摘 要:對10處存在缺陷的 X80鋼輸氣管道環(huán)焊縫進行了力學性能檢測和兩類裂紋成因分 析。結果表明:10處環(huán)焊縫抗拉強度不合格率為10%,焊縫中心沖擊功不合格率為21.7%,熱影響 區(qū)沖擊功全部合格;環(huán)焊縫、母材和熱影響區(qū)的維氏硬度全部合格,但熱影響區(qū)存在軟化。環(huán)焊縫 中的缺陷以未熔合和裂紋為主,二者占比為75%。裂紋主要為冷裂紋和結晶裂紋,冷裂紋起源于 焊根附近未熔合缺陷處,在拘束應力作用下發(fā)生擴展導致開裂;結晶裂紋產(chǎn)生原因為硫元素在打底 焊焊縫中心晶界上偏析并形成低熔點共晶相,在凝固收縮拉應力作用下晶界發(fā)生開裂。
關鍵詞:環(huán)焊縫;力學性能;冷裂紋;結晶裂紋
中圖分類號:TG457.6 文獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2022)01-0061-07
0 引 言
目前我國高鋼級油氣管道的運營里程已達到 3.5×10 4 km,位居世界第一位[1]。據(jù)統(tǒng)計,我國近 10a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)焊縫焊接缺 陷引起的[2-3]。可見,環(huán)焊縫已經(jīng)成為我國高鋼級油 氣輸送管道最易失效的部位。根據(jù)國內(nèi)外公布的失 效分析結果,油氣管道的失效模式主要包括斷裂、變 形、腐蝕和機械損傷4類[4]。羅金恒等[5]統(tǒng)計了近 幾年發(fā)生的10起高鋼級管道環(huán)焊縫缺陷導致的管 道失效案例,發(fā)現(xiàn)焊接缺陷導致的內(nèi)壁起裂是導致管道失效的主要原因,占比高達90%。
環(huán)焊縫開 裂 作 為 油 氣 管 道 的 主 要 失 效 形 式, 具有裂紋長、泄漏量大、對周邊環(huán)境和人員安全構 成嚴重威脅 等 特 點[6]。因 此,定 期 檢 測 評 估 和 及 時處置環(huán)焊 縫 缺 陷 具 有 重 要 的 經(jīng) 濟 和 社 會 意 義。 為保障油氣管道的運營安全,2017年以來,中石油 各管道運營公司對所屬轄區(qū)內(nèi)的油氣管道開展了 大規(guī)模的環(huán) 焊 縫 隱 患 排 查 治 理 工 作,對 隱 患 排 查 過程中發(fā)現(xiàn)的環(huán)焊縫缺陷采取了換管或加裝 B型 套筒等措施[7]。
在近期對 X80鋼輸氣管道環(huán)焊縫隱患排查過 程中,共發(fā)現(xiàn) 10 處環(huán)焊縫存在焊接缺陷。該 X80 鋼管線公稱直徑為1219mm。為進一步了解上述 環(huán)焊縫的力學性能和缺陷狀況,為后續(xù) X80鋼管道 環(huán)焊縫的施工和評價提供參考,作者對上述環(huán)焊縫 進行了理化檢測、統(tǒng)計和缺陷解剖分析。
1 試樣制備與試驗方法
研究對象為某輸氣管道存在安全隱患的10個 環(huán)焊縫接頭,接頭母材均為 X80鋼?，F(xiàn)場焊接工藝 為鎢極氬弧焊(GTAW)打底,焊材型號為 ER50-6; 自保護藥芯焊絲半自動焊(FCAW)填充和蓋面,焊 材型號為 E81T8-Ni2J。其中:1 # 和2 # 環(huán)焊縫連接 的是兩根可以自由旋轉的鋼管,1 # 環(huán)焊縫的上下游 管道均為螺旋埋弧焊管,2 # 環(huán)焊縫上游管道為螺旋 埋弧焊管,下游管道為直縫冷彎彎管;3 # ~5 # 環(huán)焊 縫為用一段鋼管將兩根固定管段連接在一起(連頭) 時,先進行焊接形成的環(huán)焊縫,6 # ~10 # 則為后焊接 形成的環(huán)焊縫。3 # ~10 # 環(huán)焊縫上游管道分別為螺 旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管、螺旋埋弧焊管、螺旋埋 弧焊管、螺旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管、螺旋埋弧焊 管、直縫冷彎彎管,下游管道分別為螺旋埋弧焊管、 直縫冷彎彎管、直縫冷彎彎管、直縫冷彎彎管、螺旋 埋弧焊管、螺旋埋弧焊管、螺旋埋弧焊管、螺旋埋弧 焊管。
