壓氣站X70鋼管與A694F60材質(zhì)閥門對(duì)接焊縫裂紋成因分析

張冰

大慶油田有限責(zé)任公司采油一廠油田管理部

隨著我國(guó)天然氣產(chǎn)量和需求的不斷提升，我國(guó)天然氣管道、壓氣站也逐步進(jìn)入建設(shè)高峰期。壓氣站及管道作為天然氣傳輸系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，有著特別重要的作用[1-2]。其中，焊接接頭由母材、焊縫和熱影響區(qū)組成，各部分理化性能都存在一定的差異性和不確定性，同時(shí)由于焊接工藝、焊材、強(qiáng)度匹配、不等壁厚等因素的影響，造成焊接結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性[3-5]。而鋼制管道在出廠前已經(jīng)進(jìn)行了相應(yīng)的質(zhì)量檢驗(yàn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于環(huán)焊縫，因此，環(huán)焊縫是壓氣站內(nèi)管線結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

某壓氣站在運(yùn)行兩年后的定期檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)某環(huán)焊縫處有多個(gè)表面裂紋。通過(guò)對(duì)該壓氣站環(huán)焊縫及其裂紋的成因開展分析，為壓氣站內(nèi)管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。

1 管道裂縫及檢測(cè)

1.1 宏觀分析

壓氣站內(nèi)管道設(shè)計(jì)壓力12.0 MPa，工作壓力為8.6 MPa，環(huán)焊縫上游側(cè)為Φ914 mm×30 mm X70直縫埋弧焊鋼管，下游側(cè)為36 in×30 in Class900 止回閥，閥體材質(zhì)為A694F60。裂紋表面經(jīng)過(guò)打磨去除焊縫余高后裂紋仍未消除，說(shuō)明裂紋深度較深（圖1）。另外，從環(huán)焊縫內(nèi)表面可以發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫存在補(bǔ)焊痕跡（圖2）。

圖1 打磨后的部分裂紋宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of some cracks after grinding

圖2 環(huán)焊縫內(nèi)表面補(bǔ)焊Fig.2 Repair welding for inner surface of girth weld

1.2 磁粉檢測(cè)

采用CJZ-212E 磁粉探傷儀，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E709-2015《磁粉檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)指南》對(duì)環(huán)焊縫內(nèi)、外表面進(jìn)行磁粉檢驗(yàn)[6]，僅從外表面檢測(cè)出6 處裂紋，其中1#～3#裂紋位置位于焊縫中心，4#、5#裂紋位于閥門側(cè)焊趾處，6#裂紋位于焊縫中心。裂紋具體尺寸見(jiàn)表1，裂紋位置和外觀形貌如3、圖4所示。

表1 環(huán)焊縫外表面磁粉檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Magnetic particle testing results of outer surface of girth weld

圖3 裂紋位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of crack location

圖4 環(huán)焊縫裂紋外觀形貌Fig.4 Girth weld crack appearance

2 環(huán)焊縫性能檢驗(yàn)

為分析環(huán)焊縫的整體性能，對(duì)不含裂紋的環(huán)焊縫區(qū)域進(jìn)行化學(xué)成分、拉伸性能、彎曲性能、刻槽錘斷、夏比沖擊性能、金相分析等性能指標(biāo)檢測(cè)，具體取樣位置如圖5所示。

圖5 環(huán)焊縫取樣位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of girth weld sampling position

2.1 化學(xué)成分分析

采用ARL 4460 直讀光譜儀，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》進(jìn)行化學(xué)成分分析，測(cè)試位置為填充焊區(qū)域，分析結(jié)果見(jiàn)表2，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。

表2 環(huán)焊縫化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of chemical composition of girth weld 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

2.2 拉伸性能

采用UTM5305 材料試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370—2018《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行拉伸性能檢測(cè)，縱向拉伸試樣的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3 可以看出，環(huán)焊縫抗拉強(qiáng)度大于低鋼級(jí)側(cè)閥門母材的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值下限，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[8]。

表3 環(huán)焊縫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Tensile property test results of girth weld

2.3 彎曲試驗(yàn)

采用WZW-1000 彎曲試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GJX 0221—2012《某站場(chǎng)管道焊接技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行側(cè)彎?rùn)z測(cè)，環(huán)焊縫未出現(xiàn)裂紋。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 環(huán)焊縫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of girth weld bending test

2.4 刻槽錘斷試驗(yàn)

采用SHT4106 材料試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GJX 0221—2012《站場(chǎng)管道焊接技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行刻槽錘斷檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，斷口未出現(xiàn)超標(biāo)缺陷，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 刻槽錘斷試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of grooving hammer breaking test

2.5 夏比沖擊性能

采用ZBC2752-B沖擊試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370—2018《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》對(duì)環(huán)焊縫中心及熱影響區(qū)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，縱向沖擊試樣的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。從表6 可以看出，環(huán)焊縫及熱影響區(qū)夏比沖擊性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。

