天然氣管道環焊縫缺陷原因分析及控制措施

王永剛

（河北省特種設備監督檢驗研究院張家口分院 張家口 075000）

長輸天然氣管線的失效后果嚴重，可能導致重大的公共安全事故，給人民生命財產帶來重大損失，同時會使企業生產和經濟效益遭受損害，甚至會造成嚴重的環境污染。通過總結過去發生的眾多意外事故的教訓，結合對施工過程中出現的一些質量問題的分析，警示從業者必須嚴格落實相關的標準和規范，確保長輸管線的安全可靠。

河北省張家口市某長輸天然氣管線施工過程中，在分段水壓試驗時，出現了壓力異常下降現象，施工單位立即停止試驗進行沿線檢查，發現1 道環焊縫12點鐘部位出現較長的裂紋缺陷開裂。近年來，天然氣管道的環焊縫事故多發，環焊縫的施工質量引起了行業的高度關注。本失效案例在水壓試驗階段即暴露了環焊縫的質量問題，避免了管線投入運行后失效引起更大的損失后果，本文分析其環焊縫缺陷的產生原因，提出可行的技術控制措施，對提高天然氣管道環焊縫的施工質量具有一定的參考意義。

1 環焊縫失效開裂情況

該環焊縫的開裂長度約為15 cm，出現在12 點鐘位置，從外壁來看裂紋處于焊縫金屬內，見圖1。

圖1 管道環焊縫外壁開裂情況

將該段管節切割取樣，進行詳細的內外部檢查，發現環焊縫開裂部位內表面基本全部處于焊趾位置，且在該位置發現了比較嚴重的咬邊現象，環焊縫內表面開裂情況見圖2。對該道環焊縫的X 射線底片（見圖3）進行分析發現，缺陷影像與咬邊現象在長度、特征等方面完全一致，確定該處環焊縫在施焊過程中即產生了較嚴重的內表面根部咬邊缺陷，但在底片評價過程中并未有效識別該咬邊缺陷。

圖2 環焊縫內表面開裂情況

圖3 開裂部位X 射線底片影像

在實驗室將環焊縫開裂位置打開，進一步確定了裂紋發源于該內壁咬邊位置，并沿著壁厚方向擴展至外壁開裂，開裂位置橫截面金相照片見圖4。觀察裂紋的斷面（見圖5），可以看到大部分為準解理斷口，局部位置有少量的韌窩形貌，說明不同焊接道次的焊縫微觀組織性能存在差異，表現出了不同的斷裂特征。

圖4 開裂位置環焊縫橫截面金相照片（50 倍）

圖5 裂紋斷面掃描電鏡照片（SEM）（1000 倍）

該環焊縫開裂的主要原因是在環焊縫內表面位置存在比較嚴重的咬邊缺陷，該位置在水壓試驗過程中由于應力集中，從內壁焊趾的咬邊位置產生了裂紋，并從內壁向外壁擴展直至開裂。

2 焊接原因分析

該管線所使用鋼管為依據GB/T 9711—2017《石油天然氣工業 管線輸送系統用鋼管》的L415（X60）鋼級螺旋縫雙面埋弧焊鋼管，母材分類為Ⅱ-2，焊接材料選用低氫型焊材，根焊采用E6010 焊條的手工電弧向下焊工藝，填充及蓋面焊接采用E7178-Ni1J 的自保護藥芯焊絲半自動焊接工藝。L415 鋼管產品質量證明文件中的母材成分見表1。

表1 L415 母材成分

采用國際焊接協會（IIW）標準計算其碳當量，見式（1）[1]：

可見碳當量為0.485，大于0.4 的碳當量，表明L415 管材在焊接過程中的淬硬性較大，可焊性稍差。

本管線施工采用的手工電弧向下焊是20 世紀90年代初國內長輸天然氣管道普遍采用的一種焊接工藝方法［2］，突出優點是大電流、高焊速，根焊速度可達20 ～50 cm/min，焊接效率高。施工單位經過多年的現場施工實踐，形成的焊接工藝已經比較成熟，具有較強的實際操作性。如果嚴格按照焊接工藝的要求進行施工，出現焊接缺陷的可能性很小。之所以出現焊接接頭開裂事故說明存在一些需要重視的原因。

時效開裂情況分析：認為該焊縫在組裝時存在預留焊縫間隙和鈍邊缺陷，增加了焊接難度，對焊接缺陷的產生存在直接影響，包括對口間隙、坡口角度、錯邊量等。對口間隙的大小直接影響根焊內部成型質量、焊接效率以及焊接材料的消耗等。對口間隙過小，易造成填充金屬不易穿透和背部成型不良；對口間隙過大，不易施焊，容易形成焊縫塌陷，增大焊接材料的消耗，降低焊接效率。坡口角度的大小影響焊接過程的散熱及焊接接頭的應力分布。當坡口較小時，相當于根焊部分母材的厚度增加，增加了母材散熱，也不利于焊工觀察熔池狀況，使焊接電弧操作運行不暢，易形成根部缺陷；當坡口較大時，焊接應力會集中在焊接接頭的熔合線部位，易造成應力集中敏感部位，尤其對淬硬性較大的材料影響更加明顯。

