高鋼級管道環焊縫裂紋失效分析

雷錚強， 戴聯雙， 王富祥， 王維斌， 馮慶善

(1.國家管網集團科學技術研究總院分公司，河北 廊坊 065000；2.國家石油天然氣管網集團有限公司，北京 100013)

創新點： 首次系統總結了當前國內含裂紋缺陷的環焊縫失效分析流程和結果，揭示了環焊縫裂紋缺陷出現的現象和規律，并針對新建管道和在役管道環焊縫開裂失效分別提出了針對性安全管控措施建議。

0 前言

隨著國內油氣管道環焊縫安全質量風險排查工作[1-3]的深入開展，國內相關管道業主單位首次面臨環焊縫裂紋失效形成機制不清楚，防范管控措施不明確等技術和管理難題。在此情況下，數十道含裂紋缺陷的環焊縫割口被送檢，進行失效分析和裂紋成因調查。目前國內絕大多數環焊縫裂紋缺陷出現在X70及X80等高鋼級輸氣管道，其失效分析內容主要側重裂紋缺陷的檢測與驗證、管材及環焊縫理化性能檢驗、金相觀察及裂紋斷口分析，以及裂紋成因分析等方面。基于當前含裂紋缺陷環焊縫的失效分析技術現狀和結果，文中進行統計分析和存在問題梳理，歸納總結失效因素和結論，為環焊縫失效分析和管理深化提供參考依據。

1 含裂紋缺陷的環焊縫排查結果概述

據不完全統計，已開挖2萬余道環焊縫中，通過無損檢測發現含裂紋缺陷的環焊縫500余道，且裂紋缺陷主要集中在X70和X80等高鋼級、大口徑輸氣管道。如圖1所示，大口徑管道主要是以西二線和中緬等天然氣管道為代表的OD1219和OD1016 2種管徑，主要涉及X80和X70 2種管材，其天然氣管道上發現的含裂紋缺陷環焊縫占比超過98%。因此，大口徑、高鋼級輸氣管道是環焊縫裂紋成因和失效風險管控的重點對象。

圖1 含裂紋缺陷環焊縫的分類統計結果

環焊縫開挖無損檢測常用手段包括射線檢測和超聲檢測，這2種無損檢測手段相互補充，可對裂紋缺陷進行定性和尺寸量化。由于現場條件、缺陷誤判等影響，通過上述無損檢測報告的裂紋缺陷，除真實裂紋缺陷外，還可能包括未熔合、形狀不規則的條形缺陷等，缺陷形貌參如圖2所示。顯然，除真實裂紋缺陷外，未熔合等具有裂紋特征的平面型缺陷，其形成機制可歸因為施工條件和焊接操作等管道施工環節。而真實裂紋缺陷包括熱裂紋、冷裂紋和管道服役階段形成的焊縫開裂等，其形成時期涉及管道施工和運營2個不同階段，是環焊縫裂紋成因分析和失效防控的重要范圍，對提升管道環焊縫的本質安全有重要意義[4-6]。

圖2 環焊縫裂紋缺陷的真實形貌

2 失效分析內容及前期工作概述

2.1 失效分析內容

如圖3所示，為開展環焊縫失效分析并確定裂紋成因，從現場服役條件數據采集、割口環焊縫宏觀形貌測量、環焊縫缺陷無損檢測、母材及焊縫常規性能測試、斷面分析及裂紋成因分析等6個環節展開。其中，割口環焊縫宏觀形貌測量、環焊縫缺陷無損檢測、母材及焊縫常規性能測試等3個方面的失效分析內容有較明確的管道設計施工規范，其失效分析主要的目的是驗證環焊縫的真實狀況及是否符合相關標準規范要求。現場條件數據采集、斷面分析方面，側重對環焊縫的附加載荷、環焊縫缺陷的宏微觀形貌、缺陷附近化學成分等理化性能的深入剖析。最后通過現場和試驗室的失效分析數據，推斷環焊縫裂紋的成因。

圖3 含裂紋缺陷環焊縫失效分析的主要流程及內容

當前，由于環焊縫裂紋焊口分布分散，涉及南北氣候、山區和平原等多種地理環境，同時還涉及不同地區管道設計、建設、運營和失效分析工作承擔單位。失效分析報告的格式、內容、和執行標準和結論存在差異，文中基于擇優原則對失效分析的不同環節，進行相關內容的歸納和總結，為后續的相關失效分析工作提供經驗借鑒。

