螺旋埋弧焊管焊接接頭導向彎曲不合格原因分析

蔡文利，趙紅波，2，張 君，2，張德瑞

（1.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；2.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司，西安 710018）

螺旋埋弧焊管因抗止裂性能優異、承壓性能良好被廣泛的應用于油氣管道工程建設。國家近年發布的《中長期油氣管網規劃》表示，到2025 年，中國油氣管網規模將達2.4×105km，并逐步推進油氣干線管道全面實現互聯互通，逐步形成“全國一張網”[1-2]。由此可見，油氣能源輸送用管道方面仍然有較大發展潛力，國內對埋弧焊管的需求仍將持續增長。

然而，在制管過程中時常有焊接接頭導向彎曲試驗不合格的情況發生。本研究對不同規格螺旋埋弧焊管焊接接頭導向彎曲試驗樣本進行了統計分析，得出了導向彎曲不合格的主要原因和影響因素，以期為螺旋埋弧焊管生產提供參考。

1 導向彎曲試樣統計

導向彎曲試驗是采用規定直徑的彎模對內外焊縫彎曲180°后，檢測焊接接頭區域暴露出的體積狀缺陷長度、深度的一種力學性能檢測方法，是評判焊接工藝性能是否達標的一項重要指標[3-5]。本研究抽取2 910 件壁厚7～18 mm、不同規格的埋弧焊管導向彎曲檢測結果組成樣本，對不合格試樣進行統計分析，結果如圖1 所示。

圖1 導向彎曲試驗不合格樣本統計結果

由不合格試樣分類統計可知，制管生產中焊接接頭導向彎曲不合格以反向導向彎曲為主，存在缺陷的區域主要集中在焊接接頭熔合區，且以7～14 mm 薄壁鋼管為主。結合實際生產焊接工藝，初步分析采集樣本中存在不合格主要與焊趾處存在缺欠、焊縫形貌控制不良、焊接工藝出現異常因素相關。因此，從焊接缺欠、熱影響區性能、焊縫形貌方面對導向彎曲不合的原因進行了探討分析。

2 影響因素分析

2.1 焊接缺欠

焊接缺欠是焊接工藝不穩定、出現異常產生的，易導致焊接接頭金屬不連續、不致密或連接不良等現象，在一定程度上會造成焊接接頭質量和性能下降，但實際生產中焊接缺欠無法完全避免[6]。焊接缺欠未超出規定限值的情況下，不影響鋼管使用，不會對焊接結構的運行產生危害，一般允許其在焊縫中存在。微咬邊、氣孔、夾渣是缺欠在焊接接頭中存在的主要形式。焊接接頭進行導向彎曲試驗時由于受較大應力作用，缺欠處極易形成裂紋源，隨著應力的增大，裂紋逐漸發生擴展延伸，表現為焊接接頭表面開裂及斷裂失效，被判定為不合格[7]。為了探究造成焊接接頭導向彎曲不合格的原因，需對本研究采集的不合格試樣中的焊接缺欠進行深入分析。

2.1.1 夾渣

夾渣是殘留于焊縫金屬中無法溢出、溶解或參與反應的非金屬固體物質，在埋弧焊管制造中通常是因焊接參數選擇不當、焊劑脫渣性能不佳、焊接區域清理不徹底混入焊劑、氧化鐵、毛刺等雜質及焊后在焊縫中殘留氧化物熔渣引起的。夾渣會降低焊縫的塑性和韌性，影響焊接接頭的性能。不規則夾渣其尖角會引起較大應力集中，從而造成表面開裂、彎曲面凸起等現象[8]。通過對統計樣本中的不合格試樣進行分析，發現由夾渣引起導向彎曲不合格存在兩種典型情況。

一是由于焊趾處存在夾渣造成導向彎曲沿熔合線開裂。從圖2 可以看出，在Q235B 鋼級Φ820 mm×11 mm 螺旋埋弧焊管反向導向彎曲開裂的鋼管上取金相試樣進行微觀分析，內焊焊趾處存在長條狀夾渣缺欠，長度為66.968 μm。

