含缺陷X70管線鋼環(huán)焊縫檢驗及分析

李 亮，黃 磊，聶向暉，劉迎來，豐振軍，許 彥，封 輝

(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 100101)

0 引言

截至2019年底，我國長輸油氣管道總里程達到13.52×104公里[1]，其中高鋼級油氣管道的運營里程已達到35 000公里，位居世界第一位[2]。隨著X70,X80高鋼級管線鋼在我國西氣東輸管線、陜京管線、中緬管線、中俄東線等重大工程中的廣泛應(yīng)用，我國X70,X80鋼級管道的運營里程均分別超過了16 000公里[3]，應(yīng)用規(guī)模達到了國際領(lǐng)先水平[4]。

近年來，隨著我國X70,X80高鋼級油氣管道的長時間服役，由焊縫缺陷引起的管道失效事故頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，我國近十年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)焊縫缺陷引起的[5-8]?？梢钥闯?，環(huán)焊縫已成為影響管道安全運行的關(guān)鍵因素之一。

為保障油氣輸送管道安全運行，2017年9月起以中石油環(huán)焊縫隱患排查活動為標志，全國管道運營企業(yè)陸續(xù)對所屬轄區(qū)內(nèi)的油氣管道開展了大規(guī)模的環(huán)焊縫隱患排查修復(fù)工作[9-12]。在X70環(huán)焊縫隱患排查修復(fù)過程中，共發(fā)現(xiàn)7處X70環(huán)焊縫存在危害較大的缺陷，所屬管道企業(yè)對相關(guān)環(huán)焊縫進行了割口換管處理。為掌握X70隱患環(huán)焊縫的性能分布和缺陷狀況，本文對上述環(huán)焊縫進行檢測、分析和統(tǒng)計，以期對后續(xù)環(huán)焊縫缺陷修復(fù)提供參考。

1 試驗材料

本文試驗所用材料為環(huán)焊縫隱患排查時割口的7處存在較大安全隱患的X70環(huán)焊縫，表1列出割口環(huán)焊縫基本信息。割口環(huán)焊縫中，有2處焊口為變壁厚焊口。

表1 環(huán)焊縫基本信息Tab.1 Basic information of girth welds

2 試驗與分析

2.1 幾何尺寸檢測

采用27-MG超聲波測厚儀、壁厚千分尺、焊縫檢驗尺等工具，對7處割口環(huán)焊縫及其上下游管材的幾何尺寸進行測量，其結(jié)果見表2。

表2 環(huán)焊縫及其上下游鋼管幾何尺寸Tab.2 Geometric dimensions of girth weld and its upstream and downstream steel pipes mm

由表2檢測結(jié)果可知，上下游管材的壁厚均滿足Q/SY GJX 0125—2007《西氣東輸二線管道工程用X70直縫埋弧焊管技術(shù)條件》、Q/SY GJX 0127—2007《西氣東輸二線管道工程用X70螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》要求，但大部分環(huán)焊縫的余高和錯邊量均不滿足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。

2.2 無損檢測

依據(jù)SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》，分別采用RT,TOFD和PAUT(相控陣超聲檢測)方法對割口環(huán)焊縫進行無損檢測，檢測結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，發(fā)現(xiàn)的缺陷中，裂紋和未熔合在缺陷總數(shù)中的占比約為69%，未焊透和夾渣占比相對較少。

表3 環(huán)焊縫無損檢測結(jié)果Tab.3 Non-destructive test results of girth welds

2.3 化學成分分析

在7處割口環(huán)焊縫上、下游管材上取樣進行化學成分分析，試驗標準為GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，試驗設(shè)備為ARL4460直讀光譜儀，檢測結(jié)果顯示：所有管材化學成分均滿足相關(guān)標準要求，碳當量CEPcm分布在0.15～0.19區(qū)間，滿足標準規(guī)定的CEPcm≤0.21要求，具有較好的可焊性。

2.4 力學性能

力學性能試驗取樣方法和標準值均參考SY/T 4103—2006《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》和Q/SY GJX 0110—2007進行。

2.4.1 拉伸性能試驗

試驗設(shè)備為SHT4106試驗機，試驗標準為GB/T228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》，試驗結(jié)果統(tǒng)計如圖1所示。由圖1(a)可以看出，所檢環(huán)焊縫的抗拉強度均符合標準要求(≥570 MPa為合格，樣本數(shù)為28個)，抗拉強度值分布在600～680 MPa區(qū)間；由圖1(b)可以看出，同一規(guī)格環(huán)焊縫不同鐘點位置的抗拉強度無顯著差異。

