靜水壓試驗后直縫埋弧焊管鼓脹原因分析

張 驊，張 衡，馬立新，劉鑒衛(wèi)

（1.渤海石油裝備制造有限公司，天津300457；2.巨龍鋼管有限公司，河北 青縣062650）

在焊管的所有檢測與試驗中，靜水壓試驗可用來檢查焊管是否有焊接缺陷，并能在一定程度上減少焊管的殘余應力，由于其可準確地檢出貫穿性缺陷而成為鋼管制造工藝流程中必不可少的檢驗項目，在國內(nèi)外管線項目中也是用戶比較關注的重要工序之一［1-4］。2020年某公司在檢測某工程項目用X80MΦ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管的過程中，3根焊管在靜水壓試驗后出現(xiàn)管體鼓脹現(xiàn)象，該3根焊管為同一A爐批鋼板生產(chǎn)。為進一步查找靜水壓試驗后Φ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管管體鼓脹原因，筆者進行了調(diào)查分析。

1 生產(chǎn)和檢驗過程調(diào)查

焊管生產(chǎn)線采用的是JCOE直縫預精焊生產(chǎn)線，終焊采用埋弧自動焊接工藝［5-10］。工程項目技術標準以API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》（45版）為基礎，對產(chǎn)品的外觀尺寸、力學性能等質(zhì)量指標要求進行了提升。靜水壓試驗要求Φ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管在23.4 MPa靜水壓試驗壓力下保壓16 s，試驗過程中整個焊縫或管體應無泄漏，試驗后應目視檢查無明顯形變和管壁鼓起。

對于靜水壓試驗時出現(xiàn)鼓脹的焊管，其進行靜水壓試驗時，雖然壓力可加壓至23.4 MPa，但是在保壓過程中封堵端漏水，焊管無法持續(xù)保壓16 s，未獲得合格水壓曲線。目測靜水壓試驗未通過的焊管，其局部區(qū)域鼓脹，而且在輥道運送過程中會出現(xiàn)跳動，不能正常傳輸。每間隔1 m測量焊管外周長，結果顯示管體部分區(qū)域外周長超出技術要求。追溯靜水壓試驗前焊管外周長信息，檢驗結果滿足技術要求。鼓脹焊管靜水壓試驗前后外周長變化見表1。由此可見，靜水壓試驗后管端外周長增長了1.5 mm以上，管體外周長增長更為明顯。

表1 Φ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管靜水壓試驗鼓脹前后外周長測量數(shù)值mm

原料壁厚是靜水壓試驗的影響因素之一，核實鋼板板厚，發(fā)現(xiàn)鋼板板厚符合技術要求；從管頭向管尾測量多點制管后母材壁厚，發(fā)現(xiàn)母材壁厚亦滿足技術要求。鼓脹焊管相關尺寸見表2。

表2 Φ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管發(fā)生鼓脹焊管相關尺寸mm

2 理化檢驗

2.1 化學成分

按照ASTM A 751—2014a《鋼制品化學分析標準試驗方法、實驗操作和術語》，對鼓脹焊管母材（A爐批）的化學成分進行光譜分析，檢驗結果滿足技術標準要求，而且與其他爐批的化學成分相比差別甚微。焊管母材化學成分（質(zhì)量分數(shù)）檢驗結果見表3。

表3 Φ1 219 mm×27.5 mm X80發(fā)生鼓脹焊管母材化學成分（質(zhì)量分數(shù)）檢驗結果%

2.2 拉伸性能

因焊管鼓脹區(qū)域為周向整體膨脹，筆者認為母材橫向拉伸性能沿焊管周向分布較為均勻，后續(xù)試驗結果也驗證了這一推斷。因靜水壓試驗后焊管外周長變化存在較大差異，部分區(qū)域外周長超出了技術要求，母材拉伸強度均勻性有待確認。

選取1號鼓脹焊管，在管體外周長不合格區(qū)域沿周向截取母材橫向拉伸試樣，取樣位置為1點鐘、3點鐘、6點鐘、9點鐘、11點鐘（焊縫為12點鐘位置）；在3根鼓脹焊管的頭部、管體外周長合格區(qū)域、管體外周長不合格區(qū)域、尾部距焊縫180°取母材橫向拉伸試樣。因為管線鋼的碳含量較低，在經(jīng)過冷變形制成鋼管以后，當受熱溫度在200℃以上就會產(chǎn)生應變時效［11］，故截取400 mm×400 mm試塊。按照ASTM A 370—2019《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》要求，采用Φ12.7 mm圓棒試樣進行母材橫向拉伸試驗。

