耐酸管環焊接頭失效與安全評價研究進展

劉 碩

（寶山鋼鐵股份有限公司 中央研究院，上海201999）

0 前 言

石油天然氣長輸管道輸送是油氣資源便捷、高效、經濟、安全的輸送方式，隨著工業與社會的飛速發展，能源需求越來越多，長輸管道建設也得到跨越式發展。 在國外，油氣輸送管道建設起步較早，無論是陸地管線還是海洋管線，均已經構建了成熟的管網體系，直到現在，仍然以客觀的速度增長。 在國內，油氣管線建設盡管起步較晚，但發展速度非常快。 通過西氣東輸二線、三線以及中俄東線等大直徑高輸量X80 管道的建設，我國已經成為世界上高強度X80 管道保有量最多的國家[1-2]。 隨著國家石油天然氣管網集團有限公司的成立，未來我國管線的投資、規劃、設計、建設與運營將統籌進行，這將大大提高管線輸送效率，確保實現互聯互通。

現場環縫焊接是管道施工建設的主要工序和關鍵環節，由于焊接加熱與冷卻的非平衡凝固與固態相變特征，使環焊接頭成為整個管線系統的最薄弱環節，環焊質量與接頭結構完整性對后續管線服役運營安全與潛在的失效風險具有重要影響[3-4]。 在役管線的失效破壞從本質上來說，是因為外部載荷 （包括應力應變、腐蝕介質、溫度、磨料摩擦磨損等） 造成的失效破壞驅動力超過了與管道本身性能相關的失效破壞阻力。 所以，研究管道運行失效模式與管道本身性能的相關性，有助于從根本上掌握管道失效破壞的規律，并根據具體的服役條件制定安全運營保障對策[5]。

針對高壓油氣輸送管線，服役過程中的失效破壞方式主要包括延性斷裂、脆性斷裂、疲勞開裂、應力腐蝕 （SSCC）、氫致開裂 （HIC） 等，特別是在含有H2S、CO2等腐蝕介質環境下，SSCC、HIC 經常與脆性斷裂、疲勞開裂交互作用，將加速管道環焊接頭的失效破壞[6]。 另外，管道施工環焊方法包括手工焊、半自動焊與自動焊，同一環焊縫在多層多道焊接過程中可以有很多種焊接工藝方法組合。 不同的焊接工藝得到的環焊接頭對各種內外部載荷的適應性與失效模式的敏感性不同[7]。 所以，進行管道不同失效模式與安全評價研究，將有助于設計與施工單位進行焊接方法選擇與焊接工藝優化，最終保證管線系統綜合服役能力。

1 不同服役環境下的管線失效模式

管線管服役運行環境是一個非常復雜的系統，既包含了各種力學載荷，還包括不同來源的腐蝕介質、環境溫度變化等。 環境施加的內外部載荷及其疊加作用，將造成管道系統特別是環焊接頭損傷或失效破壞。 表1 所示為不同種類載荷引起的管線失效模式。 對于耐酸管線來說，腐蝕介質與內外部力學載荷共同作用引起的腐蝕脆斷和腐蝕疲勞失效具有更加嚴重的破壞能力，需要引起更多的關注[5]。

表1 不同種類載荷引起的管線失效模式

1.1 延性斷裂

圖1 管線管環焊接頭延性失效斷裂案例

一般來說，管線鋼管及其環焊接頭通過優化的冶金設計、工藝保證均具有良好的延性指標，表現為具有較高的延伸率和斷面收縮率，以及較高的應變硬化指數等，在服役過程中延性斷裂風險較小。 然而，近期北美管線市場發生了幾起延性斷裂失效事故，鋼級包括X52～X70，起裂位置基本位于環焊熔合線，并沿著熔合線向焊縫內部擴展斷裂[8]，環焊接頭延性失效照片如圖1 所示。經過核查，所有事故管線焊接工藝評定、焊接施工過程、焊后無損檢驗等均滿足標準要求。 初步分析認為，該系列事故是由于采用纖維素焊條手工焊接引起的接頭實際強度失配以及HAZ 軟化，在不可預見的縱向應力應變環境下共同造成的。業界專家建議： 對于非基于應變設計的管線，在可以預見存在縱向應力應變環境下，最好采用環焊縫高匹配，并通過管體母材成分設計改善以及焊接工藝實施避免接頭軟化。 同時，針對目前管線管現場焊接通用標準API 1104，建議增加環焊縫強度匹配和HAZ 軟化的評價指標[9-10]。 然而，在酸性服役環境下，腐蝕介質的作用可能使延性斷裂轉化為脆性斷裂，或者是兩者交叉存在。

