高鋼級管道環(huán)焊縫裂紋失效分析

雷錚強， 戴聯(lián)雙， 王富祥， 王維斌， 馮慶善

(1.國家管網(wǎng)集團科學(xué)技術(shù)研究總院分公司，河北 廊坊 065000；2.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司，北京 100013)

創(chuàng)新點： 首次系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)前國內(nèi)含裂紋缺陷的環(huán)焊縫失效分析流程和結(jié)果，揭示了環(huán)焊縫裂紋缺陷出現(xiàn)的現(xiàn)象和規(guī)律，并針對新建管道和在役管道環(huán)焊縫開裂失效分別提出了針對性安全管控措施建議。

0 前言

隨著國內(nèi)油氣管道環(huán)焊縫安全質(zhì)量風(fēng)險排查工作[1-3]的深入開展，國內(nèi)相關(guān)管道業(yè)主單位首次面臨環(huán)焊縫裂紋失效形成機制不清楚，防范管控措施不明確等技術(shù)和管理難題。在此情況下，數(shù)十道含裂紋缺陷的環(huán)焊縫割口被送檢，進行失效分析和裂紋成因調(diào)查。目前國內(nèi)絕大多數(shù)環(huán)焊縫裂紋缺陷出現(xiàn)在X70及X80等高鋼級輸氣管道，其失效分析內(nèi)容主要側(cè)重裂紋缺陷的檢測與驗證、管材及環(huán)焊縫理化性能檢驗、金相觀察及裂紋斷口分析，以及裂紋成因分析等方面。基于當(dāng)前含裂紋缺陷環(huán)焊縫的失效分析技術(shù)現(xiàn)狀和結(jié)果，文中進行統(tǒng)計分析和存在問題梳理，歸納總結(jié)失效因素和結(jié)論，為環(huán)焊縫失效分析和管理深化提供參考依據(jù)。

1 含裂紋缺陷的環(huán)焊縫排查結(jié)果概述

據(jù)不完全統(tǒng)計，已開挖2萬余道環(huán)焊縫中，通過無損檢測發(fā)現(xiàn)含裂紋缺陷的環(huán)焊縫500余道，且裂紋缺陷主要集中在X70和X80等高鋼級、大口徑輸氣管道。如圖1所示，大口徑管道主要是以西二線和中緬等天然氣管道為代表的OD1219和OD1016 2種管徑，主要涉及X80和X70 2種管材，其天然氣管道上發(fā)現(xiàn)的含裂紋缺陷環(huán)焊縫占比超過98%。因此，大口徑、高鋼級輸氣管道是環(huán)焊縫裂紋成因和失效風(fēng)險管控的重點對象。

圖1 含裂紋缺陷環(huán)焊縫的分類統(tǒng)計結(jié)果

環(huán)焊縫開挖無損檢測常用手段包括射線檢測和超聲檢測，這2種無損檢測手段相互補充，可對裂紋缺陷進行定性和尺寸量化。由于現(xiàn)場條件、缺陷誤判等影響，通過上述無損檢測報告的裂紋缺陷，除真實裂紋缺陷外，還可能包括未熔合、形狀不規(guī)則的條形缺陷等，缺陷形貌參如圖2所示。顯然，除真實裂紋缺陷外，未熔合等具有裂紋特征的平面型缺陷，其形成機制可歸因為施工條件和焊接操作等管道施工環(huán)節(jié)。而真實裂紋缺陷包括熱裂紋、冷裂紋和管道服役階段形成的焊縫開裂等，其形成時期涉及管道施工和運營2個不同階段，是環(huán)焊縫裂紋成因分析和失效防控的重要范圍，對提升管道環(huán)焊縫的本質(zhì)安全有重要意義[4-6]。