2.2 服役條件數據采集

現場服役條件所采集的數據主要包括管道基本屬性和服役環境2個方面。管道基本屬性數據包括：鋼級、壓力、管徑、壁厚、管長、焊接工藝、焊口類型(連頭口、變壁厚口及返修口等)、施工年份、施工季節、施工單位、檢測單位及結果、監理單位等。服役環境數據包括地形、穿跨越情況、埋深、高程、內檢測報告焊縫異常情況、壁厚差、與連頭口等特殊焊口的距離、與彎管距離、割口后管道錯口情況、焊口坐標等。

服役條件數據主要用于環焊縫是否存在明顯的附加載荷評估，如連頭口、變壁厚、穿跨越等產生的應力集中、管道組裝應力及可能的疲勞載荷等。如圖4所示的某輸氣管道切口后錯口情況，需要在割口前測量到到管道軸向和徑向的錯口位移，后期可通過有限元等方法[7]對管道環焊縫的附加拉應力和切應力進行評估。

圖4 某輸氣管道切口后錯口情況示例

2.3 割口環焊縫宏微觀形貌測量

結合管線現場焊接的工藝規程和外觀檢查等要求，割口環焊縫被送至失效分析機構時，首先進行外觀檢測并記錄結果。表1為對環焊縫寬度、余高、錯邊和管道壁厚、是否存在焊瘤等數據進行測量，并與相關施工驗收標準相比較，其結果可在一定程度上反應出管道環焊縫是否存在成形不良等施工質量情況。在后續的金相分析階段，還會觀測焊道數和焊層數。等割口環焊縫宏微觀形貌如圖5所示，其中包括了正常環焊縫、成形不良及內部焊瘤等常見情況。

表1 割口環焊縫宏微觀形貌測量結果與標準對照表

圖5 正常環焊縫與成形不良環焊縫示例

環焊縫的施焊層道數沒有明確的標準要求，但是通過已開展的失效分析案例發現，焊接層道數偏低的環焊縫，通常與焊縫成形不良、焊接缺陷、斷裂韌性偏低等現象有關，其可能原因是對口間隙小、對口應力大、焊接電流增大導致了焊縫力學性能降低等。如圖6所示15.3mm/18.4 mm變壁厚X80管道環焊縫，金相試樣進行觀察發現存在一高度為 5.7 mm的埋藏裂紋，位于5:48方位，裂紋處有明顯的根部補焊痕跡，底部焊縫僅由2層3道內部補焊而成，焊縫單個沖擊吸收能量最低值為8 J。過大的內補焊熱輸入和焊層厚度，導致填充焊縫材料沖擊韌性下降，造成微孔處焊縫開裂，與其它大多數焊縫裂紋存在于根部位置形成鮮明對比。

2.4 割口環焊縫缺陷的無損檢測

割口送檢后再次在試驗室條件下進行無損檢測，一方面用于對裂紋等環焊縫缺陷的定性和準確定位，為環焊縫缺陷的微觀試樣和力學性能測試試樣做準備。另一方面，通過對比建設期底片，確定環焊縫中的裂紋缺陷的形成時期。

對照建設期底片和管道運行若干年后的開挖復拍底片，根據建設期有無裂紋的黑度顯示，判斷裂紋是在焊接施工過程產生，還是在管道運行過程產生。判斷裂紋產生的時期和增長情況，有助于分析裂紋的成因和明確裂紋缺陷管段進一步發生開裂失效的管控措施。

需要指出的是，對于小部分發現的管道環焊縫根部開口的裂紋，其深度較淺導致底片的黑度顯示不明顯。因此在環焊縫裂紋缺陷的檢測中，通常還同時采用了UT，TOFD，PAUT等超聲檢測技術[8]進行平面型缺陷的檢測，彌補射線檢測的在淺表面裂紋和缺陷深度尺寸量化方面的不足。

3 失效分析結果及裂紋成因

3.1 環焊縫裂紋失效分析規律總結分析

表2中共進行了23個X80和X70輸氣管道環焊縫的失效分析，主要結果入列表所示。這23個環焊縫，均通過環焊縫斷面觀察確定為裂紋缺陷，不包括未熔合等平面型缺陷。

表2 X70及X80管道環焊縫裂紋失效分析結果

3.1.1裂紋缺陷的形成時期

對裂紋缺陷的建設期射線檢測底片復審，發現12道環焊縫的建設期底片中存在裂紋的線性黑度顯示，約占全部23處裂紋環焊縫的52%。由此可見，管道運行期形成的環焊縫裂紋比例與焊接施工產生的裂紋缺陷比例相當。