(a)環(huán)焊縫抗拉強度散點分布 (b)不同鐘點位置抗拉強度均值分布

2.4.2 沖擊性能試驗

試驗設(shè)備為PSW750沖擊試驗機，試驗溫度為-20 ℃，試驗結(jié)果統(tǒng)計如圖2所示?？梢钥闯?，對于4種管徑的割口環(huán)焊縫，沖擊功累計不合格率為10.7%(≥56 J為合格，樣本總數(shù)84個)，且均為焊縫金屬處不合格，同規(guī)格環(huán)焊縫熱影響區(qū)沖擊功平均值高于焊縫金屬。

2.4.3 維氏硬度試驗

對環(huán)焊縫進行16點維氏硬度HV10試驗，試驗設(shè)備為KB30BVZ-FA維氏硬度計，試驗結(jié)果統(tǒng)計如圖3所示。由圖3(a)可以看出，環(huán)焊縫的維氏硬度試驗結(jié)果均符合標準要求(≤275HV10)。不同部位的硬度值統(tǒng)計結(jié)果(見圖3(b))顯示，4種規(guī)格環(huán)焊縫呈現(xiàn)基本相同的硬度分布規(guī)律，熱影響區(qū)均存在一定程度的軟化，根焊部位硬度值均低于蓋面焊部位。

(a)環(huán)焊縫沖擊功散點分布 (b)不同鐘點位置沖擊功均值分布

(a)環(huán)焊縫維氏硬度值散點分布

3 裂紋解剖分析

對表3中2#,3#,5#,6#,7#環(huán)焊縫中的5處裂紋進行逐一解剖，結(jié)果顯示：5處裂紋均起源于焊縫根部，且其中4處位于環(huán)焊縫6點鐘附近，如圖4所示?？陀^上講，仰焊是較為困難的一個焊接位置，仰焊時熔池倒懸在焊件下方，焊縫成形困難，容易在焊縫表面產(chǎn)生焊瘤、在背面產(chǎn)生塌陷，還容易出現(xiàn)未焊透、弧坑凹陷等缺欠。另外，熔池尺寸較大，溫度較高，清渣困難，有時易產(chǎn)生層間夾渣。何小東等[13]的研究也證實，長輸管道在環(huán)焊縫6點位置的焊接缺陷遠比其他位置多，這些缺陷在附加應(yīng)力作用下易成為裂紋萌生的根源。

(a)裂紋A

(c)裂紋C

此外，相對于其他鐘點位置，圖4所示4處位置的焊接道層數(shù)明顯較少，焊層厚度明顯較大。目前，管線鋼環(huán)焊縫通常采用多層多道工藝焊接，目的是避免焊接熱輸入過大，減少焊縫高溫停留時間，盡可能降低熱影響區(qū)過熱程度，防止晶粒過渡長大；同時，將焊道進行分層分道焊接能減少焊接變形及焊接收縮量，前道焊縫對后道焊縫起到預(yù)熱作用，后道焊縫對前道焊縫起到熱處理作用，從而改善焊縫的力學性能。圖4中的4處裂紋位置，較少的焊接層道數(shù)可能導(dǎo)致焊縫韌性下降，從而使得裂紋更易形成和擴展。

對表3中2#，3#，5#，6#，7#環(huán)焊縫中的5處裂紋作進一步形貌特征分析，結(jié)果顯示：4處裂紋起源于焊縫根部未熔合、夾渣或孔洞缺陷，占比高達80%，圖4(a)～(c)列出了其中3處；另1處裂紋起源于根焊金屬中線附近，根焊金屬宏觀形貌未見明顯焊接缺陷，但蓋面焊金屬存在尺寸較大的夾渣物，如圖4(d)所示。由于圖4(a)～(c)裂紋具有相似特征，本文僅對裂紋A和裂紋D進行分析。

圖5示出2#環(huán)焊縫裂紋A的缺陷形貌及能譜分析結(jié)果。

圖5 2#環(huán)焊縫裂紋形貌及能譜分析結(jié)果Fig.5 Crack morphology and EDS results of 2# girth weld