1.2 脆性斷裂

管線管環焊接頭脆性斷裂是比較常見的一種失效模式，特別是高壓天然氣輸送管線，脆性起裂后裂紋迅速擴展，在內部壓力作用下難以快速止裂，經常造成災難性后果，成為業界非常關注的技術話題。 當前，針對比較薄弱的管線管環焊接頭，為了防止服役過程中脆性斷裂事故的發生，一般采用斷裂韌性 （KIC、CTOD、J 積分）和沖擊韌性作為評價指標。 前者表征裂紋 （接頭中的面缺陷統稱） 起裂與穩定擴展能力，斷裂韌性值越高，初始裂紋越不容易發生失穩擴展與斷裂，接頭越安全。 后者表征裂紋起裂后的止裂能力，沖擊吸收功越高，裂紋擴展過程中越容易止裂。 管線管環焊接頭斷裂韌性與沖擊韌性的影響因素很多，最主要的影響因素是接頭區域微觀組織類型和組織均勻性[11-12]。 即使焊縫金屬的鑄態組織，如果柱狀晶內部為均勻分布的針狀鐵素體或貝氏體，韌性指標也較高。 在HAZ 區域，處于不同的焊接溫度區間的微觀組織存在很大的不均勻性，所以，韌性指標的波動也很大。

針對斷裂韌性指標，不同的測試方法試驗條件苛刻程度不同，所得到的結果保守度也不同，如圖2 所示。 如果采用比較保守的試驗評價方法并需要滿足相同尺度的驗收標準值，勢必需要從材料設計、焊接工藝設計、質量控制等多方面保證，并增加設計和施工成本。 從合于使用 （fitness for purpose） 的角度考慮，適當降低試驗評價方法的保守度，并滿足管線服役條件與運行安全，可以大大降低成本，縮短建造周期。 當前，針對管線管環焊接頭基于服役運營過程的合于使用性研究也在廣泛開展[13-14]。

近年來，很多研究發現，管線管多層多道環焊接頭HAZ 存在局部脆化區 （LBZs）。 在一次熱循環焊接熱影響區中，根據所受熱循環峰值溫度的不同，可以分為粗晶區 （過熱區，CGHAZ）、細晶區 （正火區、相變重結晶區，FGHAZ）、臨界區 （不完全重結晶區，IRHAZ） 和亞臨界區（回火區，SCHAZ）。 其中，粗晶區處于自由能最高的非平衡態，也是整個熱影響區最薄弱地帶。大量研究表明，經過二次或多次熱循環，粗晶區組織特征變化最大。 根據二次熱循環峰值溫度的不同，一次熱循環粗晶區依次演化為： 未變再熱粗晶區 （URCGHAZ，1 100～1 300 ℃）、過臨界再熱粗晶區 （SRCGHAZ，900～1 100 ℃）、臨界再熱粗晶區 （IRCGHAZ，700～900 ℃）、亞臨界再熱粗晶區 （SCGHAZ，700 ℃以下）。 二次熱循環后形成的不同位置CGHAZ 特征區域如圖3 所示。其中，臨界再熱粗晶區內將發生脆性組織轉變，并成為整個焊接接頭中的局部脆化區 （LBZs)[15-16]。局部脆化區可能不會使接頭韌性指標整體降低，但促使韌性值出現不穩定性和一定波動，特別是CTOD 斷裂韌性，在熱影響區位置經常表現為離散分布，如圖4 所示。 HAZ 位置 CTOD 值離散性遠大于焊縫金屬和熔合線位置。

圖3 二次熱循環后形成的不同位置CGHAZ 特征區域

圖4 X70 管線管手工環焊接頭不同位置CTOD 斷裂韌性與沖擊功

管道焊接接頭局部脆化現象及其對接頭韌性與管道系統整體結構完整性的影響引起了工業界的廣泛關注。 國內一些高等院校、研發機構通過焊接熱模擬方法進行系列二次熱循環峰值溫度下管線鋼組織性能變化研究，主要側重于制管雙面埋弧焊接熱影響區局部脆化行為[17-18]。 國外油氣管線行業對管線管環焊接頭局部脆化行為高度重視，近年來，Shell、Worleypasons、Statoil 等與Welspun、NSC、JFE 等管材供應商共同參與了DNVGL 策劃的JIP 項目——“管線管直縫與環縫焊接接頭局部脆化區 （LBZs） 韌性研究”，旨在通過運用統計學工具分析前期各參與方掌握的大量數據，并運用斷裂力學與有限元方法建立SRA （structural eeliability assessment） 模型，評估接頭局部脆化行為對結構完整性的影響，試圖對直縫與環縫接頭沖擊與斷裂韌性判定標準向寬松的方向進行修改[16]。 英國TWI 也在研究報告中明確了接頭局部脆化區的存在，并探討了其對接頭整體性能的影響。