采用 MC-3000C型超聲波測厚儀、焊接檢驗尺、 鋼卷尺等測量10處環(huán)焊縫及其上、下游管道的幾何 尺寸。按照 SY/T4109-2013,采用 XT1605C 型 射線探傷機對環(huán)焊縫進行射線檢測,透照方式為中 心透照,焦距為610mm,管電壓為160kV,管電流 為5mA,曝光時間為 4 min。按照 GB/T4336- 2016,在環(huán)焊縫上、下游管道上取樣,采用 ARL4460 型直讀光譜儀進行化學成分分析,所測螺旋埋弧焊管的樣 本 數(shù) 為 13 根,直 縫 冷 彎 彎 管 的 樣 本 數(shù) 為 7根。
按照 Q/SYGJX0110-2007和 GB/T228.1- 2010,分別在10處環(huán)焊縫0點、3點、6點、9點位置 無缺陷部位,以焊縫為中心沿軸向取全壁厚試樣,試 樣長230mm,寬25mm,按照標準要求去除焊縫余 高;采用SHT4106型微機控制電液伺服萬能試驗 機進行室溫拉伸試驗,應變速率為0.4min -1。按照 Q/SYGJX0110-2007和 GB/T2650-2008,在環(huán) 焊縫0點、3點位置無缺陷部位取樣,每處焊縫中心 和熱 影 響 區(qū) 均 各 取 3 個 試 樣,尺 寸 為 10 mm× 10mm×55mm,缺口形式為 V 型,缺口位置符合 標準要求,焊縫中心試樣和熱影響區(qū)試樣的數(shù)量均 為60個。使用 PSW750型沖擊試驗機進行沖擊試 驗,試驗溫度為-10 ℃。按照 Q/SY GJX0110- 2007和 GB/T4340.1-2009,使 用 KB30BVZ-FA 型維氏硬度計測試硬度,試驗載荷為98.07N,保載 時間為15s,測點分別位于母材區(qū)、熱影響區(qū)以及打 底焊和蓋面焊焊縫部位,如圖1所示,每個接頭共取 16點測試。
在環(huán)焊縫裂紋處取焊縫橫截面試樣,經(jīng)磨光和拋 光,用體積分數(shù)5%的硝酸酒精溶液腐蝕10s后,使 用SmartZoom5型超景深數(shù)碼顯微鏡和 MEF4M 型 光學 顯 微 鏡 觀 察 裂 紋 形 貌 和 顯 微 組 織,利 用 HITACH SU3500型掃描電子顯微鏡附帶的 Oxford X-max N 型能譜儀(EDS)進行微區(qū)成分分析。
2 試驗結果與討論
2.1 幾何尺寸
由表1可知,10處環(huán)焊縫上下游管道的幾何尺 寸均符合標準要求,但環(huán)焊縫的幾何尺寸控制不佳, 有8處存在余高或錯邊量超差現(xiàn)象。
2.2 無損檢測
由表2可知,環(huán)焊縫中的缺陷主要為未熔合和 裂紋,二者在總缺陷中占比約75%。
2.3 化學成分
由表3可知:所有鋼管的化學成分均滿足 Q/ SYGJX0102-2007、Q/SY GJX0104-2007標準 要求;螺旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管的碳當量分別在 0.17%~0.20%、0.16~0.20%,均滿足技術指標要 求(不高 于 0.23%),這 說 明 管 道 具 有 良 好 的 焊 接 性。
2.4 拉伸性能
