X90螺旋埋弧焊管焊縫橫向裂紋分析

崔 雷，徐進橋，李利巍，鄒 航，徐 鋒，王俊霖，劉小國

（武漢鋼鐵股份有限公司 研究院，武漢430080）

X90螺旋埋弧焊管焊縫橫向裂紋分析

崔 雷，徐進橋，李利巍，鄒 航，徐 鋒，王俊霖，劉小國

（武漢鋼鐵股份有限公司 研究院，武漢430080）

為了提高X90螺旋埋弧焊管的焊縫質量，推動其工程服役的快速發展，對X90螺旋埋弧焊管的焊接接頭以及焊縫橫向裂紋進行了金相分析，并對橫向裂紋的產生原因進行了分析與討論。焊縫橫向裂紋顯微形貌和能譜檢驗結果表明，在焊接工藝不穩定情況下，制管工序中焊縫承受的多種拉應力疊加后作用于焊縫內殘留焊劑部位，導致該部位的拉應力超越材料強度極限引發裂紋萌生和擴展；橫向裂紋在縱向截面上起源于焊縫中的殘留焊劑，由內焊縫向外焊縫擴展，而其在水平截面上由焊縫向母材擴展；隨著遠離起裂源點，裂紋斷口形貌呈現由準解離斷裂向解離斷口漸變，整體表現出脆性斷裂特征。

焊管；X90管線鋼；焊縫；橫向裂紋；脆性斷裂

Abstract:In order to increase the weld quality of X90 SAWH pipe,and promote the rapid development of engineering service,in this article,it conducted metallographic analysis for X90 SAWH pipe welded joint and the transverse crack in weld,furthermore,the causes of transverse crack were analyzed and discussed.The results of weld transverse crack microstructure and energy spectrum test results showed that,in the case of welding process was not stable,the superposition of a variety of tensile stress in pipe-making process acted on weld residual flux,which caused the tensile stress exceeded material strength limit,led to crack initiation and extension;the transverse crack originated from residual flux in longitudinal section from inner weld to outer weld,while it extended from weld zone to base metal in horizontal section;the morphology of cracks showed brittle fracture character,which transformed form quasi-cleavage to cleavage as long with the increasing distance from crack source.

Key words:welded pipe;X90 pipeline steel;weld;transverse crack;brittle fracture

為有效解決我國天然氣能源供需不平衡、地域分布不均的矛盾，近年來我國開展了“第三代大輸量天然氣管道工程”的項目研究。規劃中的西氣東輸四線、五線等長輸管線天然氣年輸送量達450億m3，較服役中的西氣東輸二線年輸量提升50%。為提高輸送效率并降低營運成本，提高鋼級、增大壓力、擴大管徑是天然氣管道建設的重要途徑[1-4]。X90鋼級是X80和X100強度等級之間一個理想的跨接點[5]，同時X90鋼管極有可能靠管體自身韌性實現管道止裂[6]，這使得X90鋼最有可能成為應用于“第三代大輸量天然氣管道工程”的超高強度管線鋼。

X90管線鋼經螺旋埋弧焊接工藝制管后投入工程應用，由于鋼管承受的管道內壓較高，為避免鋼管強韌性薄弱部位誘發管道爆裂，要求鋼管焊縫部位不能出現任何形式的裂紋缺陷[7-8]。本研究針對工業生產中X90螺旋埋弧焊管焊縫出現的橫向裂紋進行分析，探究該類型裂紋的產生原因及機理，為提高X90螺旋埋弧焊管的焊縫質量并推動其工程服役提供技術支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

出現焊縫橫向裂紋的X90螺旋埋弧焊管原料采用低C-高Mn-Nb-Mo的成分體系，具有低的P、S水平（具體成分見表1）。該原料的冷裂紋敏感指數較低，表明此原料具有良好的可焊接性能。