表6 環(huán)焊縫及熱影響區(qū)夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Charpy impact test results of girth weld and heat affected zone

2.6 金相分析

采用OLS 4100 激光共聚焦顯微鏡，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行宏觀低倍照片和微觀金相組織分析[9]。結(jié)果表明，未開裂焊縫處存在多種組織，其中打底焊組織為多邊形鐵素體+珠光體（PF+P），蓋面焊組織和填充焊組織均為針狀鐵素體+貝氏體+多邊形鐵素體（IAF+B粒+PF），熔合區(qū)組織為貝氏體（B粒），細(xì)晶區(qū)組織為多邊形鐵素體+馬奧島（PF+MA）。

未開裂焊縫處低倍金相照片如圖6 所示[10]。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)焊縫內(nèi)表面存在錯(cuò)邊，根焊處有咬邊。閥門側(cè)坡口約為22°，袖管側(cè)坡口約為26°，總計(jì)為48°，即坡口角度約為48°，閥門側(cè)外坡口處壁厚約55 mm。由于焊接工藝規(guī)程中規(guī)定坡口角度為60°±5°，因此與焊接工藝規(guī)程不符。

圖6 未開裂焊縫處低倍金相照片F(xiàn)ig.6 Low magnification metallographic photos of uncracked welds

3 環(huán)焊縫裂紋分析

3.1 化學(xué)成分分析

采用ARL 4460 直讀光譜儀，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》對(duì)1#～6#裂紋處焊縫填充焊進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表7[11]。

表7 裂紋處焊縫化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.7 Analysis results of chemical composition of weld at cracks 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

3.2 裂紋處焊縫硬度分析

采用KB 30BVZ-FA 硬度計(jì)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92—2017《金屬材料維氏硬度和努氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》對(duì)1#～6#裂紋處環(huán)焊縫進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，測(cè)試位置如圖7 所示，結(jié)果見(jiàn)表8[12]。硬度測(cè)試結(jié)果為166～306 HV10，其中1#、3#裂紋處根焊硬度相對(duì)較高，為299～306 HV10。

表8 裂紋處焊縫維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Vickers hardness test results of welds at cracks HV10

圖7 焊縫區(qū)域維氏硬度測(cè)試位置Fig.7 Vickers hardness test position in weld area

3.3 裂紋金相形貌及掃描電鏡分析

采用OLS 4100 激光共聚焦顯微鏡，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)1#～6#裂紋試樣進(jìn)行宏觀形貌和金相組織分析[12]。焊縫低倍金相照片如圖8 所示，可以看出，1#～6#裂紋處焊縫均存在返修痕跡。焊縫層數(shù)分析結(jié)果見(jiàn)表9，焊縫層數(shù)包括根焊、填充焊、蓋面焊三個(gè)部分，1#～6#裂紋處焊縫層數(shù)與未開裂焊縫處一致，均滿足焊接工藝規(guī)程要求。但填充焊層內(nèi)焊道數(shù)存在差異，1#、4#、6#裂紋處填充焊層內(nèi)焊道為1～2道，與未開裂焊縫處相似，2#、3#、5#裂紋處填充焊層內(nèi)焊道為4～6 道，與未開裂焊縫處不同。此外，1#～6#裂紋處存在不同程度的錯(cuò)邊，1#、6#裂紋處錯(cuò)邊量超過(guò)焊接工藝規(guī)程要求。

表9 焊縫層數(shù)及錯(cuò)邊分析結(jié)果Tab.9 Analysis results of weld layers and unfitness

圖8 焊縫低倍金相照片F(xiàn)ig.8 Low magnification metallographic photos of welds

1#～6#裂紋按位置特征可分為兩類，1#、2#、3#、6#裂紋位于焊縫中心，4#、5#位于閥門側(cè)熱影響區(qū)。裂紋處焊縫金相組織分析見(jiàn)表10，1#、2#、3#、6#裂紋處根焊位置組織與填充焊相同，是由補(bǔ)焊導(dǎo)致的。

表10 裂紋處環(huán)焊縫試樣金相分析結(jié)果Tab.10 Metallographic analysis results of girth weld sample at cracks

3.4 焊縫中心裂紋分析

3.4.1 金相分析

由于1#、2#、3#、6#裂紋具有相似形貌特征，以1#裂紋為例進(jìn)行分析，裂紋形貌如圖9所示。裂紋寬度自外表面向壁厚中心逐漸減小，表明裂紋由外表面向內(nèi)部擴(kuò)展。裂紋多存在于粗大晶粒區(qū)域和柱狀晶邊界，局部可見(jiàn)明顯的沿晶斷裂特征（圖10）。晶粒直徑約在107～334 μm 區(qū)間（圖9b）。柱狀晶粒長(zhǎng)度超過(guò)800 μm，表明焊接熱輸入量較大，焊接熱影響現(xiàn)象明顯（圖9c）。裂紋末端存在疏松組織（圖9d）。