1.3 疲勞開裂

疲勞行為是材料或結構在循環載荷作用下發生的一種累計損傷過程。 金屬材料基體的疲勞失效過程包括了疲勞裂紋萌生、穩定擴展與失穩斷裂，其中第一階段的裂紋萌生占據了疲勞壽命的大部分。 焊接接頭疲勞行為與金屬材料基體最大的區別在于焊接過程中產生了大量宏觀或微觀不連續初始疲勞裂紋源，無需裂紋萌生直接進入擴展階段，由焊接結構設計因素和幾何因素共同產生的應力集中加速了疲勞失效過程[5]。

多年來，國際知名學者與研究機構對金屬焊接結構疲勞行為開展了大量研究工作，如：Gurney、Maddox、Kainuma、增淵興一、董平沙等，均對影響焊接接頭疲勞性能的主要因素以及接頭壽命預測方法進行了研究。 其中，Gurney博士在TWI 工作期間的大量研究發現： 基本金屬屈服強度和抗拉強度對焊接接頭疲勞行為影響不大，在應用屈服強度為350～730 MPa 的結構鋼進行疲勞試驗時，其S-N 曲線均分布在同一窄帶中，在壽命區間內具有基本一致的斜率。 因為不同強度級別焊接接頭在加載過程中均形成了很大的應力集中，甚至超過了金屬本身屈服強度，應力集中成為接頭疲勞強度的主要影響因素。 焊接殘余應力對結構疲勞強度與疲勞壽命的影響不顯著[19]。

研究表明，影響焊接結構疲勞失效的主要因素包括接頭區域應力集中、焊接缺陷形成的初始裂紋源、焊接殘余應力、微觀組織特征、尺寸因素與疲勞載荷特點等。 針對焊接接頭疲勞失效特點，采用基于斷裂力學的疲勞裂紋擴展速率法（FCGR） 進行接頭疲勞行為與壽命評估更加合理。疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子幅關系曲線如圖5 所示。 管線管焊接接頭服役過程中，特別是受到內部壓力波動及海浪沖刷等疲勞特征載荷時，增加了接頭疲勞失效概率。 當受到腐蝕介質共同作用時，特別是在低頻率、高應力比條件下，腐蝕疲勞與SSCC 聯合作用，將加速接頭失效[5,20]。

圖5 疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子幅關系曲線

1.4 應力腐蝕與氫致脆化開裂

SSCC 是在拉伸應力 （外部載荷或焊接殘余應力） 和腐蝕介質聯合作用下產生的一種低應力失效破壞。 一般認為，SSCC 是由于材料內部電極電位差形成了原電池效應，并造成陽極溶解以及陰極氫致脆化共同造成的。 所以，SSCC 與HIC 經常同時發生作用，如圖6 和圖7 所示。 一般情況下，SSCC 由應力腐蝕臨界應力場強度因子 （KⅠSCC，可以通過斷裂力學的方法測得） 控制，當裂紋前端應力強度因子KⅠ>KⅠSCC時，就會發生應力腐蝕失效破壞。 當前，根據標準要求，一般應用NACE A標準溶液進行管體與接頭應力腐蝕開裂敏感性評價。 然而，已有研究表明： 對于碳鋼與低合金鋼管而言，NACE A 標準溶液偏苛刻，因為對于H2S含量較高的輸送介質，一般應用耐蝕鋼管或雙金屬復合管輸送至處理場站，經過處理的輸送介質H2S 含量大大降低。 從合于使用的角度考慮，有必要開發新的符合實際使用場所的SSCC 試驗溶液，降低評價結果的保守度[5,20]。

