天然氣輸送管道環(huán)焊縫泄漏失效分析

胡美娟，劉迎來，朱麗霞，齊麗華，楊 放

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077）

0 前 言

在某管道工程投產(chǎn)升壓過程中，接到天然氣疑似泄漏的報(bào)告。通過對(duì)可能泄漏點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)和開挖，發(fā)現(xiàn)泄漏位置為天然氣輸送管道環(huán)焊縫連接處。管材X80鋼級(jí)，規(guī)格為φ1 016 mm×15.3 mm，根焊焊絲為E80C-Ni1，填充焊焊絲為E81T8-Ni2。對(duì)泄漏斷口進(jìn)行射線檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)位于環(huán)焊縫6點(diǎn)位置，裂紋總長度約70 mm。

通過斷口宏觀形貌、金相分析以及力學(xué)性能檢測(cè)等方法對(duì)泄漏裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，為該管線以及相關(guān)管線的順利建設(shè)投產(chǎn)提供一定的參考。

1 試驗(yàn)及結(jié)果

1.1 斷口形貌

裂紋位于X80管線鋼環(huán)焊縫6點(diǎn)位置內(nèi)表面根焊處，原始形貌如圖1所示。由圖1可知，環(huán)焊縫內(nèi)表面根焊道的原始形貌被打磨破壞，裂紋位于打磨凹陷區(qū)域的最低位置，可見長度為66 mm。圖2為裂紋源區(qū)的宏觀形貌，由圖2可知，裂紋起裂于根焊焊趾附近的凹陷區(qū)域，此區(qū)域由于位置較低，未被打磨破壞。

圖1 裂紋宏觀形貌

圖2 裂紋源區(qū)宏觀形貌

1.2 金相分析

正常區(qū)域焊接接頭的橫截面低倍形貌如圖3所示，整個(gè)環(huán)焊縫由1道次根焊和4道次填充蓋面焊組成。圖4為裂紋擴(kuò)展區(qū)域焊接接頭的低倍形貌，不同于正常的焊接接頭形貌，填充焊區(qū)域有明顯的被加熱特征，根焊的熱影響區(qū)痕跡在填充焊接之上，這表明根焊是在填充蓋面焊完成后進(jìn)行的。裂紋區(qū)域整個(gè)根焊由3道次焊接完成。由圖4測(cè)量可知，根焊焊縫橫向?qū)挾燃s14 mm，厚度方向深約7 mm。正常環(huán)焊縫焊接接頭根焊寬度僅約6 mm，深2.5 mm。

圖3 正常區(qū)域環(huán)焊縫焊接接頭橫截面形貌

圖4 裂紋區(qū)域環(huán)焊縫焊接接頭橫截面形貌

圖5和圖6分別為正常區(qū)域和裂紋區(qū)域根焊組織形貌。對(duì)比圖5和圖6可知，正常區(qū)域根焊組織為B粒+PF+IAF+P，裂紋區(qū)域根焊組織中出現(xiàn)了魏氏體組織，同時(shí)晶粒內(nèi)鐵素體的含量也明顯增大，主要為IAF+WF+B粒+PF+P，這說明裂紋區(qū)域補(bǔ)焊時(shí)焊接熱輸入量較大。

圖5 正常區(qū)域環(huán)焊縫根焊組織

圖6 裂紋區(qū)域環(huán)焊縫根焊組織

圖7為裂紋源區(qū)斷口橫截面低倍形貌，通過圖7可知，主裂紋擴(kuò)展路徑平直，裂紋尖端沿著根焊焊縫熔合線擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展方向在根焊和填充焊接交界處發(fā)生改變，沿著填充蓋面焊熔合線區(qū)域平直擴(kuò)展成穿透型宏觀裂紋。

圖7 裂紋源區(qū)斷口橫截面形貌

圖8為裂紋源區(qū)斷口組織形貌，由圖8可知，裂紋源區(qū)斷面平坦，呈解理形貌。裂紋起裂組織主要為IAF+WF+B粒+PF+P，斷裂方式以穿晶斷裂為主。在起裂區(qū)域還存在大量的二次裂紋、夾渣和未熔合等焊接缺陷。

