X80M鋼螺旋埋弧焊管自動焊對接環(huán)焊縫出現(xiàn)裂紋的原因

李 亮，黃 磊，劉 隴，豐振軍，許 彥，白 強(qiáng)，聶向暉

(1.中國石油集團(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；3.國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司，成都 610095)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，迄今為止我國已建成的X80鋼級管道里程已接近17 000 km，是世界上生產(chǎn)、應(yīng)用X80鋼級管材最多的國家[1-2]。隨著越來越多的高鋼級管道投入運(yùn)行，近年來因管道環(huán)焊縫失效導(dǎo)致的安全事故時有發(fā)生。2011年3月至6月，西二線連續(xù)發(fā)生4起較為嚴(yán)重的環(huán)焊縫泄漏事故；2013年4月29日和2016年2月4日，中貴線先后在投產(chǎn)過程和運(yùn)營3 a后發(fā)生環(huán)焊縫泄漏事故；2017年7月2日和2018年6月10日，中緬天然氣管道(國內(nèi)段)相繼發(fā)生2起較大規(guī)模泄漏燃爆事故，且發(fā)生事故的2處環(huán)焊縫相距不到2 km；2019年3月20日，泰青威天然氣管道發(fā)生泄漏燃爆事故[3-4]。這些失效事故造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響，如何保障環(huán)焊縫質(zhì)量已成為高鋼級管道安全運(yùn)行的一個重要課題[5-6]。

自2017年起，我國各大管道公司陸續(xù)投入大量人力、物力、財力用于高鋼級管道環(huán)焊縫質(zhì)量排查和隱患治理工作，對存在裂紋缺陷的環(huán)焊縫全部實施了換管或加裝B型套筒進(jìn)行永久修復(fù)[7-8]。在某X80鋼管道隱患排查過程中，檢測公司發(fā)現(xiàn)某標(biāo)段同一自動焊機(jī)組焊接的2處環(huán)焊縫處出現(xiàn)埋藏型裂紋缺陷，所屬管道公司隨后對其進(jìn)行了割口換管處理。上述2處環(huán)焊縫間隔僅588 m，均位于林地之中，所處位置非地質(zhì)災(zāi)害區(qū)、非高后果區(qū)。2處環(huán)焊縫的上、下游管材均為管徑1 219 mm、壁厚18.4 mm的X80M鋼螺旋縫埋弧焊管，焊接方式均為實心焊絲氣體保護(hù)自動焊，焊口類型均為普通焊口。為進(jìn)一步驗證缺陷類型并分析缺陷的形成原因，作者對上述2處環(huán)焊縫進(jìn)行了失效分析，以期為后續(xù)環(huán)焊縫自動焊質(zhì)量的控制提供參考和建議。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 無損檢測

將2處環(huán)焊縫去除防腐層后，焊縫內(nèi)、外表面均未見宏觀缺陷。按照SY/T 4109—2013，采用射線中心透照法對2處環(huán)焊縫進(jìn)行無損檢測，發(fā)現(xiàn)2處環(huán)焊縫中的缺陷均為裂紋缺陷，裂紋長度分別為10，13 mm，將其所在的環(huán)焊縫分別標(biāo)記為1#和2#環(huán)焊縫，如圖1所示。

圖1 裂紋缺陷位置示意Fig.1 Schematic of crack location: (a) 1# girth weld and (b) 2# girth weld

1.2 化學(xué)成分

按照GB/T 4336—2016，采用ARL4460型直讀光譜儀對2處環(huán)焊縫無缺陷部位及其上、下游管材的化學(xué)成分進(jìn)行分析。由表1可以看出：所有管材的化學(xué)成分均滿足CDP-S-NGP-PL-006-2014-3技術(shù)規(guī)格書要求；4處管材的碳當(dāng)量均為0.18%，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定碳當(dāng)量不大于0.23%的要求，說明管材具有較好的焊接性；環(huán)焊縫無缺陷部位及上、下游管材中的銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值0.30%。

表1 失效環(huán)焊縫及其附近管材的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of failed girth weld and nearby pipes %

