天然氣輸送管道環焊縫泄漏失效分析

胡美娟，劉迎來，朱麗霞，齊麗華，楊 放

（中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710077）

0 前 言

在某管道工程投產升壓過程中，接到天然氣疑似泄漏的報告。通過對可能泄漏點的現場確認和開挖，發現泄漏位置為天然氣輸送管道環焊縫連接處。管材X80鋼級，規格為φ1 016 mm×15.3 mm，根焊焊絲為E80C-Ni1，填充焊焊絲為E81T8-Ni2。對泄漏斷口進行射線檢測，發現泄漏點位于環焊縫6點位置，裂紋總長度約70 mm。

通過斷口宏觀形貌、金相分析以及力學性能檢測等方法對泄漏裂紋產生的原因進行了分析，為該管線以及相關管線的順利建設投產提供一定的參考。

1 試驗及結果

1.1 斷口形貌

裂紋位于X80管線鋼環焊縫6點位置內表面根焊處，原始形貌如圖1所示。由圖1可知，環焊縫內表面根焊道的原始形貌被打磨破壞，裂紋位于打磨凹陷區域的最低位置，可見長度為66 mm。圖2為裂紋源區的宏觀形貌，由圖2可知，裂紋起裂于根焊焊趾附近的凹陷區域，此區域由于位置較低，未被打磨破壞。

圖1 裂紋宏觀形貌

圖2 裂紋源區宏觀形貌

1.2 金相分析

正常區域焊接接頭的橫截面低倍形貌如圖3所示，整個環焊縫由1道次根焊和4道次填充蓋面焊組成。圖4為裂紋擴展區域焊接接頭的低倍形貌，不同于正常的焊接接頭形貌，填充焊區域有明顯的被加熱特征，根焊的熱影響區痕跡在填充焊接之上，這表明根焊是在填充蓋面焊完成后進行的。裂紋區域整個根焊由3道次焊接完成。由圖4測量可知，根焊焊縫橫向寬度約14 mm，厚度方向深約7 mm。正常環焊縫焊接接頭根焊寬度僅約6 mm，深2.5 mm。

圖3 正常區域環焊縫焊接接頭橫截面形貌

圖4 裂紋區域環焊縫焊接接頭橫截面形貌

圖5和圖6分別為正常區域和裂紋區域根焊組織形貌。對比圖5和圖6可知，正常區域根焊組織為B粒+PF+IAF+P，裂紋區域根焊組織中出現了魏氏體組織，同時晶粒內鐵素體的含量也明顯增大，主要為IAF+WF+B粒+PF+P，這說明裂紋區域補焊時焊接熱輸入量較大。

圖5 正常區域環焊縫根焊組織

圖6 裂紋區域環焊縫根焊組織

圖7為裂紋源區斷口橫截面低倍形貌，通過圖7可知，主裂紋擴展路徑平直，裂紋尖端沿著根焊焊縫熔合線擴展，裂紋擴展方向在根焊和填充焊接交界處發生改變，沿著填充蓋面焊熔合線區域平直擴展成穿透型宏觀裂紋。

圖7 裂紋源區斷口橫截面形貌

圖8為裂紋源區斷口組織形貌，由圖8可知，裂紋源區斷面平坦，呈解理形貌。裂紋起裂組織主要為IAF+WF+B粒+PF+P，斷裂方式以穿晶斷裂為主。在起裂區域還存在大量的二次裂紋、夾渣和未熔合等焊接缺陷。

圖8 裂紋源區斷口組織形貌

圖9為裂紋起裂區域組織形貌，由圖9可知，在主裂紋附近熔合區B粒組織中出現了許多二次穿晶和沿晶微小裂紋，部分二次裂紋內部有灰色的非金屬物質。

1.3 力學性能

對環焊縫焊接接頭的拉伸性能進行檢測，結果見表1。環焊縫焊接接頭拉伸性能符合Q/SY GJX 0110-2007《西氣東輸二線管道工程線路焊接技術規范》要求。對環焊縫焊接接頭的沖擊性能進行了檢測，結果見表2，正常區域和裂紋區域焊縫的沖擊韌性值均低于標準要求。

圖9 裂紋起裂區域組織形貌

表1 環焊縫焊接接頭拉伸性能試驗結果

表2 環焊縫焊接接頭沖擊性能試驗結果

2 試驗結果分析

環焊縫6點位置焊接接頭橫截面的低倍形貌表明，環焊縫根焊曾經實施過內補焊作業，且應是在填充蓋面焊接完成后作業的。根據金相組織分析結果可知，補焊的根焊焊縫中存在大量的魏氏組織，屬于高溫轉變產物，另外焊縫與母材熔合區存在粗大的B粒組織，這與補焊作業中熱輸入量偏大有關。不良的組織使得材料抗脆性起裂及抗擴展能力下降，這也是焊縫斷口電鏡掃描表現為解理形貌的原因。另外，根焊基體中存在大量夾雜，根焊焊縫與母材存在局部未熔合缺陷，這些缺陷破壞了材料組織和力學性能的連續性。在附加載荷作用下，焊縫焊趾區域的焊接缺陷處易萌生裂紋，甚至發生低應力脆斷。該環焊縫貫穿全壁厚裂紋就是由環焊縫內表面補焊焊縫的焊接缺陷引起，并在現場加壓過程中起裂并擴展。

3 結論

X80天然氣輸送管道環焊縫焊接接頭的拉伸性能符合Q/SY GJX 0110-2007《西氣東輸二線管道工程線路焊接技術規范》要求，但焊縫和熱影響區的沖擊韌性值未達到焊接技術規范的要求，環焊6點泄露位置根焊為補焊焊縫，補焊焊縫焊趾處存在的缺陷是環焊縫開裂泄露的主要原因。

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