焊接參數的選擇分析：從焊接缺陷的產生情況看，焊縫12 點鐘15 cm 開裂處有嚴重的咬邊現象，說明焊接過程中存在區間焊接電流過大的工藝問題。

焊接操作工藝分析：從焊縫開裂位置金相取樣分析，焊縫微觀組織性能存在較大差異，說明焊接層次及焊縫層間溫度選擇不當，致使焊縫產生了脆化組織，同時焊縫根部還產生了一定數量的顯微裂紋，給后續使用埋下隱患。

以上分析認為，咬邊沿著焊趾的母材部位分布，不僅減少了該部位母材的有效承載面積，減弱了焊接接頭強度，而且由于L415 材料較大的淬硬性，管道受載工況下在咬邊處產生應力集中易引起裂紋。焊接電流過大、電弧過長、焊條角度不正確、運條方法不恰當等因素均可導致咬邊缺陷的產生。手工電弧焊時應選擇合適的焊接電流、電弧電壓、適當的焊條角度，焊條擺動到坡口邊緣時應減慢速度，擺動到坡口中間位置應適當加快速度。選擇合適的焊接工藝參數，提高焊工的焊接操作水平可以避免咬邊缺陷的產生。[3]

3 無損檢測原因分析

該環焊縫的咬邊缺陷在X 射線底片檢測評價過程中并未得到有效控制。無損檢測執行石油天然氣行業標準SY/T 4109—2005《石油天然氣鋼質管道無損檢測》，管道爬行器中心周向曝光，檢測比例為100%，合格級別為Ⅱ級。在該標準中，焊接質量的不連續性規定的術語為缺欠或缺陷，超出合格級別的缺欠定義為缺陷。針對內咬邊的質量分級見表2[4]。

表2 外徑大于89 mm 管道對接接頭內咬邊的質量分級

從表2 可以看出，評定標準只是對缺欠的自身長度以及焊接接頭一定長度范圍內的累計缺欠長度提出了要求，并沒有對咬邊的深度做出規定。單憑缺欠在底片上的二維影像評級，有些厚度方向較深的缺陷就有可能漏判，從而會遺留安全隱患。此外，該標準的條文說明中在綜合評級時將咬邊、內凹及未焊透去除，并沒有考慮這些缺陷在實際使用中有可能存在的危害。實踐證明，這種缺陷或稱為缺欠的存在，確實會對管線的安全運行構成威脅，一旦在正常運行情況下發生事故，后果是不堪設想的?；谶@種情況，建議可以參照其他檢測標準，比如NB/T 47013 標準，對需要嚴格控制深度方向缺陷尺寸的檢測及評定，采用深度槽試片的方法[5]，做深度方向的對比評價，確定一個評定的缺陷深度可接受準則，對此類焊接缺陷提出一些更高的要求，可以盡可能減少有害焊接缺陷，最大限度地消除安全隱患。但即便如此，要準確判斷底片上影像深度方向的尺寸，射線檢測還是有一定的困難，這也是射線檢測技術存在的一個不足之處。

近些年開始推廣運用的數字化檢測技術，包括TOFD 和相控陣檢測，正在迅速替代傳統的檢測方法。尤其是相控陣檢測，其優點是：1）檢測速度快，檢測效率高；2）定位準確，檢測靈敏度高；3）檢測結果直觀，可實現實時顯示；4）檢測可靠性好；5）可檢測RT 無法穿透的壁厚，可實現全焊縫截面掃查、顯示，對焊縫上下表面及內部缺陷均能準確測量幾何尺寸，尤其是可以給出X 射線檢測不能確定的缺陷高度，對缺陷危害的防控更加全面［6］。

4 結束語

1）焊口的質量控制受多種因素的影響：一方面是施工現場的因素。管道施工現場環境一般都是在野外，自然條件不好，有時受到天氣變化等因素的影響會使現場條件更加惡劣，從而使焊接施工操作和焊縫質量受到影響。另一方面是人為因素。施工中為趕進度往往會出現質量方面的疏忽，相關人員對缺陷性質、危害程度的認識不足，對發現的此類缺陷把關不嚴，未給予足夠重視，未予以及時處理。通過以上對施工過程的分析，以及對之后實施的焊接過程的重點監控，實踐證明只要在施工過程中嚴格按照焊接工藝操作，形成的焊縫就是完全合格的。因此，施工中技術人員、操作人員要對材料性能、焊接方法有充分的了解，全過程嚴格執行焊接工藝規程。

2）由于管道材料淬硬性較大，焊接過程中易出現缺陷以及不連續導致的應力集中，對管道的長期安全運行帶來隱患。這就要求外觀檢查及無損檢測人員要提高安全質量意識，對應檢部位要全覆蓋檢驗，并從嚴執行質量評定標準。要完成好這項工作，涉及現場焊接人員、外觀檢查人員、無損檢測人員、旁站監理等。只有各個崗位互相配合、互相補充地對焊接的全過程實施檢查，才能不出漏洞，全程把好質量關。

3）在具備條件的情況下，建議積極推廣使用先進的數字檢測技術，遠程共享分析檢測數據，以達到提高施工效率、提高焊接質量的目的。特別對一些運行環境復雜、地區等級比較高的管道，更應加強本質安全工作，從施工組織、現場組焊、質量控制、監理巡查、監督檢驗各個環節全方位嚴抓共管，環環相扣做好安全質量管理，有效保障天然氣能源大動脈的安全運行。