圖2 熔合線處存在夾渣（200×）

二是由于熔合區存在大面積氧化物夾渣造成導向彎曲斷裂。Q235B 鋼級Φ478 mm×10 mm螺旋埋弧焊管反向導向彎曲試樣從熔合線處斷裂，在試樣斷口位置進行掃描電鏡分析，分析結果如圖3 所示。圖3（a）為試樣斷口低倍宏觀形貌，試樣斷口起裂區和擴展區清晰可辨；距試樣表面0.5 mm 的起始斷裂區較光滑，且沒有明顯的塑性變形，見圖3（a）上方位置；擴展區呈浪花狀延伸至斷口底部，較為粗糙。起裂區主要由Al、Si、Ca 等化合物構成，且質地較為疏松（圖3（b））。對疏松面進一步放大發現該區域上有較多塊狀夾渣物（圖3（c））。采用X 射線能譜儀對缺陷部位進行能譜分析，發現這些夾渣物中含Fe、Al、Si、Ti、Ca、Mn 等元素，分析結果如圖3（d）所示。

圖3 導向彎曲熔合線處斷裂試樣斷口位置掃描電鏡分析

根據以上分析可知，引起導向彎曲試驗開裂的主要原因是由于焊接工藝或焊材的選擇不當，造成在焊接過程中形成夾渣未能完全上浮[9]，留在焊接接頭中，最終形成裂紋源，在外力作用下誘發開裂。生產過程中應根據原料化學成分合理匹配焊接材料，有效清除焊接區域雜質，提高鋼管合縫質量，避免焊劑夾雜。

2.1.2 微咬邊

咬邊是焊接電弧將母材熔化后，焊縫邊緣沒有得到填充金屬的補充而留下的缺口或溝槽。咬邊會使母材金屬的有效截面減少，減弱焊接接頭的強度，同時咬邊處容易產生應力集中，承載后有可能在咬邊處產生裂紋，甚至引起結構的破壞[10]。小于一定尺寸的咬邊缺陷在管線標準中是允許存在的，例如API SPEC 5L 中規定埋弧焊管上深度≤ 0.4 mm的咬邊允許存在。在L415M鋼級Φ559 mm×9.5 mm 螺旋埋弧焊管反向導向彎曲開裂試樣上取金相樣，放大100倍觀察焊趾微觀形態，發現內焊焊趾處存在微咬邊缺欠，如圖4所示。焊縫邊緣存在微咬邊，局部應力集中，在導向彎曲試驗中受拉應力作用，焊趾處極易形成裂紋，當裂紋長度超過標準規定，導向彎曲試驗就被判定為不合格。

圖4 內焊焊趾微咬邊照片（100×）

2.2 熱影響區性能的影響

在彎曲變形過程中，由于焊接接頭成分和組織的不均勻性，變形集中表現在熔合線附近，相比焊縫和母材，該區域發生大的變形就會產生凹陷。圖5 所示為L360M 鋼級Φ813 mm×12 mm 螺旋埋弧焊管導向彎曲試驗后焊接接頭處的照片。圖5 中焊縫兩側均出現了條狀凹陷，驗證了熔合區在導向彎曲試驗中發生了大的變形。由于熔合區很窄只有0.1～1 mm，一般統稱是由于熱影響區發生軟化造成的。如果軟化嚴重，就有可能在彎曲過程中由于過量變形導致彎曲開裂，圖5（b）下方凹陷處由于過量變形導致的塑性開裂集中在熱影響區熔合線附近。

圖5 L360M鋼級Φ813 mm×12 mm螺旋埋弧焊管導向彎曲試驗焊接接頭照片

在導向彎曲試驗后焊縫兩側出現條狀凹陷的3 個不同規格的焊管上取樣，進行焊縫、母材、熱影響區硬度檢測，發現3組試驗數據焊管管體及焊縫的平均硬度值均高于熱影響區的平均硬度值，具體硬度分布如圖6所示。受焊接熱循環的作用，焊縫兩側熱影響區強度受損，硬度低于母材原始硬度，由此進一步表明螺旋埋弧焊管在焊接過程中熱影響區存在軟化現象。制管過程中為了避免此類問題的出現，應適當降低熱輸入，防止因線能量增加，焊縫熱影響區增寬，引起嚴重過熱現象，導致晶粒變得粗大，塑性和韌性下降，同時，晶內偏析程度增加，裂紋敏感性增大，增加了產生彎曲開裂的可能性。