圖6 應力腐蝕開裂機理

圖7 氫致脆化開裂機理

HIC 是一個非常復雜的過程，針對氫致脆化機理的研究也有很多。 一般認為： 金屬材料或焊接接頭中的氫原子在應力作用下容易向結構內部的三向應力集中區聚集，包括裂紋或缺口尖端、晶界或相界面、位錯聚集處、應變集中處等，氫原子濃度增大，一方面可能由于內壓力過大發生斷裂，另一方面可以降低晶粒間結合力或相界面結合力，從而引起脆性斷裂。 焊接接頭中的氫可能來源于母材或焊接材料，也可能來源于外界環境。 當SSCC 與HIC 存在交互作用時，對接頭的危害更大[5-6]。

2 耐酸管環焊接頭安全評價

針對重要焊接結構服役運行安全，業界提出了工程臨界評估 （ECA） 概念。 基于合于使用原則，以斷裂力學、材料力學、彈塑性力學及可靠性系統工程為基礎，在焊接結構中可能存在構件形狀、材料性能偏差和缺陷的前提下，通過應力分析、斷裂力學、材料試驗、質量檢查、無損探傷等科學分析，保證結構在服役期間不發生任何已知機制，如脆性破壞、疲勞時效、應力腐蝕等失效事故。 當前，基于 BS7910 標準的 ECA 評估方法得到業界廣泛認可[21-22]。

BS7910 評定方法以斷裂力學為基礎，采用失效評定圖 （FAD） 進行評定。 根據斷裂力學理論，當受載結構中存在裂紋等缺陷時，裂紋尖端將產生一個驅動力并導致裂紋擴展，該驅動力稱為應力強度因子KⅠ，與結構所受載荷以及裂紋長度正相關。 材料或本身具有的韌性會在裂紋尖端產生一個抵抗裂紋擴展的阻力，即材料的斷裂韌性。 當應力強度因子小于材料的斷裂韌性的時候，裂紋處于穩定狀態，不會發生擴展，否則，裂紋將一直擴展直到導致結構破壞。 基于BS7910 的ECA 安全評估，根據應用的數據多少，保守程度可分成 1～3 級，級別越高，需要的數據越多，保守程度越低[23]。

通過對含缺陷結構實際承受的載荷和缺陷所在位置、材料性能等進行分析，通過計算得到評定點橫坐標和縱坐標，確定該點在FAD 圖中的位置。 如果評定點位于坐標軸和FAD 曲線所包圍的區域，該缺陷可接受，否則缺陷不可接受。典型的二級評定FAD 曲線如圖8 所示。

圖8 基于BS7910 標準的工程臨界評估二級評定FAD 曲線

針對酸性服役環境下管線接頭的ECA 評估，標準中沒有酸性環境數據的輸入路徑。 一般認為，應用酸性環境下得到的材料或結構斷裂韌性值作為輸入條件，即可考慮酸性環境對接頭整體安全的影響。 當前國內已經公開的報導中尚未發現關于酸性環境接頭的斷裂韌性評價。 在國外，DNVGL 與TWI 均嘗試開展酸性環境管線管環焊接頭斷裂行為評價，圖9 為DNVGL 針對X65MS耐酸管環焊接頭進行的斷裂韌性評價結果。 由圖9可見，酸性環境下，斷裂韌性指標顯著下降，這可能與H+在應變集中條件下裂紋尖端的聚集行為致脆有關[14,24]。 該領域的研究工作需要持續深入開展。

圖9 X65MS 耐酸管環焊接頭酸性環境與空氣環境斷裂韌性評價結果 （DNVGL）

3 需持續開展的工作

為了保證油氣輸送管線系統整體安全，特別是在酸性服役環境下環焊接頭脆性斷裂、腐蝕疲勞以及SSCC 和HIC 交互作用的不利影響，同時兼顧設計、施工和運營成本，從合于使用的角度出發，今后需要持續開展以下研究工作：

（1） 基于不同的測試方法得到的斷裂韌性值保守程度不同，需要深入開展不同測試方法合于使用性研究，同時對當前主流標準中要求的斷裂韌性指標驗收值的合理性進行探討。

（2） 通過開展大尺寸或整管加載試驗模擬使用環境，特別是對基于斷裂力學的ECA 評估結果的安全性進行驗證，從理論和試驗兩個維度保證管道系統的整體安全。

（3） 針對酸性環境與力學載荷耦合后對管道環焊接頭性能的不利影響，需要進行系統研究，包括SSCC 與HIC 的相關性、NACE A 標準溶液的合于使用性、酸性環境斷裂韌性指標的合于使用性、腐蝕疲勞行為及控制等。