圖8 裂紋源區(qū)斷口組織形貌

圖9為裂紋起裂區(qū)域組織形貌，由圖9可知，在主裂紋附近熔合區(qū)B粒組織中出現(xiàn)了許多二次穿晶和沿晶微小裂紋，部分二次裂紋內(nèi)部有灰色的非金屬物質(zhì)。

1.3 力學(xué)性能

對(duì)環(huán)焊縫焊接接頭的拉伸性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表1。環(huán)焊縫焊接接頭拉伸性能符合Q/SY GJX 0110-2007《西氣東輸二線管道工程線路焊接技術(shù)規(guī)范》要求。對(duì)環(huán)焊縫焊接接頭的沖擊性能進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見表2，正常區(qū)域和裂紋區(qū)域焊縫的沖擊韌性值均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 裂紋起裂區(qū)域組織形貌

表1 環(huán)焊縫焊接接頭拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

表2 環(huán)焊縫焊接接頭沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

環(huán)焊縫6點(diǎn)位置焊接接頭橫截面的低倍形貌表明，環(huán)焊縫根焊曾經(jīng)實(shí)施過內(nèi)補(bǔ)焊作業(yè)，且應(yīng)是在填充蓋面焊接完成后作業(yè)的。根據(jù)金相組織分析結(jié)果可知，補(bǔ)焊的根焊焊縫中存在大量的魏氏組織，屬于高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，另外焊縫與母材熔合區(qū)存在粗大的B粒組織，這與補(bǔ)焊作業(yè)中熱輸入量偏大有關(guān)。不良的組織使得材料抗脆性起裂及抗擴(kuò)展能力下降，這也是焊縫斷口電鏡掃描表現(xiàn)為解理形貌的原因。另外，根焊基體中存在大量夾雜，根焊焊縫與母材存在局部未熔合缺陷，這些缺陷破壞了材料組織和力學(xué)性能的連續(xù)性。在附加載荷作用下，焊縫焊趾區(qū)域的焊接缺陷處易萌生裂紋，甚至發(fā)生低應(yīng)力脆斷。該環(huán)焊縫貫穿全壁厚裂紋就是由環(huán)焊縫內(nèi)表面補(bǔ)焊焊縫的焊接缺陷引起，并在現(xiàn)場(chǎng)加壓過程中起裂并擴(kuò)展。

3 結(jié)論

X80天然氣輸送管道環(huán)焊縫焊接接頭的拉伸性能符合Q/SY GJX 0110-2007《西氣東輸二線管道工程線路焊接技術(shù)規(guī)范》要求，但焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性值未達(dá)到焊接技術(shù)規(guī)范的要求，環(huán)焊6點(diǎn)泄露位置根焊為補(bǔ)焊焊縫，補(bǔ)焊焊縫焊趾處存在的缺陷是環(huán)焊縫開裂泄露的主要原因。

[1]Q/SY GJX 0110-2007，西氣東輸二線管道工程線路焊接技術(shù)規(guī)范[S].

[2]張文鉞.金屬熔焊原理及工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[3]隋永莉,薛鎮(zhèn)奎,杜則裕.西氣東輸二線管道工程的焊接技術(shù)特點(diǎn)[J].電焊機(jī),2009,39(05):18-21.

[4]齊麗華,劉小峰,劉潤清.站場(chǎng)螺旋焊管環(huán)焊縫接頭失效原因分析[J].焊管,2013,36(01):54-59.

[5]王紹智,馬云軍,湯海東.西氣東輸二線X80高強(qiáng)長輸管線焊接工藝[J].焊接技術(shù),2011,40(02):58-60.

[6]齊化冰,陳建平,王繼春.STT根焊在西氣東輸二線管道焊接工程中的應(yīng)用[J].電焊機(jī),2009,39(05):104-106.

[7]逯燕玲.油氣輸送管道對(duì)接焊縫中氣孔的成因及控制措施[J].熱加工工藝,2009,38(13):169-171.

[8]胡建春，張萍，李偉，等.長輸管線用X80高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2012（06）：34-36.

[9]田金柱.壓力管道施工焊接質(zhì)量控制[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2008(03)：48-49.

[10]黃福祥,隋永莉,王紀(jì).西氣東輸冀寧支線X80鋼工業(yè)性應(yīng)用工程中的焊接技術(shù)[J].焊接技術(shù)，2007(03)：70-71.