圖2 環(huán)焊縫裂紋缺陷的真實形貌

2 失效分析內(nèi)容及前期工作概述

2.1 失效分析內(nèi)容

如圖3所示，為開展環(huán)焊縫失效分析并確定裂紋成因，從現(xiàn)場服役條件數(shù)據(jù)采集、割口環(huán)焊縫宏觀形貌測量、環(huán)焊縫缺陷無損檢測、母材及焊縫常規(guī)性能測試、斷面分析及裂紋成因分析等6個環(huán)節(jié)展開。其中，割口環(huán)焊縫宏觀形貌測量、環(huán)焊縫缺陷無損檢測、母材及焊縫常規(guī)性能測試等3個方面的失效分析內(nèi)容有較明確的管道設(shè)計施工規(guī)范，其失效分析主要的目的是驗證環(huán)焊縫的真實狀況及是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求?，F(xiàn)場條件數(shù)據(jù)采集、斷面分析方面，側(cè)重對環(huán)焊縫的附加載荷、環(huán)焊縫缺陷的宏微觀形貌、缺陷附近化學(xué)成分等理化性能的深入剖析。最后通過現(xiàn)場和試驗室的失效分析數(shù)據(jù)，推斷環(huán)焊縫裂紋的成因。

圖3 含裂紋缺陷環(huán)焊縫失效分析的主要流程及內(nèi)容

當(dāng)前，由于環(huán)焊縫裂紋焊口分布分散，涉及南北氣候、山區(qū)和平原等多種地理環(huán)境，同時還涉及不同地區(qū)管道設(shè)計、建設(shè)、運營和失效分析工作承擔(dān)單位。失效分析報告的格式、內(nèi)容、和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)論存在差異，文中基于擇優(yōu)原則對失效分析的不同環(huán)節(jié)，進行相關(guān)內(nèi)容的歸納和總結(jié)，為后續(xù)的相關(guān)失效分析工作提供經(jīng)驗借鑒。

2.2 服役條件數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場服役條件所采集的數(shù)據(jù)主要包括管道基本屬性和服役環(huán)境2個方面。管道基本屬性數(shù)據(jù)包括：鋼級、壓力、管徑、壁厚、管長、焊接工藝、焊口類型(連頭口、變壁厚口及返修口等)、施工年份、施工季節(jié)、施工單位、檢測單位及結(jié)果、監(jiān)理單位等。服役環(huán)境數(shù)據(jù)包括地形、穿跨越情況、埋深、高程、內(nèi)檢測報告焊縫異常情況、壁厚差、與連頭口等特殊焊口的距離、與彎管距離、割口后管道錯口情況、焊口坐標(biāo)等。

服役條件數(shù)據(jù)主要用于環(huán)焊縫是否存在明顯的附加載荷評估，如連頭口、變壁厚、穿跨越等產(chǎn)生的應(yīng)力集中、管道組裝應(yīng)力及可能的疲勞載荷等。如圖4所示的某輸氣管道切口后錯口情況，需要在割口前測量到到管道軸向和徑向的錯口位移，后期可通過有限元等方法[7]對管道環(huán)焊縫的附加拉應(yīng)力和切應(yīng)力進行評估。

圖4 某輸氣管道切口后錯口情況示例

2.3 割口環(huán)焊縫宏微觀形貌測量

結(jié)合管線現(xiàn)場焊接的工藝規(guī)程和外觀檢查等要求，割口環(huán)焊縫被送至失效分析機構(gòu)時，首先進行外觀檢測并記錄結(jié)果。表1為對環(huán)焊縫寬度、余高、錯邊和管道壁厚、是否存在焊瘤等數(shù)據(jù)進行測量，并與相關(guān)施工驗收標(biāo)準(zhǔn)相比較，其結(jié)果可在一定程度上反應(yīng)出管道環(huán)焊縫是否存在成形不良等施工質(zhì)量情況。在后續(xù)的金相分析階段，還會觀測焊道數(shù)和焊層數(shù)。等割口環(huán)焊縫宏微觀形貌如圖5所示，其中包括了正常環(huán)焊縫、成形不良及內(nèi)部焊瘤等常見情況。

表1 割口環(huán)焊縫宏微觀形貌測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)對照表

圖5 正常環(huán)焊縫與成形不良環(huán)焊縫示例

環(huán)焊縫的施焊層道數(shù)沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)要求，但是通過已開展的失效分析案例發(fā)現(xiàn)，焊接層道數(shù)偏低的環(huán)焊縫，通常與焊縫成形不良、焊接缺陷、斷裂韌性偏低等現(xiàn)象有關(guān)，其可能原因是對口間隙小、對口應(yīng)力大、焊接電流增大導(dǎo)致了焊縫力學(xué)性能降低等。如圖6所示15.3mm/18.4 mm變壁厚X80管道環(huán)焊縫，金相試樣進行觀察發(fā)現(xiàn)存在一高度為 5.7 mm的埋藏裂紋，位于5:48方位，裂紋處有明顯的根部補焊痕跡，底部焊縫僅由2層3道內(nèi)部補焊而成，焊縫單個沖擊吸收能量最低值為8 J。過大的內(nèi)補焊熱輸入和焊層厚度，導(dǎo)致填充焊縫材料沖擊韌性下降，造成微孔處焊縫開裂，與其它大多數(shù)焊縫裂紋存在于根部位置形成鮮明對比。