從圖5可以看出，該裂紋起源于焊縫根部的未熔合處，其內(nèi)部存在灰色非金屬物質(zhì)，在根焊區(qū)域還存在許多微小的孔洞；由圖5(e)(f)能譜分析結(jié)果可知，裂紋內(nèi)部非金屬物質(zhì)的主要成分為Ti,Si,Mg,Al,Mn等元素，為焊接過程中殘留或未清理的熔渣[14-16]。

由于該環(huán)焊縫6點鐘位置的根焊質(zhì)量較差，存在較多微孔洞，且根焊時熔渣未清理干凈，導(dǎo)致焊接金屬未完全熔合，同時疊加焊縫沖擊韌性較低的材料自身因素，形成了裂紋產(chǎn)生的內(nèi)在原因。根據(jù)文獻[17]，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)組織各不相同是焊縫的薄弱區(qū)域，極易萌生裂紋。此外，該環(huán)焊縫為碰死口，存在較大的拘束應(yīng)力，且裂紋處環(huán)焊縫錯邊量高達4.2 mm，遠遠超過標準≤2 mm的要求，存在較大的應(yīng)力集中，這是促使裂紋產(chǎn)生的外在原因。

5#環(huán)焊縫裂紋D的形成原因與裂紋A,B,C有所不同，其形成的偶然性因素較大。由圖4(d)可以看出，該環(huán)焊縫中存在貫穿蓋面焊的大尺寸夾渣物，將該試樣浸于液氮后沿裂紋錘斷，夾渣物發(fā)生脫落，如圖6(a)所示。經(jīng)測量，夾渣物最深處距外表面約6 mm，由此可知，環(huán)焊縫在該位置的有效承載厚度僅6.5 mm，約為鋼管公稱壁厚(12.5 mm)的一半。該位置有效承載面積的大幅減少，必將導(dǎo)致有效承載面應(yīng)力的大幅增加。此外，裂紋錘斷斷口的掃描電鏡觀察結(jié)果顯示，斷面上存在許多大小不等的氣孔和孔洞，部分氣孔和孔洞位于夾渣物脫落區(qū)正下方，如圖6(b)(c)所示。這些氣孔和孔洞一方面減小了環(huán)焊縫的有效承載面積，另一方面產(chǎn)生了一定程度的應(yīng)力集中。綜上所述，5#環(huán)焊縫焊接質(zhì)量較差，存在大尺寸夾渣以及較多的氣孔和孔洞，導(dǎo)致大尺寸夾渣物所在位置的有效壁厚大幅低于鋼管設(shè)計壁厚，疊加焊接層道數(shù)較少導(dǎo)致沖擊韌性不佳問題，最終促使根焊氣孔(孔洞)在較大應(yīng)力作用下發(fā)生了開裂。

圖6 5#環(huán)焊縫夾渣物及斷口形貌

4 結(jié)論及建議

通過對7處存在較大缺陷的環(huán)焊縫進行檢測和分析，可得到如下結(jié)論和建議。

(1)環(huán)焊縫的抗拉強度均符合標準要求，同一規(guī)格環(huán)焊縫不同鐘點位置的抗拉強度無顯著差異；環(huán)焊縫的沖擊功不合格率約為10.7%，不合格處均出現(xiàn)在焊縫位置；環(huán)焊縫熱影響區(qū)均存在一定程度的軟化，根焊部位硬度值顯著低于蓋面焊位置。

(2)環(huán)焊縫中的主要缺陷是裂紋和未熔合，二者在總?cè)毕輸?shù)中的占比約69%，部分焊縫韌性較低以及根焊產(chǎn)生的未熔合、夾渣、孔洞等缺陷是裂紋產(chǎn)生的內(nèi)在原因，部分焊縫錯邊超差、碰死口強力組對等導(dǎo)致的附加應(yīng)力則是裂紋產(chǎn)生的外在原因。

(3)建議現(xiàn)場施工時嚴格控制焊接層道數(shù)以及層間溫度，確保焊縫韌性符合標準要求；建議加強環(huán)焊縫6點鐘附近的焊接質(zhì)量控制，尤其要避免焊縫根部產(chǎn)生未熔合、夾渣、氣孔等缺陷；變壁厚管材組對焊接時，建議參考ISO 15590-2:2003Petroleumandnaturalgasindustries-Inductionbends,fittingsandflangesforpipelinetransportationsystems-Part2:Fittings中“圖1 不等壁厚焊接接頭坡口設(shè)計”,設(shè)計合適的坡口型式，并在組對時嚴格控制錯邊量。