1.3 力學(xué)性能

按照Q/SY GJX 0110—2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的取樣位置和試驗方法，在環(huán)焊縫無缺陷部位截取拉伸、沖擊、硬度、彎曲試樣并進(jìn)行試驗。拉伸試樣平面尺寸為230 mm×25 mm，試樣厚度為壁厚，采用SHT4106型拉伸試驗機(jī)測試?yán)煨阅埽鞈?yīng)變速率為0.000 25 s-1。測得1#環(huán)焊縫0～3點、3～6點、6～9點、9～0點位置的抗拉強(qiáng)度分別為700,708,712,699 MPa，2#環(huán)焊縫相同位置的抗拉強(qiáng)度分別為692,671,692,669 MPa，均滿足Q/SY GJX 0110—2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定X80M鋼環(huán)焊縫抗拉強(qiáng)度不低于625 MPa的要求。在環(huán)焊縫的0點、3點位置附近的焊縫和熱影響區(qū)分別截取3個夏比V型缺口沖擊試樣，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，采用PSW750型沖擊試驗機(jī)進(jìn)行低溫沖擊試驗，試驗溫度為-10 ℃。由表2可以看出：不同環(huán)焊縫的-10 ℃沖擊功均滿足Q/SY GJX 0110—2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定單個測試值不低于60 J，平均值不低于80 J的要求。采用KB30BVZ-FA型維氏硬度計在Q/SY GJX 0110—2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓痕位置測環(huán)焊縫的顯微硬度，載荷為98.07 N，保載時間為15 s。1#環(huán)焊縫的硬度測試值分別為241，261，236，275，279，248，250，263，225，269，270，288，291，245，253，234 HV，2#環(huán)焊縫的硬度測試值分別為238，249，227，265，253，260，250，243，242，247，269，288，281，234，250，241 HV，滿足Q/SY GJX 0110—2007標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定硬度不高于300 HV的要求。在環(huán)焊縫0～3點、3～6點、6～9點、9～0點位置分別截取2個平面尺寸為230 mm×13 mm的彎曲試樣，試樣厚度為壁厚，采用WZW-1000型彎曲試驗機(jī)進(jìn)行彎曲試驗，彎軸直徑為90 mm，試樣均未出現(xiàn)開裂。

表2 不同環(huán)焊縫不同位置處的-10 ℃沖擊功Table 2 -10 ℃ impact energy at different positions of different girth welds J

1.4 顯微組織

在1#、2#環(huán)焊縫無缺陷部位的根焊、填充焊、蓋面焊、熔合區(qū)、細(xì)晶區(qū)位置分別截取金相試樣，利用OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡觀察顯微組織。由表3可知，環(huán)焊縫無缺陷部位的組織均無異常，符合常規(guī)技術(shù)要求。

表3 不同環(huán)焊縫無缺陷部位的顯微組織Table 3 Microstructure of part without defect of different girth welds

1.5 斷口形貌

根據(jù)無損檢測結(jié)果，將1#、2#環(huán)焊縫中的裂紋處沿橫截面剖開并制備試樣，用蘸有體積分?jǐn)?shù)5%硝酸酒精溶液的棉球先擦拭試樣3 s，然后在體積分?jǐn)?shù)5%硝酸酒精溶液中浸泡15 s后，采用Smart Zoom5型超景深光學(xué)數(shù)碼顯微鏡觀察宏觀形貌。由圖2可知：1#、2#環(huán)焊縫中均存在多處裂紋，主裂紋主要沿著填充焊左、右兩側(cè)坡口熔合線分布，支裂紋則從主裂紋起向焊縫金屬內(nèi)部擴(kuò)展；2#環(huán)焊縫打底焊與填充焊交界處存在1處未熔合缺陷。經(jīng)硝酸酒精溶液腐蝕15 s后，1#、2#環(huán)焊縫中的裂紋及其周圍填充焊區(qū)域變?yōu)辄S色或黑色，與其他部分的顏色形成明顯反差，此時裂紋缺陷在低倍形貌中已較難進(jìn)行辨識。

圖2 1#和2#環(huán)焊縫裂紋處腐蝕不同時間后的橫截面宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of cross section at cracks in 1# (a—b) and 2# (c—d) girth welds after etching for different times