2.4 割口環(huán)焊縫缺陷的無損檢測

割口送檢后再次在試驗室條件下進行無損檢測，一方面用于對裂紋等環(huán)焊縫缺陷的定性和準(zhǔn)確定位，為環(huán)焊縫缺陷的微觀試樣和力學(xué)性能測試試樣做準(zhǔn)備。另一方面，通過對比建設(shè)期底片，確定環(huán)焊縫中的裂紋缺陷的形成時期。

對照建設(shè)期底片和管道運行若干年后的開挖復(fù)拍底片，根據(jù)建設(shè)期有無裂紋的黑度顯示，判斷裂紋是在焊接施工過程產(chǎn)生，還是在管道運行過程產(chǎn)生。判斷裂紋產(chǎn)生的時期和增長情況，有助于分析裂紋的成因和明確裂紋缺陷管段進一步發(fā)生開裂失效的管控措施。

需要指出的是，對于小部分發(fā)現(xiàn)的管道環(huán)焊縫根部開口的裂紋，其深度較淺導(dǎo)致底片的黑度顯示不明顯。因此在環(huán)焊縫裂紋缺陷的檢測中，通常還同時采用了UT，TOFD，PAUT等超聲檢測技術(shù)[8]進行平面型缺陷的檢測，彌補射線檢測的在淺表面裂紋和缺陷深度尺寸量化方面的不足。

3 失效分析結(jié)果及裂紋成因

3.1 環(huán)焊縫裂紋失效分析規(guī)律總結(jié)分析

表2中共進行了23個X80和X70輸氣管道環(huán)焊縫的失效分析，主要結(jié)果入列表所示。這23個環(huán)焊縫，均通過環(huán)焊縫斷面觀察確定為裂紋缺陷，不包括未熔合等平面型缺陷。

表2 X70及X80管道環(huán)焊縫裂紋失效分析結(jié)果

3.1.1裂紋缺陷的形成時期

對裂紋缺陷的建設(shè)期射線檢測底片復(fù)審，發(fā)現(xiàn)12道環(huán)焊縫的建設(shè)期底片中存在裂紋的線性黑度顯示，約占全部23處裂紋環(huán)焊縫的52%。由此可見，管道運行期形成的環(huán)焊縫裂紋比例與焊接施工產(chǎn)生的裂紋缺陷比例相當(dāng)。

3.1.2裂紋缺陷的位置

如圖7所示，按照裂紋環(huán)焊縫裂紋分為根焊裂紋和填充焊裂紋，通過斷面觀察，根焊裂紋共有20處，占23處失效分析裂紋缺陷的87%。并且從環(huán)焊縫裂紋沿管道周向的時鐘方位看，大部分裂紋出現(xiàn)在管道頂部(10:00～2:00附近)和底部(4:00～8:00)附近(圖8)，且大部分裂紋位于變壁厚環(huán)焊縫。

圖7 環(huán)焊縫根焊裂紋與填充焊裂紋形貌

圖8 環(huán)焊縫裂紋缺陷的時鐘方位分布

3.1.3含裂紋環(huán)焊縫與焊縫成形狀況相關(guān)性

從環(huán)焊縫余高、錯邊，以及是否存在焊瘤內(nèi)凹等外觀情況，給出了環(huán)焊縫焊接成形差和良好2種分級。由表2可見，出現(xiàn)裂紋缺陷的環(huán)焊縫的焊接成形狀況通常較差，少數(shù)出現(xiàn)裂紋的環(huán)焊縫成形狀態(tài)良好，但進一步的外觀檢查和斷面觀察發(fā)現(xiàn)，也常見補焊、打磨等情形。

3.1.4焊縫力學(xué)性能指標(biāo)

