X80鋼輸氣管道帶缺陷環焊縫的力學性能及兩類裂紋形成原因

李 亮，黃 磊，許 彥，聶向暉，劉迎來，豐振軍，王耀光

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 101100)

0 引 言

目前我國高鋼級油氣管道的運營里程已達到3.5×104km，位居世界第一位[1]。據統計，我國近10 a建成的高鋼級大口徑油氣輸送管線中，在管道建成試壓和投產運行初期就發生了30余起環焊縫開裂和泄漏事故，其中70%以上是由環焊縫焊接缺陷引起的[2-3]?？梢姡h焊縫已經成為我國高鋼級油氣輸送管道最易失效的部位。根據國內外公布的失效分析結果，油氣管道的失效模式主要包括斷裂、變形、腐蝕和機械損傷4類[4]。羅金恒等[5]統計了近幾年發生的10起高鋼級管道環焊縫缺陷導致的管道失效案例，發現焊接缺陷導致的內壁起裂是導致管道失效的主要原因，占比高達90%。

環焊縫開裂作為油氣管道的主要失效形式，具有裂紋長、泄漏量大、對周邊環境和人員安全構成嚴重威脅等特點[6]。因此，定期檢測評估和及時處置環焊縫缺陷具有重要的經濟和社會意義。為保障油氣管道的運營安全，2017年以來，中石油各管道運營公司對所屬轄區內的油氣管道開展了大規模的環焊縫隱患排查治理工作，對隱患排查過程中發現的環焊縫缺陷采取了換管或加裝B型套筒等措施[7]。

在近期對X80鋼輸氣管道環焊縫隱患排查過程中，共發現10處環焊縫存在焊接缺陷。該X80鋼管線公稱直徑為1 219 mm。為進一步了解上述環焊縫的力學性能和缺陷狀況，為后續X80鋼管道環焊縫的施工和評價提供參考，作者對上述環焊縫進行了理化檢測、統計和缺陷解剖分析。

1 試樣制備與試驗方法

研究對象為某輸氣管道存在安全隱患的10個環焊縫接頭，接頭母材均為X80鋼。現場焊接工藝為鎢極氬弧焊(GTAW)打底，焊材型號為ER50-6；自保護藥芯焊絲半自動焊(FCAW)填充和蓋面，焊材型號為E81T8-Ni2J。其中：1#和2#環焊縫連接的是兩根可以自由旋轉的鋼管，1#環焊縫的上下游管道均為螺旋埋弧焊管，2#環焊縫上游管道為螺旋埋弧焊管，下游管道為直縫冷彎彎管；3#～5#環焊縫為用一段鋼管將兩根固定管段連接在一起(連頭)時，先進行焊接形成的環焊縫，6#～10#則為后焊接形成的環焊縫。3#～10#環焊縫上游管道分別為螺旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管、螺旋埋弧焊管、螺旋埋弧焊管、螺旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管、螺旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管，下游管道分別為螺旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管、直縫冷彎彎管、直縫冷彎彎管、螺旋埋弧焊管、螺旋埋弧焊管、螺旋埋弧焊管、螺旋埋弧焊管。

采用MC-3000C型超聲波測厚儀、焊接檢驗尺、鋼卷尺等測量10處環焊縫及其上、下游管道的幾何尺寸。按照SY/T 4109-2013，采用XT1605C型射線探傷機對環焊縫進行射線檢測，透照方式為中心透照，焦距為610 mm，管電壓為160 kV，管電流為5 mA，曝光時間為4 min。按照GB/T 4336-2016，在環焊縫上、下游管道上取樣，采用ARL4460型直讀光譜儀進行化學成分分析，所測螺旋埋弧焊管的樣本數為13根，直縫冷彎彎管的樣本數為7根。

按照Q/SY GJX 0110-2007和GB/T 228.1-2010，分別在10處環焊縫0點、3點、6點、9點位置無缺陷部位，以焊縫為中心沿軸向取全壁厚試樣，試樣長230 mm，寬25 mm，按照標準要求去除焊縫余高；采用SHT 4106型微機控制電液伺服萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，應變速率為0.4 min-1。按照Q/SY GJX 0110-2007和GB/T 2650-2008，在環焊縫0點、3點位置無缺陷部位取樣，每處焊縫中心和熱影響區均各取3個試樣，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，缺口形式為V型，缺口位置符合標準要求，焊縫中心試樣和熱影響區試樣的數量均為60個。使用PSW750型沖擊試驗機進行沖擊試驗，試驗溫度為-10 ℃。按照Q/SY GJX 0110-2007和GB/T 4340.1-2009，使用KB30BVZ-FA型維氏硬度計測試硬度，試驗載荷為98.07 N，保載時間為15 s，測點分別位于母材區、熱影響區以及打底焊和蓋面焊焊縫部位，如圖1所示，每個接頭共取16點測試。