圖6 焊接接頭不同區域硬度分布

2.3 焊縫形貌

螺旋埋弧焊管焊縫形貌是影響管道產生低周疲勞效應的重要因素，同時也極大地影響了焊接接頭的應力分布和大小。在制管生產中，坡口預設對焊縫形貌控制起著非常重要的作用，為了保證一定的鈍邊，在薄壁鋼管焊接過程中，一般預設較小坡口或無坡口，沒有坡口的調整，焊接接頭過渡角偏小的現象就較為明顯。螺旋埋弧焊管過渡角是焊縫與母材在焊趾處的夾角，在焊接過程中隨著焊道形貌的不同，過渡角會發生較大的變化，過渡角越小，焊趾處的應力集中就越大。焊接接頭受力分析結果表明，當焊接接頭受到一定的垂直載荷時，焊接接頭應力大小分布會隨著過渡角大小變化而發生變化，過渡角小于135°時，焊接接頭應力明顯會向焊趾處集中，且隨著過渡角不斷減小，焊趾處應力集中越明顯[11-13]。

對于螺旋埋弧焊管來說，由于內焊施焊空間十分有限，焊縫金屬很難實現良好的過渡，因此其內焊縫焊趾處極易產生應力集中，焊接接頭抗斷裂和抗疲勞的能力大大降低，裂紋容易由此萌生[14-15]。同時，受埋弧焊接鋼管工藝制約，內焊縫需要經受兩次熱循環影響，內焊組織形態出現異常幾率更大，因此導向彎曲試驗內焊縫接頭處更易產生微小的開裂現象。L485M 鋼級Φ914 mm×12.7 mm 螺旋埋弧焊管內坡口出現異常，如圖7 所示，在其他參數不變的情況下內焊縫與母材的過渡角接近90°（圖7（a））。在導向彎曲試驗過程中左側焊趾處出現撕裂。試樣酸洗后微觀形貌如圖7（b）所示，左側開裂區晶粒明顯比右側焊縫區粗大，組織形態也有較大差異，焊縫區以明顯呈塊狀及針狀交錯分布的鐵素體為主，而熔合區和熱影響區晶粒有明顯的增大趨勢，在鐵素體及珠光體組織基礎上，出現較大比例的馬氏體組織。由于馬氏體屬于硬相組織，大比例出現使得熔合區及熱影響區塑韌性大幅降低，同時過渡角小焊趾處應力集中增大，試樣在導向彎曲試驗中產生微裂紋，致使導向彎曲試驗不合格。因此，在制管生產過程中可通過增大坡口角度、調整螺旋埋弧焊接偏心距等措施，降低焊縫余高，減小焊趾處的截面突變，使焊縫邊緣與母材平滑過渡，焊縫過渡角≥ 135°。

圖7 L485M鋼級Φ914 mm×12.7 mm螺旋埋弧焊管內坡口試樣形貌

3 結 論

（1）本研究中匯總的螺旋埋弧焊管導向彎曲試驗開裂樣本基本都發生在焊縫熔合線附近，熔合區晶粒粗大、組織性能不均勻是焊縫薄弱區域，也是應力集中最大的區域，易使熔合區發生開裂引起導向彎曲不合格。焊縫中的缺欠，在導向彎曲試驗應力作用下極易造成應力集中導致試樣開裂，開裂后裂紋沿熔合區和熱影響區擴展就可能造成試樣斷裂。

（2）焊接接頭在焊接熱循環的作用下，各區域的組織和性能都發生了變化，熱影響區出現軟化現象，導致熱影響區強度降低，成為焊接接頭中最薄弱的環節，致使彎曲過程中塑性變形主要集中在熱影響區，導致彎曲裂紋產生。

（3）焊縫與母材過渡角小、過渡過于尖銳，焊趾處會產生高的應力集中，焊趾處在拉伸受力過程中產生較大應力集中，加劇焊縫接頭最薄弱的熔合區發生開裂。