷解剖分析。

1 試樣制備與試驗方法

研究對象為某輸氣管道存在安全隱患的10個 環焊縫接頭,接頭母材均為 X80鋼。現場焊接工藝 為鎢極氬弧焊(GTAW)打底,焊材型號為 ER50-6; 自保護藥芯焊絲半自動焊(FCAW)填充和蓋面,焊 材型號為 E81T8-Ni2J。其中:1# 和2# 環焊縫連接 的是兩根可以自由旋轉的鋼管,1# 環焊縫的上下游 管道均為螺旋埋弧焊管,2# 環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# 環焊 縫為用一段鋼管將兩根固定管段連接在一起(連頭) 時,先進行焊接形成的環焊縫,6# ~10# 則為后焊接 形成的環焊縫。3# ~10# 環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、焊接檢驗尺、 鋼卷尺等測量10處環焊縫及其上、下游管道的幾何 尺寸。按照 SY/T4109-2013,采用 XT1605C 型 射線探傷機對環焊縫進行射線檢測,透照方式為中 心透照,焦距為610mm,管電壓為160kV,管電流 為5mA,曝光時間為 4 min。按照 GB/T4336- 2016,在環焊縫上、下游管道上取樣,采用 ARL4460 型直讀光譜儀進行化學成分分析,所測螺旋埋弧焊管的樣 本 數 為 13 根,直 縫 冷 彎 彎 管 的 樣 本 數 為 7根。

按照 Q/SYGJX0110-2007和 GB/T228.1- 2010,分別在10處環焊縫0點、3點、6點、9點位置 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,按照標準要求去除焊縫余 高;采用SHT4106型微機控制電液伺服萬能試驗 機進行室溫拉伸試驗,應變速率為0.4min-1。按照 Q/SYGJX0110-2007和 GB/T2650-2008,在環 焊縫0點、3點位置無缺陷部位取樣,每處焊縫中心 和熱 影 響 區 均 各 取 3 個 試 樣,尺 寸 為 10 mm× 10mm×55mm,缺口形式為 V 型,缺口位置符合 標準要求,焊縫中心試樣和熱影響區試樣的數量均 為60個。使用 PSW750型沖擊試驗機進行沖擊試 驗,試驗溫度為-10 ℃。按照 Q/SY GJX0110- 2007和 GB/T4340.1-2009,使 用 KB30BVZ-FA 型維氏硬度計測試硬度,試驗載荷為98.07N,保載 時間為15s,測點分別位于母材區、熱影響區以及打 底焊和蓋面焊焊縫部位,如圖1所示,每個接頭共取 16點測試

在環焊縫裂紋處取焊縫橫截面試樣,經磨光和拋 光,用體積分數5%的硝酸酒精溶液腐蝕10s后,使 用SmartZoom5型超景深數碼顯微鏡和 MEF4M 型 光學 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)進行微區成分分析。

2 試驗結果與討論

2.1 幾何尺 寸

由表1可知,10處環焊縫上下游管道的幾何尺 寸均符合標準要求,但環焊縫的幾何尺寸控制不佳, 有8處存在余高或錯邊量超差現象。

2.2 無損檢測

由表2可知,環焊縫中的缺陷主要為未熔合和 裂紋,二者在總缺陷中占比約75%。

2.3 化學成分

由表3可知:所有鋼管的化學成分均滿足 Q/ SYGJX0102-2007、Q/SY GJX0104-2007標準 要求;螺旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管的碳當量分別在 0.17%~0.20%、0.16~0.20%,均滿足技術指標要 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個環焊縫拉伸試樣中,有4 個試 樣 的 抗 拉 強 度 低 于 625 MPa,不 符 合 Q/SY GJX0110-2007 標準要求,抗拉強度不合格率為 10%;不 同 位 置 試 樣 的 抗 拉 強 度 均 值 介 于 675~ 700MPa之間,波動幅度不大。此外,在拉伸過程中,40個試樣中有17個斷裂于母材,21個斷裂于焊 縫,2個斷裂于熔合區;其中4個抗拉強度不合格的 試樣中,3個斷裂于焊縫,1個斷裂于熔合區。從上述 統計結果來看,環焊縫相對于鋼管母材強度偏低(鋼 管母材抗拉強度檢測結果均高于755MPa)。