采用OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡對1#、2#環(huán)焊縫中裂紋的微觀形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)左、右兩側(cè)熔合線處的裂紋具有相似的形貌特征，因此僅選取左側(cè)裂紋進(jìn)行分析。由圖3可以看出，主裂紋分布在熔合線附近，多處支裂紋發(fā)源于主裂紋邊緣并向焊縫金屬內(nèi)部擴(kuò)展，同時裂紋內(nèi)部局部存在紫紅色異物；除焊縫內(nèi)部存在紫紅色異物外，部分紫紅色異物還從裂紋邊緣沿著兩側(cè)晶界發(fā)生擴(kuò)散，形成了較為粗大的晶界，局部晶界出現(xiàn)了沿晶開裂。

圖3 1#和2#環(huán)焊縫裂紋處腐蝕15 s后的橫截面局部顯微組織Fig.3 Local microstructure of cross section of cracks in 1# (a—c) and 2# (d—f) girth welds after etching for 15 s: (a,d) main crack tip and (b—c, e—f) local area of main crack

采用SU3500 HITACHI型掃描電鏡的背散射電子成像技術(shù)結(jié)合能譜儀(EDS)對紫紅色異物的形貌和微區(qū)成分進(jìn)行分析。由圖4可知：1#環(huán)焊縫的紫紅色異物在背散射電子形貌中呈現(xiàn)為亮度較高的灰白色，說明紫紅色異物的原子序數(shù)比基體鐵的原子序數(shù)大；裂紋內(nèi)部及裂紋兩側(cè)晶界上的紫紅色異物為銅，部分銅沿著裂紋邊緣向母材晶界和焊縫晶界發(fā)生了擴(kuò)散。

圖4 圖3(c)局部區(qū)域的背散射電子圖像及EDS譜和元素面掃描結(jié)果Fig.4 Backscattered electron image (a), EDS spectrum (b—c) and elemental surface scanning results (d) of local area in Fig.3(c): (b) position 1 and position 2 and (c) position 3 and position 4

由圖5可知：2#環(huán)焊縫的背散射電子形貌中亮度較高的灰白色區(qū)域為紫紅色異物，主要分布在裂紋內(nèi)部及靠近裂紋的母材晶界處；裂紋內(nèi)部及母材晶界上的紫紅色異物為銅。

圖5 圖3(f)局部區(qū)域的背散射電子形貌及EDS譜和元素面掃描結(jié)果Fig.5 Backscattered electron image (a), EDS spectrum (b—c) and elemental surface scanning results (d) of local area in Fig.3(f): (b) position 5 and position 6 and (c) position 7 and position 8

對環(huán)焊縫裂紋其他位置進(jìn)行了背散射電子成像及EDS元素面掃描分析。由圖6和圖7可知，1#、2#環(huán)焊縫中其他位置銅異物的分布規(guī)律與圖4和圖5的結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗證了1#、2#環(huán)焊縫裂紋內(nèi)部及裂紋兩側(cè)晶界上存在銅富集區(qū)。

圖6 1#環(huán)焊縫裂紋處其他位置的背散射電子形貌及元素面掃描結(jié)果Fig.6 Backscattered electron image (a, c) and elemental surface scanning results (b, d) at other positions of 1# girth weld crack: (a—b) area 1 and (c—d) area 2

圖7 2#環(huán)焊縫裂紋處其他位置的背散射電子形貌及元素面掃描結(jié)果Fig.7 Backscattered electron image (a, c) and elemental surface scanning results (b, d) at other positions of 2# girth weld crack: (a—b) area 3 and (c—d) area 4