由圖2可知:在40個環(huán)焊縫拉伸試樣中,有4 個試 樣 的 抗 拉 強 度 低 于 625 MPa,不 符 合 Q/SY GJX0110-2007 標準要求,抗拉強度不合格率為 10%;不 同 位 置 試 樣 的 抗 拉 強 度 均 值 介 于 675~ 700MPa之間,波動幅度不大。此外,在拉伸過程中,40個試樣中有17個斷裂于母材,21個斷裂于焊 縫,2個斷裂于熔合區(qū);其中4個抗拉強度不合格的 試樣中,3個斷裂于焊縫,1個斷裂于熔合區(qū)。從上述 統(tǒng)計結果來看,環(huán)焊縫相對于鋼管母材強度偏低(鋼 管母材抗拉強度檢測結果均高于755MPa)。
2.5 沖擊性能
由圖3可知:部分焊縫中心試樣出現(xiàn)了沖擊功 不合格現(xiàn)象,統(tǒng)計得到不合格率為21.7%(不低于 60J為合格);熱影響區(qū)試樣的沖擊功全部合格(不 低于60J為合格),但熱影響區(qū)沖擊功數(shù)值的離散 程度大于焊縫中心;熱影響區(qū)沖擊功的平均值比焊 縫中心高約125J。
2.6 維氏硬度
由圖4可知:10處環(huán)焊縫接頭不同位置處的維 氏硬度測試結果均分布在190~280HV,符合標準 要求(測試點樣本數(shù)為160個,不高于300HV 為合 格);熱影響區(qū)存在一定程度的軟化,打底焊焊縫的 硬度平均值低于母材和蓋面焊焊縫。
2.7 裂紋形成原因
2.7.1 7 # 環(huán)焊縫中裂紋形成原因
7 # 環(huán)焊縫中存在2處裂紋,2處裂紋均起源于 打底焊與填充焊焊縫交界處的未熔合缺陷,均從未熔合缺陷向上方填充焊焊縫和焊根處擴展,如圖5 所示。取其中一條裂紋進一步觀察。由圖6可知: 裂紋曲折擴展,在向上方填充焊焊縫中擴展時局部 位置出現(xiàn)了次生裂紋(位置2);未熔合缺陷呈三角 形形狀,裂紋在未熔合缺陷的3個尖角處均發(fā)生擴 展,并且裂紋呈沿晶和穿晶特征;裂紋沿焊縫環(huán)向的 擴展長度遠遠大于沿焊縫軸向的擴展長度。
7 # 環(huán)焊縫為管道連頭中后焊的一道焊縫,因焊 接時兩側管道固定不動,焊縫中存在較大的拘束應 力,這是裂紋擴展的外部原因。打底焊與填充焊焊 縫交界處存在未熔合缺陷,未熔合處邊緣存在非常 細窄的尖角,應力集中程度較大,這是裂紋擴展的內(nèi) 部原因。這也在童遠濤等[8]和趙金蘭等[9]的研究中 得 到了證實,即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組織各不相同 而成為焊縫的薄弱區(qū)域,極易萌生裂紋。因此,該環(huán) 焊縫裂紋應是產(chǎn)生于管道建設期(焊接后),在拘束 應力的作用下,裂紋從未熔合缺陷邊緣尖角處萌生, 并主要沿焊縫環(huán)向發(fā)生擴展,最終形成了以未熔合 缺陷為裂紋源的冷裂紋。
2.7.2 8 # 環(huán)焊縫中裂紋形成原因
由圖7可以看出:8 # 環(huán)焊縫中的裂紋位于焊根 區(qū)域正中,貫穿整個打底焊焊縫,裂紋前端終止于填 充 焊焊縫下方熔合線處;裂紋兩側組織呈柱狀晶分布,且與裂紋方向幾乎垂直,裂紋兩側柱狀晶前沿存 在諸多大小不等的孔洞;進一步觀察可知,裂紋兩側 打底焊焊縫組織無異常,均為多邊形鐵素體(PF)+ 粒狀貝氏體(GB)+少量晶內(nèi)針狀鐵素(IAF)組織; 靠近裂紋的兩側組織中存在局部聚集的孔洞,局部 裂紋邊緣呈鋸齒狀。
由圖8可以看出,8 # 環(huán)焊縫中裂紋沿著晶界擴展。
由圖9和表4可以看出:位置1~4為近裂紋處 焊縫金屬中的塊狀偏聚區(qū),位置5為近裂紋處焊縫 金屬中的正常區(qū)域;塊狀偏聚區(qū)硫、碳含量明顯偏 高,而正常區(qū)域中無硫、碳等元素。由此可見,8 # 環(huán) 焊縫中裂紋兩側局部聚集的孔洞實際為硫、碳等元 素形成的低熔點雜質偏聚區(qū)。