2.5 沖擊性能

由圖3可知:部分焊縫中心試樣出現了沖擊功 不合格現象,統計得到不合格率為21.7%(不低于 60J為合格);熱影響區試樣的沖擊功全部合格(不 低于60J為合格),但熱影響區沖擊功數值的離散 程度大于焊縫中心;熱影響區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處環焊縫接頭不同位置處的維 氏硬度測試結果均分布在190~280HV,符合標準 要求(測試點樣本數為160個,不高于300HV 為合 格);熱影響區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# 環焊縫中裂紋形成原因 7# 環焊縫中存在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展,如圖5 所示。取其中一條裂紋進一步觀察。由圖6可知: 裂紋曲折擴展,在向上方填充焊焊縫中擴展時局部 位置出現了次生裂紋(位置2);未熔合缺陷呈三角 形形狀,裂紋在未熔合缺陷的3個尖角處均發生擴 展,并且裂紋呈沿晶和穿晶特征;裂紋沿焊縫環向的 擴展長度遠遠大于沿焊縫軸向的擴展長度。

7# 環焊縫為管道連頭中后焊的一道焊縫,因焊 接時兩側管道固定不動,焊縫中存在較大的拘束應 力,這是裂紋擴展的外部原因。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 細窄的尖角,應力集中程度較大,這是裂紋擴展的內 部原因。這也在童遠濤等[8]和趙金蘭等[9]的研究中 得 到了證實,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組織各不相同 而成為焊縫的薄弱區域,極易萌生裂紋。因此,該環 焊縫裂紋應是產生于管道建設期(焊接后),在拘束 應力的作用下,裂紋從未熔合缺陷邊緣尖角處萌生, 并主要沿焊縫環向發生擴展,最終形成了以未熔合缺陷為裂紋源的冷裂紋。

2.7.2 8# 環焊縫中裂紋形成原因

由圖7可以看出:8# 環焊縫中的裂紋位于焊根 區域正中,貫穿整個打底焊焊縫,裂紋前端終止于填 充 焊焊縫下方熔合線處;裂紋兩側組織呈柱狀晶分 布,且與裂紋方向幾乎垂直,裂紋兩側柱狀晶前沿存 在諸多大小不等的孔洞;進一步觀察可知,裂紋兩側 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)+少量晶內針狀鐵素(IAF)組織; 靠近裂紋的兩側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# 環焊縫中裂紋沿著晶界擴 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,位置5為近裂紋處焊縫 金屬中的正常區域;塊狀偏聚區硫、碳含量明顯偏 高,而正常區域中無硫、碳等元素。由此可見,8# 環 焊縫中裂紋兩側局部聚集的孔洞實際為硫、碳等元 素形成的低熔點雜質偏聚區。

8# 環焊縫中的裂紋位于打底焊焊縫兩側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、碳等元素偏聚現象。在管線鋼焊接熔池結晶 過程中,硫、磷等元素的存在易引起結晶偏析,并形成 多種低熔點化合物或共晶相[10-12];在熔池結晶后期, 后結晶的低熔點組元和雜質被排斥到柱狀晶前沿或 相鄰柱狀晶交界處,形成液態薄膜散布在晶粒間,當 冷卻時不均勻收縮產生的拉伸變形超過允許值時,就 會在晶粒邊界處分離而形成結晶裂紋[13]。此外,當 硫元素以FeS形式存在時,由于FeS在鐵液中幾乎可 以無限溶解,而在固態鐵中的溶解度僅為0.015%~ 0.020%,因此在凝固后期極易以低熔點共晶Fe+FeS (熔點985℃)或FeS+FeO(熔點940℃)的形態偏析 于晶界,從而增大形成結晶裂紋的傾向[14-15]。綜上可 見,8# 環焊縫中的裂紋為結晶裂紋,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共晶相,在 凝固收縮拉應力的作用下發生開裂。

3 結 論

(1)10 處 存 在 安 全 隱 患 的 環 焊 縫 中,管 道 連 頭后焊接焊縫占比高達50%;環焊縫幾何尺寸控 制不佳,10處環焊縫中有8處存在余高或錯邊量 超差現象。

(2)10處環焊縫抗拉強度不合格率為10%,環 向不同位置抗拉強度平均值分布較均勻;焊縫中心 沖擊功不合格率為21.7%,熱影響區沖擊功全部合 格,且其平均值高于焊縫中心;環焊縫、母材和熱影 響區的維氏硬度全部合格,但熱影響區存在一定程 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%。管道連頭后焊接環焊縫出現2處 冷裂紋,均起源于焊根附近未熔合缺陷處,在拘束應 力作用下發生擴展開裂;1處結晶裂紋是由于硫元 素在打底焊焊縫中心偏析并形成低熔點共晶相,在 凝固收縮拉應力作用下發生開裂。

(4)建議進一步優化焊接工藝,確保焊縫強度和 韌性達到標準要求;加強連頭的焊接質量控制,尤其 要重點檢查根焊部位的焊接質量,避免出現未熔合、 內壁焊趾溝槽等易誘發裂紋的缺陷;嚴格控制焊材成 分并調整焊接工藝,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>機械工程材料>46卷>