李亮， 黃磊， 聶向暉， 劉迎來， 張奕

(1.中國石油集團石油管工程技術(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 前言

由于國內(nèi)自有油氣資源分布區(qū)域以及進口油氣資源入境地點距國內(nèi)主要油氣消費市場較遠，截至2019年，國內(nèi)已建成近14萬公里的長距離油氣輸送管線[1-2]。隨著國民經(jīng)濟對油氣資源需求的日益增長，越來越多的油氣輸送管線采用高鋼級、大口徑、高壓力模式進行建設(shè)，以提高管線輸送效率、降低管線輸送成本[3-4]。

目前，國內(nèi)已運營的高鋼級管道里程達3.5萬公里，位居世界第一位[5]。隨著國內(nèi)高鋼級管道里程的不斷增長，因管道環(huán)焊縫開裂造成的失效事故時有發(fā)生，嚴重威脅著管道的運營安全。2019年任俊杰等人[6]的研究結(jié)果顯示，國內(nèi)近10年建設(shè)的高鋼級、大口徑油氣輸送管線中，在管線建成試壓和投產(chǎn)運行初期就發(fā)生了30余起環(huán)焊縫開裂失效事故，其中70%以上是由于環(huán)焊縫焊接缺陷引起的。羅金恒等人[7]統(tǒng)計了2011～2015年發(fā)生的10起環(huán)焊縫開裂失效事故，結(jié)果也顯示其中80%是由于焊接質(zhì)量不合格造成的?？梢钥闯?，焊接質(zhì)量問題是導致高鋼級管道環(huán)焊縫開裂失效的主要原因。

文中選取了近期排查出的12道因焊接質(zhì)量問題導致開裂的高鋼級管道環(huán)焊縫，對其力學性能進行了檢測和分析；同時，通過裂紋缺陷解剖，重點探討了環(huán)焊縫存在的主要焊接質(zhì)量問題，以及4類焊接質(zhì)量問題主導的裂紋形成機理，以期為高鋼級管道環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量控制及裂紋防治提供了資料參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

文中試驗所用材料為近期在役管道環(huán)焊縫隱患排查時割口的12處存在裂紋缺陷的X70，X80高鋼級管道環(huán)焊縫，其基本信息見表1。

表1 環(huán)焊縫基本信息

1.2 試驗方法

依據(jù)SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》標準，采用XT1605C型X射線探傷機對環(huán)焊縫進行無損檢測，確定裂紋缺陷的位置和尺寸。

依據(jù)GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》標準，在環(huán)焊縫無缺陷處截取并加工力學試樣。采用SHT4106拉伸試驗機測試0點、3點、6點、9點焊接位置焊接接頭的拉伸性能，每個焊接位置取1個試樣；采用PSW750沖擊試驗機測試0點、3點焊接位置焊接接頭在-10 ℃(X70鋼級)和-20 ℃(X80鋼級)的V形缺口夏比沖擊性能，每個焊接位置取3個焊縫沖擊試樣和3個熱影響區(qū)沖擊試樣；采用KB30BVZ-FA維氏硬度計按照16點壓痕法測試焊接接頭的硬度分布，每個環(huán)焊縫取1個試樣。

在環(huán)焊縫裂紋缺陷處截取并制備金相試樣，采用Smart Zoom5超景深數(shù)碼顯微鏡和OLS 4100激光共聚焦顯微鏡分析裂紋試樣的宏觀形貌和微觀組織；采用SU3500 HITACHI掃描電鏡、牛津能譜儀、背散射電子探測器等分析裂紋缺陷的微觀形貌和微區(qū)成分。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 無損檢測

表2為環(huán)焊縫的X射線檢測結(jié)果。檢測結(jié)果顯示，12道環(huán)焊縫中的缺陷均為裂紋，且其中10道環(huán)焊縫中的裂紋位于仰焊位置，占比達83.33%。

