X80M鋼級長輸管道環焊縫裂紋成因及適用性分析

張 進，呂 源

（曹妃甸新天液化天然氣有限公司，河北 唐山 063299）

0 前 言

X80M 鋼管自西氣東輸西二線敷設開始，先后在西氣東輸三線、陜京四線、中俄東線等主干線路工程得到成功運用。長輸管道項目因其管材加工、運輸及施工條件限制，不可避免存在大量環焊縫。因此研究分析環焊縫裂紋缺陷成因具有重要意義。

國內某輸氣長輸管線項目采用X80M鋼管，設計壓力10 MPa，管徑1 422 mm，壁厚為21.4 mm、25.7 mm、30.8 mm 三種規格。在項目建設過程中發現多道環焊縫存在疑似裂紋缺陷，并且其中13 道焊口不具備切割重焊條件。對疑似環焊縫裂紋缺陷類型進行成因分析及適用性評價，對于避免后續工程產生類似裂紋缺陷以及評價含該類裂紋缺陷管道服役適用性具有參考價值。

1 環焊縫裂紋缺陷無損檢測

從現場疑似環焊縫裂紋缺陷管道中截取2根管段作為分析試件，編號分別為1#和2#。采用MT 磁粉檢測、UT 超聲檢測、RT 射線檢測、PAUT/TOFD 檢測分別對試件環焊縫進行檢測，檢測結果見表1 和圖1。檢測結果表明，磁粉檢測、常規超聲檢測未檢出環焊縫缺陷，射線檢測檢出環焊縫缺陷為Ⅰ級缺陷，PAUT/TOFD 檢測結果為Ⅳ級缺陷。

圖1 環焊縫缺陷TOFD檢測圖形

表1 試件含缺陷環焊縫無損檢測信息

由此可知，分析試件均包含環向裂紋，磁粉檢測和普通超聲檢測對該類型缺陷檢出率低，存在誤判或漏檢的可能，而PAUT/TOFD 檢出缺陷明顯，定量準確。PAUT/TOFD 檢測結合RT 檢測能提高環焊縫缺陷檢出率。

2 水壓物理模擬試驗分析

選取1#試件作為試驗管段，管段兩端焊制封頭，在兩端距封頭200 mm 處垂直管道軸線方向鉆直徑不小于加壓注水管直徑的孔，并分別焊接進水口和排水口，試驗管段如圖2所示。

圖2 水壓模擬試驗管段

2.1 水壓循環試驗

在特定內壓作用下連續施加100 個疲勞周期，首個周期模擬強度試壓，最高壓力取1.5 倍管道設計壓力，之后每個周期內壓力從1 MPa升至10 MPa，再緩慢降至1 MPa。觀察試驗過程中管道環焊縫是否有泄漏和變形。在疑似裂紋缺陷位置、缺陷相對180°位置粘貼應變片，每個位置粘貼4個應變片，分別檢測環焊縫左右兩側的環向、軸向應變情況，如圖3所示。

圖3 應變片安裝位置

2.1.1 無損檢測分析

水壓循環試驗后對環焊縫分別進行磁粉、UT、RT、PAUT/TOFD 檢測，其中磁粉、UT、RT 檢測均未檢出缺陷，PAUT/TOFD 檢測結果如圖4所示，裂紋缺陷在試驗前后位置相同，尺寸無明顯變化。

圖4 水壓循環試驗前后裂紋缺陷TOFD檢測圖形

2.1.2 缺陷應變對比分析

水壓循環試驗后，對裂紋位置環焊縫和缺陷環向180°位置（無缺陷位置）應變檢測點應變值進行對比，根據應變檢測數據分別繪制軸向、環向應變-時間曲線，如圖5和圖6所示。結果表明：①裂紋位置與無缺陷位置應變變化規律、應變變化量相近，說明裂紋位置與環向180°位置在水壓循環試驗過程中變形程度一致；②水壓循環試驗結束后，裂紋缺陷位置、環向180°無缺陷位置應變量趨于0，說明應變監測點位置無塑性變形。

