長輸天然氣管線環焊縫失效分析

羅志鵬， 楊 洋

（陜西省天然氣股份有限公司， 西安 710000）

0 前 言

天然氣作為清潔能源在飛速發展的現代工業及民生領域需求與日俱增， 管道輸送技術也隨之快速發展， 目前普遍認可管道輸送為最經濟和安全的方式。 管道焊接接頭由母材、 焊縫及熱影響區組成， 各部分力學性能存在差異， 焊接結構的穩定性也會受到材料不均勻性的影響[1-2]， 所以相比管道整體而言， 對接環焊縫成為整條管線結構的薄弱環節[3]。

在陜某現役天然氣管道設計管徑DN900 mm，材質X70， 設計壓力8 MPa。 巡檢人員巡線時發現兩處地表植被異常死亡， 通過開挖驗證，確認兩處均發生泄漏并進行換管搶修。 一處泄漏點位于彎管與直管段連接環焊縫6 點鐘位置附近， 鋼管規格為Φ914 mm×12.7 mm， 彎管規格為Φ914 mm×16 mm， 角度為18 °； 另一處泄漏點位于直管與直管連接環焊縫6 點鐘位置， 可見裂紋長度約80 mm， 鋼管規格均為Φ914 mm×12.7 mm。 本研究對管道環焊縫泄漏位置進行失效分析， 并提出相應施工管理建議， 為天然氣管線建設提供參考。

1 宏觀形貌分析及壁厚檢測

1.1 宏觀形貌分析

現場取失效管段進行宏觀形貌分析， 分別如圖1 和圖2 所示。 1#環焊縫泄漏處內表面裂紋長于外表面； 漏點處外表面裂紋中心應為兩半周焊的對接處， 存在明顯成形不良現象， 裂紋中心一側沿焊趾處開裂， 另一側沿焊縫擴展； 表面根焊寬度不均勻， 且高度低于母材，存在補焊痕跡， 裂紋長度與補焊痕跡長度基本相同， 未見明顯錯邊現象。 對2#環焊縫泄漏裂紋進行宏觀觀察， 可以看出， 泄漏處內表面裂紋長于外表面， 裂紋開裂位于焊縫直管段焊趾處， 存在明顯錯邊現象。

圖1 失效管段內、外表面焊縫宏觀形貌

圖2 樣品外觀及編號

1.2 壁厚檢測

依據GB/T 11344—2008 《無損檢測 接觸式超聲脈沖回波法測厚方法》 對1#和2#試樣進行壁厚檢測， 壁厚檢測結果見表1， 1#鋼管壁厚平均值為13.00 mm， 2#鋼管壁厚平均值為13.02 mm， 2#環焊縫彎管側壁厚平均值為16.58 mm， 均未發現壁厚減薄現象。

表1 試樣壁厚測量結果

2 試驗分析及性能測試

2.1 無損檢測

2.1.1 磁粉檢測

依據SY/T 4109—2013 《石油天然氣鋼質管道無損檢測》 對1#試樣和2#試樣環焊縫外表面進行全周長100%磁粉檢測， 對表面缺陷進行判定，結果如圖3 所示。 由圖3 可以看出， 1#試樣內表面裂紋長度為135 mm， 外表面裂紋長度為65 mm，且內、 外表面裂紋的一端偏移約20 mm； 2#試樣內表面裂紋長度為150 mm， 外表面裂紋長度為85 mm。

圖3 兩組試樣內、外表面磁粉檢測結果

2.1.2 射線檢測

采用XXG-3005P 型射線檢測儀， 對1#試樣環焊縫和2#試樣環焊縫進行100%射線檢測。 檢測結果表明： 兩試樣環焊縫均存在裂紋、 條渣、 圓缺等缺陷， 其中1#試樣環焊縫裂紋155 mm， 2#試樣環焊縫裂紋132 mm； 1#試樣環焊縫柱孔1 mm 的評級結果為IV 級，其他缺陷評級結果均為Ⅱ級。 無損檢測結果與建設期存檔數據進行對比分析， 兩道環焊縫存檔片均與環焊縫特征相符。

2.2 理化性能測試

2.2.1 化學分析

依據標準GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼多元素測量的測定 火花放電原子發射光譜法》 對母材和環焊縫位置進行化學成分分析， 化學分析結果見表2。 通過表2 可知，2#試 樣 母 材 的 鈮（Nb） 含 量 微 超 標， 且 允 許有+0.01%的偏差， 滿足標準GB/T 9711—2017要求。

表2 母材和環焊縫化學成分分析結果 %

2.2.2 力學性能試驗

依據標準GB/T 2653—2008 《焊接接頭彎曲試驗方法》 對1#試樣環焊縫進行彎曲性能測試。 環焊縫的彎曲試驗取全壁厚的板狀側彎試樣， 彎軸直徑為90 mm， 試驗前去除內、 外焊縫余高， 結果發現試樣未出現裂紋， 滿足SY/T 4103—2006 《鋼制管道焊接及驗收》 標準要求。

采用PSW750 型沖擊試驗機， 依據標準GB/T 229—2007 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》對1#、 2#試樣母材以及環焊縫進行夏比沖擊試驗， 取樣位置如圖4 所示， 沖擊試驗結果見表3。表3 結果顯示， 1#試樣環焊縫11 點鐘焊縫試樣的沖擊性能不能滿足標準要求， 其余均滿足GB/T 9711—2017 的要求。