表2 環(huán)焊縫X射線檢測結(jié)果

表2中裂紋缺陷起始位置以環(huán)焊縫焊接時的時鐘方向表示，如圖1所示，管道輸送介質(zhì)方向為垂直于紙面向里。

圖1 環(huán)焊縫焊接時時鐘方向示意圖

2.2 力學性能

圖2為環(huán)焊縫力學性能檢測結(jié)果。由圖2a可知，所有環(huán)焊縫不同焊接位置的抗拉強度均符合標準要求(X70鋼級≥570 MPa,X80鋼級≥625 MPa)。由圖2b可知，1號、2號、3號、4號、6號、7號、8號環(huán)焊縫的部分焊縫金屬沖擊吸收能量不符合標準要求(X70鋼級單值應(yīng)≥56 J，X80鋼級單值應(yīng)≥60 J)，不合格試樣數(shù)占比約19.44%。由圖2c可知，所有環(huán)焊縫的熱影響區(qū)沖擊吸收能量均符合標準要求(要求同焊縫金屬)。由圖2d可知，所有環(huán)焊縫的維氏硬度均符合標準要求(X70鋼級?275 HV10，X80鋼級?300 HV10)，且1～9號(非全自動焊)環(huán)焊縫的熱影響區(qū)存在一定程度軟化。

圖2 環(huán)焊縫力學性能檢測結(jié)果統(tǒng)計圖

3 焊接質(zhì)量問題及裂紋成因分析

按照前文所述試驗方法完成裂紋解剖和分析后，可得到表3所示的環(huán)焊縫焊接質(zhì)量及裂紋成因匯總表。

由表3可知，導致該批環(huán)焊縫開裂的主要焊接質(zhì)量問題包括：根焊內(nèi)表面缺陷、坡口及根部未熔合、根焊硫元素偏析、填充焊坡口銅污染、焊接道層數(shù)不足、錯邊量超標等6類。其中，焊接道層數(shù)不足、錯邊量超標，常與其他缺陷疊加促進環(huán)焊縫裂紋形成。

表3 環(huán)焊縫焊接質(zhì)量及裂紋成因匯總表

值得注意的是，表3中存在焊接道層數(shù)不足問題的1號、2號、4號、6號、7號、8號環(huán)焊縫，對應(yīng)的焊縫沖擊吸收能量都存在不合格現(xiàn)象(如圖2b所示)。這一現(xiàn)象可以從兩方面進行解釋。首先，焊接道層數(shù)不足的環(huán)焊縫，道層之間的相互熱處理次數(shù)較少。黃福祥、呂向陽等人[8-9]的研究結(jié)果表明，在多層多道焊過程中，前一道(層)焊縫可為后一道(層)焊縫起到預熱作用，后一道(層)焊縫可為前一道(層)焊縫起到熱處理(正火)作用，進而能夠有效改善焊縫組織、提高焊縫力學性能。其次，焊接道層數(shù)不足的環(huán)焊縫，焊接道層相對較厚，這意味著焊接時采用了較大熱輸入。博衛(wèi)等人[10-11]的研究結(jié)果表明，采用較大熱輸入焊接時，焊縫高溫停留時間變長，晶?？焖匍L大，甚至可能出現(xiàn)過熱組織，焊縫的強度和韌性相對于小焊接熱輸入較差。可見，采取合理的焊接層道數(shù)對于保障焊縫沖擊韌性至關(guān)重要。

文中根據(jù)主導環(huán)焊縫產(chǎn)生裂紋的焊接質(zhì)量問題，將表3所述12道環(huán)焊縫的裂紋成因劃分為4類，以下結(jié)合具體案例探討其裂紋形成的機理。

3.1 根焊內(nèi)表面缺陷導致的開裂

表3中1～5號環(huán)焊縫的開裂原因較為相似，均為焊縫沖擊韌性較低，根焊內(nèi)表面缺陷在附加應(yīng)力作用下發(fā)生開裂。這些內(nèi)表面缺陷可分為兩類：一類為根焊金屬內(nèi)表面或近表面形成的氣孔和夾渣(1號、2號環(huán)焊縫)，它們在附加應(yīng)力作用下發(fā)生連通開裂；另一類為不等壁厚對接環(huán)焊縫根焊焊趾處過渡不圓滑形成的尖銳溝槽(1號、3號、4號、5號環(huán)焊縫)，這類缺陷(欠)存在較大的應(yīng)力集中，它們在附加應(yīng)力作用下容易從溝槽尖端發(fā)生開裂擴展。此外，由表3可知，作為促使該類裂紋產(chǎn)生的附加應(yīng)力也分為兩類：一類為錯邊量較大形成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，另一類為連頭口形成的拘束應(yīng)力。圖3列舉了1號環(huán)焊縫裂紋截面處的缺陷形貌。