圖1 維氏硬度測試位置示意

在環焊縫裂紋處取焊縫橫截面試樣，經磨光和拋光，用體積分數5%的硝酸酒精溶液腐蝕10 s后，使用Smart Zoom5型超景深數碼顯微鏡和MEF4M型光學顯微鏡觀察裂紋形貌和顯微組織，利用HITACH SU3500型掃描電子顯微鏡附帶的Oxford X-maxN型能譜儀(EDS)進行微區成分分析。

2 試驗結果與討論

2.1 幾何尺寸

由表1可知，10處環焊縫上下游管道的幾何尺寸均符合標準要求，但環焊縫的幾何尺寸控制不佳，有8處存在余高或錯邊量超差現象。

表1 上下游管道和環焊縫幾何尺寸測量結果

2.2 無損檢測

由表2可知，環焊縫中的缺陷主要為未熔合和裂紋，二者在總缺陷中占比約75%。

表2 10處環焊縫射線探傷結果

2.3 化學成分

由表3可知:所有鋼管的化學成分均滿足Q/SY GJX 0102-2007、Q/SY GJX 0104-2007標準要求；螺旋埋弧焊管、直縫冷彎彎管的碳當量分別在0.17%～0.20%、0.16～0.20%，均滿足技術指標要求(不高于0.23%)，這說明管道具有良好的焊接性。

表3 上下游管道化學成分測試結果

2.4 拉伸性能

由圖2可知：在40個環焊縫拉伸試樣中，有4個試樣的抗拉強度低于625 MPa，不符合Q/SY GJX 0110-2007標準要求，抗拉強度不合格率為10%；不同位置試樣的抗拉強度均值介于675～700 MPa之間，波動幅度不大。此外，在拉伸過程中，40個試樣中有17個斷裂于母材，21個斷裂于焊縫，2個斷裂于熔合區；其中4個抗拉強度不合格的試樣中，3個斷裂于焊縫，1個斷裂于熔合區。從上述統計結果來看，環焊縫相對于鋼管母材強度偏低(鋼管母材抗拉強度檢測結果均高于755 MPa)。

圖2 環焊縫接頭不同位置試樣的抗拉強度測試結果

2.5 沖擊性能

由圖3可知：部分焊縫中心試樣出現了沖擊功不合格現象，統計得到不合格率為21.7%(不低于60 J為合格)；熱影響區試樣的沖擊功全部合格(不低于60 J為合格)，但熱影響區沖擊功數值的離散程度大于焊縫中心；熱影響區沖擊功的平均值比焊縫中心高約125 J。

圖3 環焊縫接頭不同位置試樣的沖擊功測試結果

2.6 維氏硬度

由圖4可知：10處環焊縫接頭不同位置處的維氏硬度測試結果均分布在190～280 HV，符合標準要求(測試點樣本數為160個，不高于300 HV為合格)；熱影響區存在一定程度的軟化，打底焊焊縫的硬度平均值低于母材和蓋面焊焊縫。

圖4 環焊縫接頭不同位置維氏硬度測試結果

2.7 裂紋形成原因

2.7.1 7#環焊縫中裂紋形成原因

7#環焊縫中存在2處裂紋，2處裂紋均起源于打底焊與填充焊焊縫交界處的未熔合缺陷，均從未熔合缺陷向上方填充焊焊縫和焊根處擴展，如圖5所示。取其中一條裂紋進一步觀察。由圖6可知：裂紋曲折擴展，在向上方填充焊焊縫中擴展時局部位置出現了次生裂紋(位置2)；未熔合缺陷呈三角形形狀，裂紋在未熔合缺陷的3個尖角處均發生擴展，并且裂紋呈沿晶和穿晶特征；裂紋沿焊縫環向的擴展長度遠遠大于沿焊縫軸向的擴展長度。

圖5 7#環焊縫中裂紋的低倍形貌

圖6 7#環焊縫中裂紋1的微觀形貌

7#環焊縫為管道連頭中后焊的一道焊縫，因焊接時兩側管道固定不動，焊縫中存在較大的拘束應力，這是裂紋擴展的外部原因。打底焊與填充焊焊縫交界處存在未熔合缺陷，未熔合處邊緣存在非常細窄的尖角，應力集中程度較大，這是裂紋擴展的內部原因。這也在童遠濤等[8]和趙金蘭等[9]的研究中得到了證實，即未熔合缺陷端部通常有狹窄尖銳的縫隙，且其尖端前方的熔合線因兩側組織各不相同而成為焊縫的薄弱區域，極易萌生裂紋。因此，該環焊縫裂紋應是產生于管道建設期(焊接后)，在拘束應力的作用下，裂紋從未熔合缺陷邊緣尖角處萌生，并主要沿焊縫環向發生擴展，最終形成了以未熔合缺陷為裂紋源的冷裂紋。