表3 環焊縫夏比沖擊性能試驗結果

圖4 環焊縫取樣位置示意圖

另對試樣進行落錘撕裂試驗， 結果見表4，檢測結果未見異常。

表4 落錘撕裂試驗結果

2.2.3 金相組織分析

依據標準GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》 對1#、 2#環焊縫試樣進行金相組織分析及低倍檢驗。

1#試樣環焊縫11 點位置根焊組織為貝氏體 （B粒） +多邊形鐵素體 （PF） +晶核內針狀鐵素體（IAF）、 填充組織為B粒+PF、 蓋面組織為粗大B粒， 焊縫熔合區組織均為B粒， 均未見異常； 其5 點鐘位置存在一處未熔合缺陷，7 點鐘位置根焊焊趾有裂紋缺陷， 且周圍組織變形 （如圖5 （a） 所示）。

圖5 兩試樣不同位置根焊焊趾金相組織形貌

2#試樣焊縫3、 7、 12 點鐘位置處的根焊組織均為PF+珠光體（P）、 填充焊組織為B粒+PF、蓋面組織為粗大B粒， 環焊縫細晶區組織均為PF+馬氏體-奧氏體 （MA）， 無明顯異常； 在管體5 點鐘位置處， 焊縫錯邊約3.43 mm； 而在7點鐘、 12 點鐘位置， 根焊焊趾有裂紋缺陷， 且周圍組織變形。 圖5 （b） 所示為12 點鐘根焊焊趾金相組織形貌。

3 焊縫斷口分析

對1#樣品泄漏裂紋斷口進行形貌分析，斷口均發現脫碳層， 脫碳層寬度約200 μm，脫碳層為補焊時二次加熱溫度過高所致， 采用掃描電子顯微鏡進行微觀分析， 如圖6 （a）所示， 斷面中心呈現河流花樣的解理臺階， 具有脆性斷裂特征， 不良組織使得材料抗裂紋擴展能力下降[4-5]。

圖6 掃描電子顯微鏡下觀察的兩組試樣組織形貌

對2#試樣泄漏裂紋斷口取樣進行剖面分析， 斷口根焊焊縫組織與常規根焊組織不同，裂紋區出現魏氏體組織， 說明裂紋區域補焊時焊接熱輸入量較大[6-7]。 采用電子顯微鏡進行微觀分析， 根焊區域組織形貌如圖6 （b） 所示，根焊區域在放大500 倍下能夠觀察到裂紋。 對斷口靠近根部區域進行能譜分析， 結果發現其主要為鐵的氧化物。

對斷口取樣進行硬度測試， 測試位置如圖7所示， 測試結果見表5 和表6， 兩組試樣不同位置硬度值對比如圖8 所示。 由于脫碳導致1#根焊斷口附近硬度值最低， 2#試樣根焊斷口附近硬度值相對較高， 母材硬度未見異常。

圖7 斷口硬度測試位置示意圖

表5 1#試樣斷口環焊縫不同位置硬度測量結果

表6 2#試樣斷口環焊縫不同位置硬度測量結果

圖8 兩組試樣不同位置硬度值對比結果

4 分析討論

結合無損檢測、 理化性能測試和斷口分析試驗結果， 1#試樣環焊縫存在明顯返修焊痕跡， 并在返修位置開裂泄漏， 開裂長度基本與返修焊長度一致。 裂紋從內表面向外擴展， 蓋面焊層達6.8 mm， 大于50%壁厚； 根焊和填充焊層斷口兩側金相組織存在脫碳現象， 表明蓋面層在焊接前已發生開裂， 且蓋面層焊接熱輸入較大， 存在過熱現象[8-9]； 裂紋缺陷在內壓力、 殘余應力和外加載荷的共同作用下擴展至外表面造成環焊縫泄漏失效[10]。 對于2#試樣環焊縫， 發現焊縫的3 點、6 點、 9 點鐘方向均存在明顯錯邊現象， 經過斷口分析， 發現裂紋從內表面向外表面擴展， 根部存在內部返修現象， 蓋面焊層達5.7 mm， 大于40%壁厚， 其組織中存在魏氏體組織， 且硬度增大， 造成環焊縫根部脆性增加； 在焊縫7 點鐘和12 點鐘位置根焊焊趾處均存在裂紋缺陷， 缺陷在附加彎曲應力、 內壓力及殘余應力的共同作用下擴展至外表面造成管體失效。

5 結束語

環焊縫缺陷導致泄漏往往發生在原始裂紋處， 裂紋在內壓力、 殘余應力及外加載荷的共同作用下， 向外擴展導致失效。 通過優化管道設計及轉向角度， 采用降坡或削坡設計等， 減少熱煨彎管使用數量， 以減少不等壁厚組對焊口； 合理規劃管道擺放位置， 避免焊接接頭與地形條件復雜位置疊加產生的影響； 彎管與直管段焊接接頭存在不等壁厚焊趾位置不連續過度應力集中問題， 可改進不等壁厚焊接接頭坡口形式， 并制定不等壁厚焊接接頭專項工藝規程， 控制和提高焊接質量； 在施工過程中， 嚴格執行焊接工藝要求， 無損檢測標準參照NB/T 47013 增加目視檢查的相關規定， 對焊縫外觀成形質量、 咬邊、 錯邊等進行檢查控制， 嚴格評估焊縫返修質量， 減少焊縫返修時組織性能的損傷。