圖3 1號環(huán)焊縫裂紋截面宏觀形貌和金相組織

3.2 未熔合缺陷導致的開裂

由表3可知，6～8號環(huán)焊縫的裂紋形成原因均可歸納為：焊縫沖擊韌性較低，未熔合缺陷在連頭口產(chǎn)生的拘束應(yīng)力作用下發(fā)生開裂。根據(jù)GB/T 6417.1—2005標準，未熔合是指焊縫金屬和母材或焊縫金屬各焊層之間未結(jié)合的部分，可分為根部未熔合、坡口未熔合和焊道間未熔合。其中，根部未熔合和坡口未熔合會明顯減小承載橫截面，其端部常常還存在較為狹窄細長的縫隙，應(yīng)力集中較為嚴重，此時若疊加較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和較低的焊縫沖擊韌性，極易形成以未熔合缺陷端部為源的裂紋。圖4列舉了6號環(huán)焊縫裂紋截面處的缺陷形貌。

圖4 6號環(huán)焊縫裂紋截面處缺陷形貌

3.3 根焊硫元素偏析導致的開裂

表3中9號環(huán)焊縫出現(xiàn)的裂紋為根焊金屬中硫元素偏析導致的結(jié)晶裂紋。結(jié)晶裂紋屬于熱裂紋中的一種，它是指焊縫結(jié)晶過程后期，固液共存溫度下，由于凝固金屬收縮而殘余液態(tài)金屬補充不足，低熔點共晶和雜質(zhì)沿晶界形成的液態(tài)薄膜在拉應(yīng)力作用下發(fā)生的沿晶開裂[14-15]。在焊縫凝固過程中，高熔點組元總是優(yōu)先于低熔點組元發(fā)生結(jié)晶。隨著焊縫內(nèi)部柱狀晶的不斷長大，固液界面持續(xù)向焊縫中心線推進；此時，若焊縫中硫、磷等元素含量較高，它們形成的大量低熔點組元將在柱狀晶交匯處的形成液態(tài)薄膜，這層液態(tài)薄膜在焊縫凝固收縮拉應(yīng)力以及焊縫自身結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用下，將在焊縫中心線附近發(fā)生沿晶開裂。圖5列出了9號環(huán)焊縫裂紋截面處的宏觀、微觀組織和能譜分析結(jié)果。

圖5 9號環(huán)焊縫裂紋截面宏觀、微觀組織和能譜分析結(jié)果

3.4 焊縫外來銅污染導致的開裂

表3中10～12號環(huán)焊縫均采用實心焊絲氣體保護自動焊工藝成形，3處環(huán)焊縫坡口處均發(fā)現(xiàn)了因外來銅污染導致的熔銅開裂。現(xiàn)場調(diào)研及裂紋解剖結(jié)果顯示，3處環(huán)焊縫中熔入的銅均來源于銅質(zhì)導電嘴與坡口接觸時發(fā)生的短路熔化，由于現(xiàn)場焊接人員未及時發(fā)現(xiàn)該問題或未及時將坡口處凝固的銅清理干凈，這些殘留在坡口位置的銅在隨后的焊接過程中與焊絲一起熔入了填充焊金屬中，同時，部分位置的銅還沿著晶界向母材金屬和填充焊金屬發(fā)生了擴散。圖6列舉了10號環(huán)焊縫裂紋截面處的宏觀、微觀組織和能譜分析結(jié)果。

圖6 10號環(huán)焊縫裂紋截面宏觀、微觀組織和能譜分析結(jié)果

4 結(jié)論

(1)絕大多數(shù)環(huán)焊縫的開裂位置位于仰焊區(qū)域，占比高達83%，仰焊區(qū)域是萌生裂紋的高發(fā)部位。

(2)所有環(huán)焊縫的抗拉強度、維氏硬度均符合標準要求，但部分環(huán)焊縫焊縫金屬的夏比沖擊吸收能量低于標準要求，不合格試樣數(shù)占比約19.44%，焊接道層數(shù)較少是造成其沖擊韌性不合格的重要原因。

(3)主導環(huán)焊縫開裂的焊接質(zhì)量問題主要包括根焊內(nèi)表面缺陷、坡口及根部未熔合、根焊硫元素偏析、填充焊坡口銅污染等四類，焊接道層數(shù)不足、焊縫錯邊量超標常與上述缺陷疊加促進裂紋形成。

(4)建議：①嚴格按照焊接工藝要求控制焊接層道數(shù)；②加強環(huán)焊縫仰焊區(qū)域的根焊質(zhì)量控制；③確保變壁厚焊口焊趾處平緩圓滑；④選擇質(zhì)量合格的焊材，尤其應(yīng)保障S，P含量符合要求；⑤全自動焊應(yīng)控制好導電嘴位置，避免與坡口接觸發(fā)生短路。