圖5 裂紋位置與環向180°位置環向應變-時間曲線

圖6 裂紋位置與環向180°位置軸向應變-時間曲線

2.2 水壓爆破試驗

按照表2 參數對1#管段進行升壓、保壓及測試操作，分析達到設計壓力后裂紋擴展及管道服役安全性。

表2 水壓爆破試驗升壓、穩壓及測試方案

2.2.1 試驗壓力估算

不考慮缺陷Kr= 0影響情況下，按公式（1）和公式（2）分別估算試樣管道的屈服壓力和爆破壓力。

式中：Pyield——鋼管屈服時試驗壓力，MPa；

Pburst——鋼管爆破時的試驗壓力，MPa；

σs——鋼管屈服強度，MPa；

σb——鋼管抗拉強度，MPa；

t——鋼管厚度，mm；

D——鋼管外徑，mm。

根據GB/T 9711—2017，X80M 鋼管屈服強度為555 MPa，抗拉強度為625 MPa，由上式可得鋼管屈服理論壓力值為20.06 MPa，爆破時理論壓力值為22.59 MPa。

2.2.2 試驗結果及分析

根據表2方案進行升壓和穩壓試驗，繪制時間-壓力曲線（如圖7 所示），當試驗壓力達到19.8 MPa 時，試樣由封頭處爆破。在水壓爆破試驗后，對環焊縫裂紋缺陷位置進行TOFD檢測，檢測結果如圖8所示。由圖8可知，三次TOFD檢測圖形相近，缺陷尺寸未發生明顯變化，環焊縫裂紋缺陷在19.8 MPa壓力下未發生明顯擴展。

圖7 升壓和穩壓試驗時間-壓力曲線

圖8 水壓試驗前后環焊縫裂紋缺陷TOFD檢測圖形

3 環焊縫裂紋成因分析

對環焊縫試樣TOFD 檢測缺陷位置進行解剖分析，并制作金相分析試樣進行觀察。將1#試樣裂紋缺陷沿環焊縫焊接方向解剖，進行宏觀觀察和金相顯微觀察。宏觀觀察結果如圖9 所示，發現在環焊縫兩層焊道之間存在裂紋型缺陷，裂紋沿環向和管道壁厚方向均有分布，裂紋區域環向長度2.4 mm，沿壁厚方向裂紋高度2.3 mm。將金相試樣采用2%硝酸酒精溶液進行腐蝕，發現沿焊縫中心位置存在熔銅的非正常環焊縫組織條帶，條帶長15 mm，最大高度1 mm，裂紋位于熔銅條帶中。進一步進行高倍顯微金相觀察，發現裂紋內存在銅晶體析出（如圖10所示）。

圖9 1#試樣環焊縫裂紋宏觀形貌

圖10 1#試樣環焊縫裂紋及未開裂位置顯微組織形貌

將2#試樣裂紋缺陷沿環焊縫橫向解剖，制成金相試樣并觀察，如圖11所示。從圖11發現，該缺陷為層間未熔合，缺陷自身高度5 mm，對缺陷尖端位置進行高倍顯微觀察，缺陷尖端位置平滑，未發現裂紋擴展痕跡。在層間未熔合缺陷中間位置沿環焊縫環向對缺陷進一步解剖，發現缺陷內部存在銅晶體析出，裂紋缺陷環向長度約23 mm，熔銅非正常環焊縫組織（包含裂紋）長度38 mm，自身高度5 mm，對裂紋尖端進行高位顯微鏡觀察，發現裂紋至于熔銅區域，未向正常焊縫組織中擴展（如圖12所示）。

圖11 2#試樣環焊縫裂紋金相形貌

圖12 2#試樣環焊縫裂紋形貌

從上述2 處環焊縫缺陷解剖及金相分析可知，環焊縫裂紋缺陷均存在熔銅帶組織，為環向埋藏型層間裂紋。裂紋缺陷走向分布與現場焊接操作方向一致，由此分析產生的原因可能是由于焊接過程中銅導電嘴融化后與下一層焊道表面接觸，造成銅分布在兩層焊道之間。此類原因造成的夾銅缺陷為沿環焊縫分布的環向裂紋缺陷，多數在銅聚集位置開裂。

4 環焊縫裂紋缺陷評價

4.1 評價方法

由上述分析可知，試樣環焊縫所含缺陷為環向埋藏型缺陷。對于裂紋性缺陷，采用基于失效評估圖方法對環焊縫規則化處理后進行含裂紋缺陷管道剩余強度評價，該方法是含裂紋缺陷構件評價最廣泛使用的方法。X80管體焊縫的評估曲線方程見公式（3），其失效評估曲線如圖13所示。

