高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫焊接質(zhì)量問(wèn)題及裂紋形成原因分析

李亮， 黃磊， 聶向暉， 劉迎來(lái)， 張奕

(1.中國(guó)石油集團(tuán)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(guó)內(nèi)自有油氣資源分布區(qū)域以及進(jìn)口油氣資源入境地點(diǎn)距國(guó)內(nèi)主要油氣消費(fèi)市場(chǎng)較遠(yuǎn)，截至2019年，國(guó)內(nèi)已建成近14萬(wàn)公里的長(zhǎng)距離油氣輸送管線[1-2]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)油氣資源需求的日益增長(zhǎng)，越來(lái)越多的油氣輸送管線采用高鋼級(jí)、大口徑、高壓力模式進(jìn)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(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)的高鋼級(jí)管道里程達(dá)3.5萬(wàn)公里，位居世界第一位[5]。隨著國(guó)內(nèi)高鋼級(jí)管道里程的不斷增長(zhǎng)，因管道環(huán)焊縫開(kāi)裂造成的失效事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅著管道的運(yùn)營(yíng)安全。2019年任俊杰等人[6]的研究結(jié)果顯示，國(guó)內(nèi)近10年建設(shè)的高鋼級(jí)、大口徑油氣輸送管線中，在管線建成試壓和投產(chǎn)運(yùn)行初期就發(fā)生了30余起環(huán)焊縫開(kāi)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(jì)了2011～2015年發(fā)生的10起環(huán)焊縫開(kāi)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。可以看出，焊接質(zhì)量問(wèn)題是導(dǎo)致高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫開(kāi)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(wèn)題導(dǎo)致開(kāi)裂的高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)和分析；同時(shí)，通過(guò)裂紋缺陷解剖，重點(diǎn)探討了環(huán)焊縫存在的主要焊接質(zhì)量問(wèn)題，以及4類焊接質(zhì)量問(wèn)題主導(dǎo)的裂紋形成機(jī)理，以期為高鋼級(jí)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(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

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

表1 環(huán)焊縫基本信息

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無(wú)損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)，采用XT1605C型X射線探傷機(jī)對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，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(yàn)收》標(biāo)準(zhǔn)，在環(huán)焊縫無(wú)缺陷處截取并加工力學(xué)試樣。采用SHT4106拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試0點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)焊接位置焊接接頭的拉伸性能，每個(gè)焊接位置取1個(gè)試樣；采用PSW750沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試0點(diǎn)、3點(diǎn)焊接位置焊接接頭在-10 ℃(X70鋼級(jí))和-20 ℃(X80鋼級(jí))的V形缺口夏比沖擊性能，每個(gè)焊接位置取3個(gè)焊縫沖擊試樣和3個(gè)熱影響區(qū)沖擊試樣；采用KB30BVZ-FA維氏硬度計(jì)按照16點(diǎn)壓痕法測(cè)試焊接接頭的硬度分布，每個(gè)環(huán)焊縫取1個(gè)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(cè)器等分析裂紋缺陷的微觀形貌和微區(qū)成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無(wú)損檢測(cè)

表2為環(huán)焊縫的X射線檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)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(dá)83.33%。

表2 環(huán)焊縫X射線檢測(cè)結(jié)果

表2中裂紋缺陷起始位置以環(huán)焊縫焊接時(shí)的時(shí)鐘方向表示，如圖1所示，管道輸送介質(zhì)方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蚶铩?/p>

圖1 環(huán)焊縫焊接時(shí)時(shí)鐘方向示意圖

2.2 力學(xué)性能

圖2為環(huán)焊縫力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果。由圖2a可知，所有環(huán)焊縫不同焊接位置的抗拉強(qiáng)度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求(X70鋼級(jí)≥570 MPa,X80鋼級(jí)≥625 MPa)。由圖2b可知，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)環(huán)焊縫的部分焊縫金屬?zèng)_擊吸收能量不符合標(biāo)準(zhǔn)要求(X70鋼級(jí)單值應(yīng)≥56 J，X80鋼級(jí)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求(X70鋼級(jí)?275 HV10，X80鋼級(jí)?300 HV10)，且1～9號(hào)(非全自動(dòng)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(xué)性能檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖

3 焊接質(zhì)量問(wèn)題及裂紋成因分析

按照前文所述試驗(yàn)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(dǎo)致該批環(huán)焊縫開(kāi)裂的主要焊接質(zhì)量問(wèn)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(cuò)邊量超標(biāo)等6類。其中，焊接道層數(shù)不足、錯(cuò)邊量超標(biāo)，常與其他缺陷疊加促進(jìn)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(wèn)題的1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)環(huán)焊縫，對(duì)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(jìn)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(yáng)等人[8-9]的研究結(jié)果表明，在多層多道焊過(guò)程中，前一道(層)焊縫可為后一道(層)焊縫起到預(yù)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(jìn)而能夠有效改善焊縫組織、提高焊縫力學(xué)性能。其次，焊接道層數(shù)不足的環(huán)焊縫，焊接道層相對(duì)較厚，這意味著焊接時(shí)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(shí)，焊縫高溫停留時(shí)間變長(zhǎng)，晶?？焖匍L(zhǎng)大，甚至可能出現(xiàn)過(guò)熱組織，焊縫的強(qiáng)度和韌性相對(duì)于小焊接熱輸入較差?？梢?jiàn)，采取合理的焊接層道數(shù)對(duì)于保障焊縫沖擊韌性至關(guān)重要。

文中根據(jù)主導(dǎo)環(huán)焊縫產(chǎn)生裂紋的焊接質(zhì)量問(wèn)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(jī)理。

3.1 根焊內(nèi)表面缺陷導(dǎo)致的開(kāi)裂

表3中1～5號(hào)環(huán)焊縫的開(kāi)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(kāi)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(hào)、2號(hào)環(huán)焊縫)，它們?cè)诟郊討?yīng)力作用下發(fā)生連通開(kāi)裂；另一類為不等壁厚對(duì)接環(huán)焊縫根焊焊趾處過(guò)渡不圓滑形成的尖銳溝槽(1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)環(huán)焊縫)，這類缺陷(欠)存在較大的應(yīng)力集中，它們?cè)诟郊討?yīng)力作用下容易從溝槽尖端發(fā)生開(kāi)裂擴(kuò)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(cuò)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(hào)環(huán)焊縫裂紋截面處的缺陷形貌。

圖3 1號(hào)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(dǎo)致的開(kāi)裂

由表3可知，6～8號(hào)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(kāi)裂。根據(jù)GB/T 6417.1—2005標(biāo)準(zhǔn)，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(huì)明顯減小承載橫截面，其端部常常還存在較為狹窄細(xì)長(zhǎng)的縫隙，應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，此時(shí)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(hào)環(huán)焊縫裂紋截面處的缺陷形貌。

圖4 6號(hào)環(huán)焊縫裂紋截面處缺陷形貌

3.3 根焊硫元素偏析導(dǎo)致的開(kāi)裂

表3中9號(hào)環(huán)焊縫出現(xiàn)的裂紋為根焊金屬中硫元素偏析導(dǎo)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(guò)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(bǔ)充不足，低熔點(diǎn)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(kāi)裂[14-15]。在焊縫凝固過(guò)程中，高熔點(diǎn)組元總是優(yōu)先于低熔點(diǎn)組元發(fā)生結(jié)晶。隨著焊縫內(nèi)部柱狀晶的不斷長(zhǎng)大，固液界面持續(xù)向焊縫中心線推進(jìn)；此時(shí)，若焊縫中硫、磷等元素含量較高，它們形成的大量低熔點(diǎn)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(kāi)裂。圖5列出了9號(hào)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(hào)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(lái)銅污染導(dǎo)致的開(kāi)裂

表3中10～12號(hào)環(huán)焊縫均采用實(shí)心焊絲氣體保護(hù)自動(dòng)焊工藝成形，3處環(huán)焊縫坡口處均發(fā)現(xiàn)了因外來(lái)銅污染導(dǎo)致的熔銅開(kāi)裂。現(xiàn)場(chǎng)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(lái)源于銅質(zhì)導(dǎo)電嘴與坡口接觸時(shí)發(fā)生的短路熔化，由于現(xiàn)場(chǎng)焊接人員未及時(shí)發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題或未及時(shí)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(guò)程中與焊絲一起熔入了填充焊金屬中，同時(shí)，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(kuò)散。圖6列舉了10號(hào)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(hào)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(kāi)裂位置位于仰焊區(qū)域，占比高達(dá)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(qiáng)度、維氏硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)環(huán)焊縫開(kāi)裂的焊接質(zhì)量問(wèn)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(cuò)邊量超標(biāo)常與上述缺陷疊加促進(jìn)裂紋形成。

(4)建議：①嚴(yán)格按照焊接工藝要求控制焊接層道數(shù)；②加強(qiáng)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(dòng)焊應(yīng)控制好導(dǎo)電嘴位置，避免與坡口接觸發(fā)生短路。