圖9 1#裂紋金相形貌圖Fig.9 1#crack metallographic morphology

圖10 1#裂紋局部沿晶斷裂Fig.10 1#crack local intergranular fracture

3.4.2 掃描電鏡

采用TESCAN VEGAⅡ掃描電鏡對(duì)1#裂紋形貌進(jìn)行觀察，裂紋曲折傳播，裂紋中部和裂紋末端疏松組織均存在表面光滑、顆粒狀枝晶間斷裂形貌，是典型的焊接熱裂紋特征，為焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊接缺陷。裂紋中的其他部位寬度較小，為擴(kuò)展裂紋（圖11）。

圖11 1#焊縫外表面裂紋電鏡掃描形貌Fig.11 1#SEM appearance of cracks on the outer surface of welds

3.4.3 斷口分析

將1#試樣沿裂紋打開，其形貌如圖12所示。

圖12 1#裂紋斷面宏觀形貌Fig.12 Macro morphology of 1#crack fracture

對(duì)斷面進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析（圖13），斷面存在兩種斷口特征，一種為河流花樣的解理（圖13b）和準(zhǔn)解理（圖13c）形貌，主要由Fe、O元素組成；另一種是位于裂紋端部的顆粒狀枝晶間斷裂形貌（圖13d），主要由Fe、O、C元素組成。

圖13 裂紋斷口掃描電鏡和能譜分析Fig.13 SEM and energy spectnum analysis of crack fracture

3.5 閥門側(cè)焊趾處裂紋分析

3.5.1 金相分析

4#、5#裂紋具有相似的形貌特征，以4#裂紋為例進(jìn)行分析（圖14a），裂紋位于閥門側(cè)熱影響區(qū)近外表面，沿?zé)嵊绊憛^(qū)擴(kuò)展。裂紋深入母材端呈尖端形貌（圖14b），因此推斷蓋面焊處為裂紋源，向內(nèi)部擴(kuò)展。熱影響區(qū)存在馬氏體組織（圖14c），馬氏體組織的出現(xiàn)表明焊接冷速較快。此外，4#、5#裂紋處熱影響區(qū)均存在魏氏組織（WF），魏氏組織的出現(xiàn)表明該區(qū)域焊接熱輸入量較大（圖15）。

圖14 4#裂紋金相形貌Fig.14 4#crack metallographic appearance

圖15 4#、5#裂紋處焊縫熱影響區(qū)組織Fig.15 4#and 5#crack HAZ structure

3.5.2 硬度分析

對(duì)馬氏體組織進(jìn)行硬度檢測(cè)，測(cè)試位置如圖16 所示，兩處硬度分別為385 HV10、389 HV10，硬度較高。

3.5.3 斷口分析

對(duì)4#裂紋斷口形貌進(jìn)行掃描電鏡觀察（圖17）可以看出，斷口平齊，呈存在少量韌窩準(zhǔn)解理斷裂形貌。

圖17 4#裂紋斷口形貌Fig.17 4#crack fracture morphology

4 檢測(cè)結(jié)果分析

1#、2#、3#、6#裂紋均位于焊縫中心，具有相似的形貌特征，裂紋中部和裂紋末端存在疏松組織和顆粒狀枝晶間斷裂形貌，是典型的焊接熱裂紋特征，為焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊接缺陷。斷口呈解理和準(zhǔn)解理斷口特征。經(jīng)過(guò)能譜分析發(fā)現(xiàn)，裂紋表面顆粒狀物質(zhì)主要由Fe、O元素組成。開裂處焊縫填充層金相組織特征不同于未開裂焊縫，存在明顯多道次返修痕跡，造成焊接熱輸入量較大和不連續(xù)焊接熱裂紋，焊接熱裂紋破壞了焊縫金屬的連續(xù)性，且坡口角度、坡口形式與焊接工藝規(guī)程不符，存在明顯應(yīng)力集中，在內(nèi)壓、焊接殘余應(yīng)力等載荷作用下連接貫通。

4#、5#裂紋均位于閥門側(cè)焊趾處，具有相似的形貌特征，裂紋均由外表面向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋附近存在馬氏體，硬度較高，斷口表面平齊，為典型的準(zhǔn)解理脆性斷口，馬氏體等組織是4#、5#裂紋產(chǎn)生的主要原因。

5 結(jié)論及建議

（1）該壓氣站管道環(huán)焊縫坡口角度、坡口形式與焊接工藝規(guī)程不符，開裂處焊縫存在多道次返修痕跡，破壞了焊縫金屬連續(xù)性，造成此處金屬較為薄弱。因此，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大壁厚、多層、多道次焊接時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程執(zhí)行。

（2）部分裂紋是由外表面向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋附近存在馬氏體等硬脆組織，在內(nèi)壓、焊接殘余應(yīng)力等載荷作用下開裂并擴(kuò)展。后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)排查該壓氣站其他閥門對(duì)接環(huán)焊縫外表面裂紋。