3.1.2裂紋缺陷的位置

如圖7所示，按照裂紋環焊縫裂紋分為根焊裂紋和填充焊裂紋，通過斷面觀察，根焊裂紋共有20處，占23處失效分析裂紋缺陷的87%。并且從環焊縫裂紋沿管道周向的時鐘方位看，大部分裂紋出現在管道頂部(10:00～2:00附近)和底部(4:00～8:00)附近(圖8)，且大部分裂紋位于變壁厚環焊縫。

圖7 環焊縫根焊裂紋與填充焊裂紋形貌

圖8 環焊縫裂紋缺陷的時鐘方位分布

3.1.3含裂紋環焊縫與焊縫成形狀況相關性

從環焊縫余高、錯邊，以及是否存在焊瘤內凹等外觀情況，給出了環焊縫焊接成形差和良好2種分級。由表2可見，出現裂紋缺陷的環焊縫的焊接成形狀況通常較差，少數出現裂紋的環焊縫成形狀態良好，但進一步的外觀檢查和斷面觀察發現，也常見補焊、打磨等情形。

3.1.4焊縫力學性能指標

相關設計和施工標準給出管道現場焊接環焊縫的強度和沖擊韌性指標要求。對于X80和X70管道環焊縫，其抗拉強度不低于625 MPa和570 MPa，沖擊韌性不低于60 J和56 J，環焊縫硬度不高于300 HV和275 HV，見表2。根據環焊縫力學性能的測試結果，測試的18個含裂紋環焊縫的沖擊性能，共有14個沖擊性能不合格，約占77%。極少數環焊縫的抗拉強度和硬度不合格，相比之下，可見沖擊韌性不合格是環焊縫開裂的關鍵性能指標。

3.1.5環焊縫刻槽錘斷和彎曲性能

刻槽錘斷可驗證環焊縫焊接缺陷是否超標，彎曲性能測試驗證環焊縫的抗彎曲性能。由測試結果可見，經測試的12個含裂紋缺陷環焊縫，其中5個環焊縫的彎曲性能不合格。

3.2 環焊縫裂紋成因探討

3.2.1主要原因

建設期焊接施工不當和裂紋缺陷的漏評誤判。從上述環焊縫裂紋失效分析結果規律可見，變壁厚、管道頂部起弧和底部收弧位置附近出現裂紋比例較大，這些位置的焊接電流波動、焊接施工難度較大，環焊縫沖擊韌性指標偏低，無論是在焊接過程還是在服役過程，均容易發生環焊縫開裂，形成裂紋缺陷。發生在焊接施工階段的裂紋，理論上應通過射線超聲等無損檢測手段發現并去除。但客觀上，存在較淺裂紋缺陷檢測的盲區和現有無損檢測技術局限性，導致裂紋缺陷遺留在環焊縫上。

3.2.2次要原因

根焊應力集中導致裂紋的產生。X80等高強鋼管道環焊縫焊接采用了V形坡口，且根焊的焊條強度等級較填充焊強度等級低[9-10]，在變壁厚、錯邊、內凹等成形不良因素影響下形成根部應力集中，在管道下溝吊裝、服役過程中土體位移產生的附加彎曲載荷等，在超出根焊承載能力和沖擊韌性指標偏低情況下，發生根焊開裂。

3.2.3防范措施及建議

焊接施工環節，加強針對根焊裂紋的無損檢測工藝，減少裂紋漏評誤判可避免約一半的裂紋缺陷。加強環焊縫外觀檢測，對外觀檢測不合格和成形較差的環焊縫，增加檢測項目。對在役管道，重點防范彎曲等附加載荷影響。進一步研究環焊縫裂紋缺陷的失效分析，從裂紋微觀形貌、材料斷裂韌性等角度進行深度分析，研究環焊縫裂紋形成的微觀機理和控制參數。

4 結論

(1)X70及X80管道環焊縫裂紋以根焊開裂形式為主。

(2)變壁厚、管道頂部和底部等位置容易發生環焊縫裂紋缺陷，焊接施工和缺陷無損檢測及評判時應重點關注，盡量避免漏評誤判。

(3)焊瘤、錯邊、余高等外觀檢測指標超標，導致環焊縫成形較差，影響裂紋缺陷的檢出并加重根焊位置的應力集中。

(4)建議對新建管道加強針對管道環焊縫外觀檢測、根焊裂紋檢測工藝。對在役管道，重點防范彎曲等附加載荷影響，并加強環焊縫安全質量風險排查。依托環焊縫裂紋失效分析，進一步研究環焊縫裂紋形成的微觀機理和控制參數。