2.7.2 8#環焊縫中裂紋形成原因

由圖7可以看出：8#環焊縫中的裂紋位于焊根區域正中，貫穿整個打底焊焊縫，裂紋前端終止于填充焊焊縫下方熔合線處；裂紋兩側組織呈柱狀晶分布，且與裂紋方向幾乎垂直，裂紋兩側柱狀晶前沿存在諸多大小不等的孔洞；進一步觀察可知，裂紋兩側打底焊焊縫組織無異常，均為多邊形鐵素體(PF)+粒狀貝氏體(GB)+少量晶內針狀鐵素(IAF)組織；靠近裂紋的兩側組織中存在局部聚集的孔洞，局部裂紋邊緣呈鋸齒狀。

圖7 8#環焊縫中裂紋形貌及裂紋兩側顯微組織

由圖8可以看出，8#環焊縫中裂紋沿著晶界擴展。

圖8 8#環焊縫中裂紋的SEM形貌

由圖9和表4可以看出：位置1～4為近裂紋處焊縫金屬中的塊狀偏聚區，位置5為近裂紋處焊縫金屬中的正常區域；塊狀偏聚區硫、碳含量明顯偏高，而正常區域中無硫、碳等元素。由此可見，8#環焊縫中裂紋兩側局部聚集的孔洞實際為硫、碳等元素形成的低熔點雜質偏聚區。

表4 圖9中不同位置EDS測試結果

8#環焊縫中的裂紋位于打底焊焊縫兩側平行生長的柱狀晶交界處，裂紋走向與柱狀晶生長方向近似垂直，且呈沿晶開裂特征；在靠近裂紋的打底焊焊縫中存在硫、碳等元素偏聚現象。在管線鋼焊接熔池結晶過程中，硫、磷等元素的存在易引起結晶偏析，并形成多種低熔點化合物或共晶相[10-12]；在熔池結晶后期，后結晶的低熔點組元和雜質被排斥到柱狀晶前沿或相鄰柱狀晶交界處，形成液態薄膜散布在晶粒間，當冷卻時不均勻收縮產生的拉伸變形超過允許值時，就會在晶粒邊界處分離而形成結晶裂紋[13]。此外，當硫元素以FeS形式存在時，由于FeS在鐵液中幾乎可以無限溶解，而在固態鐵中的溶解度僅為0.015%～0.020%，因此在凝固后期極易以低熔點共晶Fe+FeS(熔點985 ℃)或FeS+FeO(熔點940 ℃)的形態偏析于晶界，從而增大形成結晶裂紋的傾向[14-15]。綜上可見，8#環焊縫中的裂紋為結晶裂紋，其形成原因是硫元素在打底焊焊縫中心偏析并形成低熔點共晶相，在凝固收縮拉應力的作用下發生開裂。

3 結 論

(1) 10處存在安全隱患的環焊縫中，管道連頭后焊接焊縫占比高達50%；環焊縫幾何尺寸控制不佳，10處環焊縫中有8處存在余高或錯邊量超差現象。

(2) 10處環焊縫抗拉強度不合格率為10%，環向不同位置抗拉強度平均值分布較均勻；焊縫中心沖擊功不合格率為21.7%，熱影響區沖擊功全部合格，且其平均值高于焊縫中心；環焊縫、母材和熱影響區的維氏硬度全部合格，但熱影響區存在一定程度的軟化，且打底焊焊縫的硬度低于母材和蓋面焊焊縫。

(3) 環焊縫中的缺陷以未熔合和裂紋為主，二者占比為75%。管道連頭后焊接環焊縫出現2處冷裂紋，均起源于焊根附近未熔合缺陷處，在拘束應力作用下發生擴展開裂；1處結晶裂紋是由于硫元素在打底焊焊縫中心偏析并形成低熔點共晶相，在凝固收縮拉應力作用下發生開裂。

(4) 建議進一步優化焊接工藝，確保焊縫強度和韌性達到標準要求；加強連頭的焊接質量控制，尤其要重點檢查根焊部位的焊接質量，避免出現未熔合、內壁焊趾溝槽等易誘發裂紋的缺陷；嚴格控制焊材成分并調整焊接工藝，避免硫元素在焊縫中心偏聚。