2 開裂原因分析

由上述檢驗結(jié)果可知，環(huán)焊縫的力學(xué)性能均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且顯微組織未見異常，同時未見銅含量異常偏高現(xiàn)象。環(huán)焊縫裂紋橫截面處均存在2處沿填充焊左、右兩側(cè)坡口熔合線分布的主裂紋，以及多處起始于主裂紋并向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展的支裂紋。裂紋內(nèi)部以及母材和焊縫晶界處存在紫紅色異物銅。環(huán)焊縫裂紋橫截面試樣在硝酸酒精溶液中腐蝕后，裂紋及其周圍填充焊區(qū)域變?yōu)辄S色或黑色這一現(xiàn)象，也間接證明了裂紋內(nèi)部及其周圍存在銅。當(dāng)基體鐵與其內(nèi)部熔入的銅接觸稀硝酸時，鐵與銅均與稀硝酸發(fā)生反應(yīng)，分別生成Fe(NO3)3和Cu(NO3)2，由于鐵過量而銅較少，生成的Cu(NO3)2重新被鐵置換還原為銅，黃色的銅附著在其表面，部分銅隨后被氧化變?yōu)楹谏腃uO，因此裂紋及其周圍填充焊區(qū)域呈黃色或黑色。

鑒于上述檢驗結(jié)果，對環(huán)焊縫中的銅來源進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研。據(jù)相關(guān)人員反映，該標(biāo)段環(huán)焊縫均采用實心焊絲氣體保護(hù)自動焊工藝進(jìn)行焊接，部分環(huán)焊縫焊接時存在銅質(zhì)導(dǎo)電嘴燒損熔化現(xiàn)象。銅質(zhì)導(dǎo)電嘴發(fā)生局部燒損的原因：環(huán)焊縫坡口較窄，焊槍在填充焊時的擺動過程中，銅質(zhì)導(dǎo)電嘴與焊縫坡口接觸而發(fā)生了短路，瞬間形成的大電流產(chǎn)生的高溫迅速將導(dǎo)電嘴與坡口接觸部分金屬熔化。同時，操作人員可能未及時發(fā)現(xiàn)該問題或未及時將凝固在坡口的銅清理干凈，最終導(dǎo)致外來的銅殘留在了填充焊熔合線處。

綜上所述，環(huán)焊縫中的埋藏型裂紋是由于銅質(zhì)導(dǎo)電嘴與焊縫坡口接觸發(fā)生短路燒損致使銅熔入焊縫坡口所致，這一現(xiàn)象在自動焊過程中較為常見，且在1984年就有文獻(xiàn)對該現(xiàn)象進(jìn)行了公開報道[9]。此外，當(dāng)溫度達(dá)到低熔點金屬熔點溫度的2/3甚至1/2時，在拉應(yīng)力作用下，低熔點金屬就會沿晶界擴(kuò)散進(jìn)入金屬內(nèi)部致使脆化而逐漸形成裂紋[10-13]。銅是一種低熔點金屬，其熔點為1 083 ℃，而焊接時熔池溫度為(1 770±100)℃，近焊縫區(qū)溫度通常在1 350 ℃以上[14]。在環(huán)焊縫的填充焊過程中，環(huán)焊縫坡口處凝固的銅熔化并沿晶界發(fā)生高溫擴(kuò)散，在隨后蓋面焊過程中，熔入填充焊熔合線處的銅再次受熱升溫甚至熔化，在焊縫殘余拉應(yīng)力的作用下[15]，銅沿母材和焊縫晶界發(fā)生擴(kuò)散，最終在晶界處形成銅富集區(qū)，導(dǎo)致晶界脆化并產(chǎn)生裂紋，最終發(fā)生熔銅開裂。

3 結(jié)論及措施

(1) X80M鋼螺旋縫埋弧焊管自動焊對接環(huán)焊縫填充焊左、右兩側(cè)坡口熔合線處存在埋藏型裂紋，在填充焊過程中，銅質(zhì)導(dǎo)電嘴與焊縫坡口接觸導(dǎo)致短路，短路電流產(chǎn)生的高溫使導(dǎo)電嘴與坡口接觸部分熔化，隨后熔合在坡口處的金屬銅隨焊絲一起熔入到環(huán)焊縫填充焊金屬中，并沿母材和焊縫晶界發(fā)生擴(kuò)散而形成銅富集區(qū)，最終導(dǎo)致環(huán)焊縫發(fā)生了熔銅開裂。

(2) 建議環(huán)焊縫自動焊過程中密切關(guān)注銅質(zhì)導(dǎo)電嘴的位置，防止導(dǎo)電嘴與坡口接觸發(fā)生短路導(dǎo)致其熔化，進(jìn)而引起環(huán)焊縫熔銅開裂。