1號鼓脹焊管各周向位置母材拉伸試驗結果見表4，1號鼓脹焊管長度方向屈服強度和抗拉強度分布如圖1所示。試驗結果顯示：①母材橫向拉伸性能沿焊管周向分布較為均勻，屈服強度極差為27 MPa，抗拉強度極差為37 MPa；②沿焊管長度方向不同區(qū)域母材拉伸性能分布亦較為均勻，屈服強度極差小于30 MPa，抗拉強度極差小于15 MPa，但是試驗結果均不滿足焊管技術要求，即便形變最大區(qū)域屈服強度仍然低于555 MPa，母材強度自焊管頭端至尾端呈降低趨勢。

表4 1號鼓脹焊管各周向位置母材拉伸試驗結果

圖1 1號鼓脹焊管長度方向屈服強度和抗拉強度分布

同時，對比A爐批鋼管與其他爐批鋼管母材的拉伸性能發(fā)現(xiàn)，該爐批屈服強度平均值低于其他爐批37 MPa，抗拉強度平均值低于其他爐批50 MPa，拉伸試驗結果不滿足技術要求，而且其他爐批焊管的拉伸強度整體偏下限。焊管母材橫向拉伸試驗結果見表5。

表5 Φ1 219 mm×27.5 mm X80M直縫埋弧焊管母材橫向拉伸試驗結果

對A爐批剩余鋼板頭部、尾部在寬度1/2處取母材橫向拉伸試樣，按照ASTM A 370—2019要求，采用全壁厚矩形試樣，鋼板拉伸強度整體偏低，個別鋼板抗拉強度低于標準下限；且頭尾兩端強度相當，極差均在10 MPa范圍內(nèi)。鋼板母材橫向拉伸試驗結果見表6，A爐批鋼板屈服強度平均值低于其余爐批鋼板24 MPa，抗拉強度平均值低于其余爐批25 MPa，伸長率及屈強比兩者相當。

表6 X80M鋼板母材橫向拉伸試驗結果

此外，A爐批鋼板拉伸曲線存在較明顯的屈服平臺，其余爐批鋼板拉伸曲線為典型的X80M管線鋼圓拱形曲線，兩者差異明顯。鋼板及其焊管的拉伸曲線如圖2所示。

圖2 X80M鋼板及其焊管的拉伸曲線

2.3 母材硬度

按照ASTM E 384—2011《材料顯微硬度測試方法》檢驗母材硬度，檢測結果見表7。3根焊管母材的硬度滿足技術要求（要求硬度≤280 HV10），但與合格爐批相比，A爐批焊管母材的硬度偏低。

表7 X80M焊管母材硬度檢測結果HV10

2.4 母材金相

按照ASTM E 112—2013《平均晶粒度測定的試驗方法》、GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》、技術要求對母材的晶粒度、非金屬夾雜物及帶狀組織進行檢測。焊管母材夾雜物等級D細為0.5，其余為0；帶狀組織A爐批2級，其他爐批1級，均滿足技術要求。與其余爐批晶粒度12級相比，A爐批的晶粒度10.6～11.0級，較粗大。

A爐批和其余爐批母材金相組織如圖3～4所示。目測母材試樣，A爐批母材的金相試樣表面存在類似劃痕狀條紋，在光學顯微鏡下觀察時發(fā)現(xiàn)這些條紋不是機械劃痕，為未形成常規(guī)帶狀的塊狀鐵素體；母材金相組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體，壁厚中心較表層多邊形鐵素體比例增多，晶粒度較表層粗大，中心組織中MA組元為黑塊狀，且主要沿晶界分布。其他爐批母材的金相顯微組織為針狀鐵素體+粒狀貝氏體，且組織、晶粒度分布均勻，表層組織中MA組元多為點狀，彌散性分布于基體上，中心組織MA組元變?yōu)樾u狀。