圖13 失效評估示意圖

式中：Kr——韌性比，Kr=Kl/Kmat，其中Kl為應力強度因子，Kmat為鋼管的斷裂韌性；

Lr——載荷比，Lr=σref/σy，其中σref為參比應力，σy為材料的屈服強度；

Lmaxr——評估曲線的截止線，Lmaxr= (σu+σy)/2σy，σu為材料的抗拉強度。

4.2 判定依據

根據SY/T 6477—2017《含缺陷油氣管道剩余強度評價方法》7.4 規定的步驟，確定失效評估圖上橫坐標截止線，分別計算出載荷比Lr和韌性比Kr。將評估點坐標（Lr，Kr）繪制在失效評估圖上。如果評估點在評估曲線上或者評估曲線以內，對于二級評價，該缺陷可以接受；如果評估點在評估曲線以外，則對于二級評價，該缺陷不可接受。

4.3 評價參數

采用二級評價分析含缺陷環焊縫適用性。將整個熔銅帶狀組織（包含附近沿壁厚方向分布裂紋）看作一處環向埋藏型缺陷進行評價。由于裂紋缺陷解剖后測得的帶狀組織尺寸不能完全代表熔銅帶狀組織真實尺寸，缺陷環向長度在解剖缺陷基礎上前后各加10 mm。在焊縫中只存在一處層間熔銅的情況下，裂紋自身高度不超過2 層焊道厚度，預估值取6 mm，錯邊量取1 mm。環焊縫缺陷規則化信息和評價參數見表3、表4。

表3 環焊縫缺陷規則化信息

表4 環焊縫評價參數取值表

4.4 評價結果分析

根據SY/T 6477—2017《含缺陷油氣管道剩余強度評價方法》7.4 規定的步驟，載荷比Lr和韌性比Kr計算值見表5，圖14 為1#、2#試樣環焊縫缺陷失效評估圖。由圖14 可以看出，在設計壓力下，兩處環焊縫缺陷評價點均位于臨界線下方，根據含缺陷油氣管道剩余強度評價方法判定規則，兩處環焊縫裂紋缺陷均可接受。

圖14 1#、2#試樣環焊縫缺陷適用性評價結果

4.5 不具備開挖條件的疑似環焊縫裂紋缺陷評價

受工程現場條件限制、不具備開挖條件的管道，根據現場無損檢測信息，采用含缺陷油氣管道剩余強度評價方法對檢出裂紋缺陷進行評價。對無損檢測檢出的埋藏型缺陷和夾層未熔合缺陷（表6），缺陷自身高度按兩層焊道厚度6 mm 計算。對檢出的表面未熔合缺陷，按單層焊道厚度3 mm 計算進行規則化處理。

表6 含不具備開挖條件環焊縫裂紋缺陷無損檢測信息及規則化處理表

根據SY/T 6477—2017《含缺陷油氣管道剩余強度評價方法》7.4 規定的步驟，對不具備開控條件的環焊縫載荷比Lr和韌性比Kr計算值及失效評估圖見表7 和圖15。由圖15 可知，上述13 處含裂紋缺陷環焊縫缺陷評價點均位于臨界線下方，均屬于可接受缺陷。

圖15 不具備開挖條件環焊縫缺陷適用性評價結果

表7 不具備開挖條件環焊縫裂紋載荷比Lr和韌性比Kr計算值

5 結論及建議

（1）水壓物理模擬試驗表明，環焊縫疑似裂紋缺陷管道在試驗條件下無泄漏，無變形，裂紋缺陷尺寸無明顯擴展，管道服役適用性良好。

（2）金相分析表明，疑似環焊縫裂紋缺陷類型為環向埋藏型裂紋缺陷，沿環向和管體壁厚方向分布。裂紋內有銅的析出物，止裂于熔銅區域，未向正常環焊縫組織中擴展，由此判斷裂紋成因為熔銅開裂。

（3）利用含缺陷油氣管道剩余強度評價方法分析了裂紋缺陷適用性，缺陷評價點均位于臨界線下方，設計壓力條件下，裂紋缺陷可接受。并對13 處不具備開挖條件管道裂紋缺陷進行了評價，結果表明13 處環焊縫裂紋缺陷均可接收。

（4）建議進一步優化焊接工藝規程，及時檢查并更換銅導電嘴，避免環焊縫熔銅影響焊接質量。

（5）建議對具備開挖切割并重新焊接條件的疑似裂紋環焊縫進行切割并重新焊接，對于不具備開挖條件的疑似環焊縫環向裂紋管段做加固處理，防止沉降擾動、滑坡、水毀等外載荷對含管道環焊縫裂紋管段的影響。