某站場對焊法蘭環焊縫缺陷原因分析

張翔，蔡克，陳志昕

（中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710077）

某站場對焊法蘭環焊縫缺陷原因分析

張翔，蔡克，陳志昕

（中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710077）

目的研究法蘭環焊縫缺陷產生的原因，采取相應針對性措施，預防泄露事故發生。方法通過宏觀分析、超聲檢測、化學成分分析、金相分析、能譜分析對環焊縫裂紋形成原因進行分析。結果裂紋起源于根焊焊材與母材間，兩端較為平滑，沿環焊縫周向方向擴展。焊縫中夾渣的殘留藥皮和層間未熔合缺陷，是形成裂紋的內在原因。結論焊縫產生裂紋由焊接參數控制不當引起的。

法蘭；層間未熔合；裂紋

對焊法蘭作為常用管件的一種，具有不易變形、密封好、喇叭形結構適用于高溫高壓管道連接的特點，被廣泛應用于天然氣輸送管網。天然氣壓氣站作為輸送管網干線體系的心臟，其高效、安全運行是穩定輸送的保障，而站場內工序流程復雜，法蘭鏈接用量多、規格雜，結構和制造標準千差萬別[1—4]。為了保證管道安全運行，對管道法蘭進行檢測、評價和缺陷分析，預防事故發生具有重要意義。

1 法蘭焊縫缺陷概述

某壓氣站對在役法蘭進行安全評定，相控陣超聲檢測發現與過濾分離器連接的帶頸對焊法蘭環焊縫處存在缺陷，缺陷位置為12點－460 mm（氣流方向順時針為+），缺陷深度為15 mm。該法蘭壓力等級為CLASS 900（PN150），材質為16MnD，生產檢驗標準為ASME B 16.5—2009[5]，法蘭的彎頭中線與地面成90°，如圖1所示。根據SY/T 6477—2000[6]評定，推薦檢測周期為2年。因此，法蘭使用2年后，站場對法蘭進行更換。為減少類似缺陷部件的產生，保障管線運行安全，因此對缺陷形成原因進行分析。

圖1 法蘭位置

2 研究過程與實驗

2.1 宏觀觀察

法蘭、彎頭及環焊縫宏觀照片如圖2所示。相控陣發現的缺陷區域為12點－460～－563 mm處，區域長度為103 mm，如圖3所示。試樣表面光滑，沒有鍛造傷痕、裂紋等缺陷。

圖2 法蘭盤宏觀整體

圖3 相控陣檢測發現缺陷區域

2.2 超聲檢測

采用MS380型超聲波探測儀對環焊縫進行檢測，探傷靈敏度為2～14 dB，掃查方式為鋸齒形。檢測發現標記處缺陷為條形缺陷，長度為45 mm。截取環焊縫試樣，并標記為2-1#～2-11#，取樣位置如圖4所示。其中2-8#，2-9#，2-10#為圖3標記區域試樣，2-10#試塊距離彎頭12點位置最近。分別觀察試塊的剖面可以看到，2-9#與2-8#，2-10#兩試塊相鄰的剖面均存在缺陷，且位置相同，缺陷方向垂直于剖面，而在2-8#和2-10#兩塊試樣的另一側切面均未觀察到這一缺陷，說明缺陷貫穿了2-9#試樣。由于3塊試塊長度約為37 mm，說明連續缺陷長度處于37.72～111 mm之間，與超聲及相控陣檢測結果一致，如圖5—7所示。

圖4 環焊縫取樣

圖5 2-8#與2-9#剖面缺陷

圖6 2-9#與2-10#剖面缺陷

圖7 2-9#缺陷長度

2.3 化學成分分析

采用ARL 4460直讀光譜儀進行法蘭化學成分分析，依據ASTM A 751—2014[7]，結果見表1。

由表1分析可知，法蘭化學成分符合ASME B 16.5—2009[5]引用標準ASTM A 105[8]的要求。

2.4 金相分析

采用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統對含缺陷試樣進行分析，法蘭基體顯微組織為鐵素體+珠光體，環焊縫組織為晶內針狀體鐵素體+粒狀貝氏體+多邊形鐵素體+珠光體，且珠光體+鐵素體逐層分布，如圖8—9所示。2-8#與2-10#根焊處焊材與母材間存在裂紋，且2-10#裂紋開口寬于2-8#，裂紋兩側較為平滑，說明裂紋起源于2-10#向2-8#擴展。裂紋附近金相組織與環焊縫相同，縫隙內存在灰色非金屬物質，如圖10所示。2-10#焊縫內出現層間未熔合，如圖11所示。

