某X65鋼級輸氣管道環(huán)焊縫泄漏失效分析

劉奎榮，豐振軍，王明波

（1.中國石油西南管道公司，成都 610041；2.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710065）

1 概 述

油氣輸送管道對接環(huán)焊縫是長輸管道的薄弱環(huán)節(jié)，若對接環(huán)焊縫內(nèi)存在缺陷及附加應(yīng)力則容易發(fā)生失效。 由于焊接接頭由母材、 焊縫及熱影響區(qū)組成，各部分的力學性能存在一定差異，從而焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會受到焊接接頭材料不均勻性的影響[1-3]。 據(jù)統(tǒng)計，環(huán)焊縫失效的主要原因為焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，特別是根焊、 返修及補焊質(zhì)量較差，也有個別是附加載荷引起的，其防治重點應(yīng)放在管線建設(shè)質(zhì)量控制上[4-11]。

某輸氣管道為X65 鋼級，規(guī)格為Φ916 mm×28.6 mm，其中一處三通支管與短節(jié)對接環(huán)焊縫發(fā)生泄漏失效。 現(xiàn)場氣割獲得的環(huán)焊縫試樣不完整，試樣只保留了一半焊縫，且環(huán)焊縫斷口上大部分區(qū)域呈藍黑色氣割斷面特征，在約260 mm 長的局部發(fā)現(xiàn)有鐵銹痕跡，表明該處未被搶修時的氣割所影響，應(yīng)為焊縫泄漏處。失效試樣如圖1 所示（1 號標識為泄漏處），斷口未被氣割影響區(qū)域如圖2 所示。 本研究以該輸氣管線環(huán)焊縫泄漏原因開展失效分析，為油氣管道安全運行提供參考。

圖1 失效試樣照片

圖2 斷口上未被氣割影響的區(qū)域

2 試驗分析

2.1 無損檢測

采用X 射線對試樣管體及焊縫進行無損檢測，經(jīng)檢測管體未發(fā)現(xiàn)缺陷，焊縫1 號標記處存在裂紋缺陷。 焊縫檢測結(jié)果如圖3 所示。

2.2 硬度試驗

圖3 焊縫X 射線檢測結(jié)果

根據(jù)試樣情況，在圖1 所示環(huán)焊縫標記的1號、 2 號和3 號部位3 處分別取樣，對應(yīng)試樣編號分別為 1#、 2#和 3#。 利用 KB 30BVZ-FA 硬度試驗機，按照ASTM E92-17 標準進行硬度試驗，測試點位置如圖4 所示，試驗結(jié)果見表1。

圖4 焊接接頭硬度測試點位置示意圖

表1 環(huán)焊縫維氏硬度試驗結(jié)果

2.3 金相分析

對圖1 環(huán)焊縫的3 個不同位置分別取樣，進行了金相分析。 其中1 號位置裂紋呈內(nèi)寬外窄形態(tài)，如圖5 所示，表明裂紋是由內(nèi)表面向外表面擴展。

利用 MEF4A 金相顯微鏡，按照 GB/T 13298—2015 標準對 2 號部位及 3 號部位試樣進行低倍金相觀察，如圖6 所示。 環(huán)焊縫組織形貌如圖7 所示。 從圖5～圖7 可以看出，原始焊接組織未見明顯異常，但組織有脫碳現(xiàn)象（見圖8），分析原因系現(xiàn)場火焰切割高溫燒傷所致。

圖5 1 號部位裂紋處金相組織

圖6 環(huán)焊縫低倍金相形貌

圖7 焊接接頭金相組織形貌

圖8 1 號裂紋處金相組織 （脫碳）

圖9 裂紋附近高倍形貌 （疏松組織）

用OLS 4100 激光共聚焦顯微鏡對裂紋形貌及周圍組織進行觀察，如圖9 所示。 從圖9可以看出，1 號部位焊縫裂紋附近存在疏松組織，大部分疏松組織呈封閉狀態(tài)，部分疏松組織邊緣可看見部分小裂紋，周圍組織未見明顯變形。

2.4 掃描電鏡及能譜分析

采用VEGAⅡ掃描電鏡對1 號部位裂紋進行觀察，通過INCA 360 EDS 能譜儀對裂紋內(nèi)疏松組織進行分析，結(jié)果如圖10 所示。 1 號部位裂紋內(nèi)疏松組織主要元素為鐵和氧，其他元素為鋁、 硅、鈣、 硫，該疏松組織為焊接時未清理干凈的焊渣。

圖10 裂紋處組織形貌及能譜分析

3 結(jié)果分析

在失效試樣宏觀檢查中，發(fā)現(xiàn)焊接接頭存在裂紋，裂紋起源于環(huán)焊縫內(nèi)表面，向環(huán)焊縫外表面擴展。 裂紋內(nèi)存在疏松組織，根據(jù)能譜分析可知，一些是鐵的氧化物，一些主要元素為鋁、 硅、鈣、 硫，該灰色物質(zhì)為焊接時未清理干凈的焊渣。

夾渣的存在，減小了承載截面積，該處存在較大的應(yīng)力集中，在較高的應(yīng)力狀態(tài)下，夾渣處極易萌生裂紋，是焊縫結(jié)構(gòu)中最危險的部位之一。 焊縫產(chǎn)生的夾渣影響因素較多： ①與焊接參數(shù)選擇不當有關(guān)，如焊接線能量過小、 電弧偏吹和焊條藥皮偏心等；②與焊工操作有關(guān)，如電弧離坡口過遠、 運條不當、 擺動時在兩端停留時間過短以及焊條直徑或種類選擇不當和焊絲傾角不合適等；③焊接時前一層焊道清理不干凈，而且熔渣又未能完全排出或者前一層焊縫中間凸起過大，致使清渣困難，焊接產(chǎn)生的熔渣也不容易排出而造成。 另外，由于夾渣在射線底片上的影像特征因產(chǎn)生的位置而有所不同，只有當射線透照方向平行于熔合面時，才有明顯的特征[12-15]。 夾渣會明顯影響環(huán)焊縫的性能，減少了焊縫的有效橫截面積，降低了焊接接頭的強度和韌性，并且破壞了焊縫金屬的連續(xù)性，在外力作用和內(nèi)壓作用下，夾渣處極易萌生裂紋，裂紋相互貫穿成穿透性裂紋。

綜上所述，該焊接接頭存在夾渣缺陷，夾渣在焊縫中形成裂紋源和應(yīng)力集中，嚴重影響了焊縫的性能，在管道敷設(shè)后進行的水壓試驗中，局部焊縫承受不了所加載荷，導致焊縫產(chǎn)生開裂而發(fā)生泄漏。

4 結(jié) 論

（1） 焊接接頭根部存在夾渣缺陷，夾渣在焊縫中形成裂紋源和應(yīng)力集中，嚴重影響了焊縫的性能，這是造成環(huán)焊縫形成裂紋的主要原因。

（2） 在管道敷設(shè)后進行的水壓試驗中，局部焊縫承受不了所加載荷，在外力作用和內(nèi)壓作用下，夾渣處裂紋相互貫穿成穿透性裂紋，裂紋由內(nèi)表面向外表面擴展，導致焊縫產(chǎn)生開裂而發(fā)生泄漏。