圖3 A爐批母材金相組織

3 分析及討論

3.1 靜水壓試驗的影響

API Spec 5L規(guī)定：如果在靜水壓試驗中采用了產(chǎn)生軸向壓應力的端面密封堵頭，當規(guī)定試驗壓力產(chǎn)生的環(huán)向應力超過規(guī)定最小屈服強度的90%（該批次鋼管取值95%），靜水壓試驗壓力P用公式（1）確定［12-14］。將X80MΦ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管的各參數(shù)代入公式（1），可計算出該焊管的靜水壓試驗壓力為23.4 MPa。

圖4 其余爐批X80M母材金相組織

如果不考慮端面密封環(huán)向應力對焊管的影響，靜水壓試驗壓力P用公式（2）確定，環(huán)向應力取該材料最小屈服強度555 MPa的95%，D與t分別為1 219 mm、27.5 mm，計算結果為23.8 MPa。

因此，所采用的靜水壓試驗壓力值23.4 MPa已考慮端封夾緊力所產(chǎn)生的軸向壓應力這一影響因素，確認管體鼓脹變形與靜水壓試驗本身無關。

3.2 理化性能分析

統(tǒng)計近兩年數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該鋼廠X80M厚壁鋼板具有連續(xù)的屈服行為，其拉伸曲線為圓拱形，且金相顯微組織為均勻的粒狀貝氏體+針狀鐵素體。鋼板拉伸強度數(shù)據(jù)分布較集中，屈服強度580～620 MPa，抗拉強度670～690 MPa；制管后屈服強度會上升20 MPa左右，抗拉強度會上升10 MPa左右。

此次發(fā)生鼓脹的焊管，其母材的拉伸性能及顯微組織均異常：鋼板拉伸曲線出現(xiàn)了較明顯的屈服平臺；母材晶粒度較大，為10.6～11.0級；顯微組織中的多邊形鐵素體較多，約占30%。

X80M管線鋼的組織多為針狀鐵素體+粒狀貝氏體。針狀鐵素體板條中高密度可移動位錯的存在使得多滑移易于實現(xiàn)，該組織鋼具有連續(xù)的屈服行為和高的形變強化能力。粒狀貝氏體亞結構位錯密度高，在管線鋼中，由于MA組元細小，有較好的強韌特性，以該組織為主的鋼的應力-應變曲線表現(xiàn)為連續(xù)的屈服形態(tài)，形變強化能力較好。對于無需考慮包申格效應的X80M管線鋼而言，焊管JCO成型過程中形變強化起主導作用，制管后管體強度升高，而上升的多少取決于顯微組織類型。

多邊形鐵素體亞結構位錯密度低、沒有明顯的亞結構，導致材料強度較低、塑性較大，其應力-應變曲線具有明顯的屈服平臺，形變強化能力差。

由此可見，較多量的多邊形鐵素體的存在導致了該X80M直縫埋弧焊管拉伸性能的異常，致使靜水壓試驗失效，管體變形鼓脹。鋼板性能產(chǎn)生差異的根本原因為：軋制過程中鋼板在高溫停留時段過長，噴淋水冷不及時，形成了大量的多邊形鐵素體。

4 結 論

此次X80MΦ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管在靜水壓試驗后發(fā)生鼓脹的原因是母材顯微組織異常。X80M管線鋼中多邊形鐵素體較大比例的出現(xiàn)，導致管線鋼強度低，拉伸曲線出現(xiàn)了較明顯的屈服平臺，管材形變強化能力降低，從而造成焊管在靜水壓試驗后出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象。

焊管發(fā)生鼓脹后，焊管制造公司與原料廠家進行了溝通，鋼廠反饋的原因與筆者分析相一致，鋼廠在質(zhì)量追溯過程中發(fā)現(xiàn)鋼板高溫控時較長、冷卻不及時，導致了A爐批鋼板性能出現(xiàn)異常。

為防止類似鼓脹問題再次發(fā)生，原料廠家及焊管制造公司可采取以下措施：①原料廠家加強鋼板質(zhì)量控制，嚴控鋼板軋制參數(shù)；②在鋼板訂貨協(xié)議中增加X80鋼級管線鋼拉伸曲線形態(tài)的要求，要求拉伸曲線應為圓拱形；明確X80鋼級管線鋼顯微組織要求，如組織類型、多邊形鐵素體占比等；③焊管制造公司應加強鋼板入廠檢驗環(huán)節(jié)控制，適量增加鋼板抽檢比例，嚴格控制原料質(zhì)量。