表1 法蘭化學成分分析果%

圖8 法蘭組織

圖9 環焊縫組織

2.5 能譜分析

為了進一步分析焊縫裂紋內的灰色疏松物質，對其進行X射線能譜曲線分析?；疑镔|的主要組成元素為Ca，Si，O，Fe，Mn，Ti，C，K等，如圖12所示。為查明灰色物質的來源，對該環焊縫焊接所用的焊條藥皮進行成分分析，結果表明，其主要元素為O，Si，Mn，Ca，Ti等。裂紋內的灰色物質與藥皮成分相近，可以判斷灰色物質來自焊接過程中殘留的藥皮。

圖10 裂紋形貌

圖11 2-10#層間未熔合形貌

圖12 裂紋內灰色物質形貌及能譜分析結果

3 結果分析

通過以上分析可知，裂紋起源于根焊焊材與母材間，兩端較為平滑，沿環焊縫周向方向擴展。焊縫中夾渣的殘留藥皮和層間未熔合缺陷，是形成裂紋的內在原因[9—11]。

環焊縫中的裂紋起源于含有灰色夾渣的未熔合缺陷，按照未熔合的狀態分，屬于黑色未熔合[12—13]。產生的主要原因有以下幾點。

1）焊接參數的影響。焊接電流小、速度快，母材未熔化即被鐵水覆蓋，易造成未熔合；焊接速度過低，熔融金屬流到電弧下方，電弧不能到達坡口，同樣也會出現未熔合及夾渣缺陷。

2）焊接過程的影響。打底焊后清渣不徹底或清除方法不當，導致快速焊接時，雜質不能及時熔化或溢出，焊接時一部分電弧熱量用于熔化雜質，剩余熱量不足以熔化焊道金屬，形成了黑色未熔合[14—15]。

3）外界應力的影響。由于管道的溫度變化產生一定張應力，而缺陷區域正好處于管道的最大拉應力作用的12點方向附近。同時未熔合影響了焊縫材料的連續性，導致此處應力集中，所以在外力的作用下，裂紋極易在缺陷周圍形成，并沿一定方向擴展，形成潛在的危險性較大的缺陷。

4 結論

通過以上分析可得出如下結論。

1）該法蘭的制造符合ASME B 16.5—2009標準的要求。

2）環焊縫缺陷形成的根本原因是焊接參數設置不當，焊接過程操作不規范，焊接中形成層間未熔合，且未熔合缺陷中殘留夾渣藥皮。

3）環焊縫缺陷形成的外部原因是未熔合出現在管道最大拉應力作用的12點方向附近，造成缺陷處應力集中，并沿一定方向擴展。

為避免法蘭焊接出現同樣的問題，強化質量控制，進一步預防泄漏事故，建議采取以下措施。

1）焊接參數需經過焊接工藝評定來確定，選擇合適的焊接速度，對焊接人員進行培訓，明確并嚴格執行焊接時的焊接工藝流程，監控現場焊接施工質量。

2）在打底焊后要及時清渣，收弧時采用回焊法熄弧等，防止焊接中夾渣的形成。

3）焊后的工件應立即進行無損檢測，確保焊接質量，對于有缺陷的工件應及時進行補焊或采取其他處理方式。

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Cause Analysis of Flange Weld Defects

ZHANG Xiang,CAI Ke,CHEN Zhi-xin
(CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi'an 710077,China)

ObjectiveTo research causes of flange girth weld defects,and take corresponding specific measures to prevent leakage accidents.MethodsThe cracking reason was analyzed by the means of macro examination,ultrasonic inspection and measurement,chemical composition analysis,OM and EDS.ResultsThe crack was initiated between the root welding materials and the base metal and propagated along the circumferential direction of weld.Both ends of the cracking were smooth.The residual welding coating in root welding and lack of interlayer fusion were the internal reason for cracking.ConclusionThe crack is caused by improper control of welding parameters.

flange;lack of interlayer fusion;cracking

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.019

TG441.7

A

1672-9242(2017)07-0092-05

2017-03-29；

2017-04-21

張翔（1985—），女，陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向為油氣輸送鋼管性能檢測。