相關(guān)設(shè)計和施工標(biāo)準(zhǔn)給出管道現(xiàn)場焊接環(huán)焊縫的強度和沖擊韌性指標(biāo)要求。對于X80和X70管道環(huán)焊縫，其抗拉強度不低于625 MPa和570 MPa，沖擊韌性不低于60 J和56 J，環(huán)焊縫硬度不高于300 HV和275 HV，見表2。根據(jù)環(huán)焊縫力學(xué)性能的測試結(jié)果，測試的18個含裂紋環(huán)焊縫的沖擊性能，共有14個沖擊性能不合格，約占77%。極少數(shù)環(huán)焊縫的抗拉強度和硬度不合格，相比之下，可見沖擊韌性不合格是環(huán)焊縫開裂的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

3.1.5環(huán)焊縫刻槽錘斷和彎曲性能

刻槽錘斷可驗證環(huán)焊縫焊接缺陷是否超標(biāo)，彎曲性能測試驗證環(huán)焊縫的抗彎曲性能。由測試結(jié)果可見，經(jīng)測試的12個含裂紋缺陷環(huán)焊縫，其中5個環(huán)焊縫的彎曲性能不合格。

3.2 環(huán)焊縫裂紋成因探討

3.2.1主要原因

建設(shè)期焊接施工不當(dāng)和裂紋缺陷的漏評誤判。從上述環(huán)焊縫裂紋失效分析結(jié)果規(guī)律可見，變壁厚、管道頂部起弧和底部收弧位置附近出現(xiàn)裂紋比例較大，這些位置的焊接電流波動、焊接施工難度較大，環(huán)焊縫沖擊韌性指標(biāo)偏低，無論是在焊接過程還是在服役過程，均容易發(fā)生環(huán)焊縫開裂，形成裂紋缺陷。發(fā)生在焊接施工階段的裂紋，理論上應(yīng)通過射線超聲等無損檢測手段發(fā)現(xiàn)并去除。但客觀上，存在較淺裂紋缺陷檢測的盲區(qū)和現(xiàn)有無損檢測技術(shù)局限性，導(dǎo)致裂紋缺陷遺留在環(huán)焊縫上。

3.2.2次要原因

根焊應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。X80等高強鋼管道環(huán)焊縫焊接采用了V形坡口，且根焊的焊條強度等級較填充焊強度等級低[9-10]，在變壁厚、錯邊、內(nèi)凹等成形不良因素影響下形成根部應(yīng)力集中，在管道下溝吊裝、服役過程中土體位移產(chǎn)生的附加彎曲載荷等，在超出根焊承載能力和沖擊韌性指標(biāo)偏低情況下，發(fā)生根焊開裂。

3.2.3防范措施及建議

焊接施工環(huán)節(jié)，加強針對根焊裂紋的無損檢測工藝，減少裂紋漏評誤判可避免約一半的裂紋缺陷。加強環(huán)焊縫外觀檢測，對外觀檢測不合格和成形較差的環(huán)焊縫，增加檢測項目。對在役管道，重點防范彎曲等附加載荷影響。進一步研究環(huán)焊縫裂紋缺陷的失效分析，從裂紋微觀形貌、材料斷裂韌性等角度進行深度分析，研究環(huán)焊縫裂紋形成的微觀機理和控制參數(shù)。

4 結(jié)論

(1)X70及X80管道環(huán)焊縫裂紋以根焊開裂形式為主。

(2)變壁厚、管道頂部和底部等位置容易發(fā)生環(huán)焊縫裂紋缺陷，焊接施工和缺陷無損檢測及評判時應(yīng)重點關(guān)注，盡量避免漏評誤判。

(3)焊瘤、錯邊、余高等外觀檢測指標(biāo)超標(biāo)，導(dǎo)致環(huán)焊縫成形較差，影響裂紋缺陷的檢出并加重根焊位置的應(yīng)力集中。

(4)建議對新建管道加強針對管道環(huán)焊縫外觀檢測、根焊裂紋檢測工藝。對在役管道，重點防范彎曲等附加載荷影響，并加強環(huán)焊縫安全質(zhì)量風(fēng)險排查。依托環(huán)焊縫裂紋失效分析，進一步研究環(huán)焊縫裂紋形成的微觀機理和控制參數(shù)。