X90鋼采用螺旋埋弧焊工藝制管和水壓測試后，超聲波探傷過程中發現內焊縫處隨機存在疑似內部缺陷，相應位置的宏觀形貌為橫向線狀凹痕，如圖1（a）所示。線狀凹痕經打磨后，發現該部位下方存在目視可見的橫向裂紋，如圖1（b）所示。該類裂紋由一條或多條線狀裂紋組成，且僅存在于焊縫范圍以內。

表1 X90螺旋埋弧焊管原料化學成分 %

圖1 X90螺旋埋弧焊管內焊縫橫向裂紋宏觀形貌

1.2 試驗方法

為分析焊縫裂紋的特征及成因，將帶有裂紋的焊縫試樣進行橫向、縱向和水平分切，如圖2所示。經打磨與拋光后，分切面使用3%的硝酸酒精溶液浸蝕，采用OLYMPUS GX71光學金相顯微鏡（OM）對裂紋形貌及組織進行金相分析，并采用Nova_NanoSEM430掃描電子顯微鏡（SEM）對裂紋開裂面進行形貌觀察和能譜分析。

圖2 帶裂紋X90螺旋埋弧焊管焊縫試樣分切示意圖

2 試驗結果

2.1 焊接接頭形貌

分別對X90螺旋埋弧焊管的正常部位（無裂紋區域）和缺陷部位的焊接接頭形貌進行宏觀形貌觀測，檢測結果如圖3所示。由圖3可知，X90螺旋埋弧焊管采用雙Y形坡口焊接，正常部位與缺陷部位的焊接接頭宏觀形貌相似。外焊縫與母材表面過度平滑，其過度角≥130°；內焊縫呈馬鞍狀，焊趾處焊縫與母材表面過度較劇烈，焊縫凸超較高，其過度角偏?。s100°）。

圖3 X90螺旋埋弧焊管焊接接頭形貌

圖4為正常部位內焊縫輪廓線轉折處形貌，圖5為缺陷部位內焊縫輪廓線轉折處形貌。由圖4與圖5發現，X90螺旋埋弧焊管焊接接頭內焊縫兩側的輪廓線均發現一定程度的轉折。正常部位內焊縫輪廓線轉折處過渡平滑，焊縫與HAZ區分明晰，而缺陷部位焊縫輪廓線轉折處存在長約600 μm 灰白色細針狀區域（圖 5（b）中虛線區域）。缺陷部位的針狀區域與HAZ相連通，向焊縫內部延伸且寬度逐漸變窄。采用SEM分析發現，缺陷部位的針狀區域與HAZ的組織類型均為粒狀貝氏體組織，同時發現存在針狀區域與HAZ的組織共處同一奧氏體晶粒的現象，如圖6所示。這表明缺陷部位的焊接線能量較正常部位值偏小，導致坡口附近的母材組織未完全熔解，從而在焊縫中產生針狀的母材殘留。

圖4 正常部位內焊縫輪廓線轉折處形貌 （OM）

圖5 缺陷部位內焊縫輪廓線轉折處形貌 （OM）

圖6 缺陷部位內焊縫輪廓線轉折處形貌 （SEM）

2.2 裂紋擴展路徑

2.2.1 縱向截面的裂紋擴展路徑

按照圖2（b）方式進行缺陷試樣縱向分切，對縱向截面上的裂紋擴展路徑進行觀測，裂紋擴展路徑如圖7所示。由圖7可見，裂紋寬度由內焊縫區域向外焊縫區域逐漸收窄直至消失，裂紋總長度約10.9 mm。內焊縫區域的裂紋路徑較平直，外焊縫區域的裂紋路徑呈現弧形趨勢。

圖7 縱向截面上的裂紋擴展路徑（內焊縫余高已打磨）

2.2.2 水平截面的裂紋擴展路徑

按照圖2（c）方式進行缺陷試樣水平分切，分別對水平截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ上的裂紋擴展路徑進行觀測，裂紋擴展路徑如圖8所示。由圖8可知，隨著水平截面由內焊縫向外焊縫平移，水平截面上的裂紋終止位置逐漸由HAZ向母材區域變化，其中水平截面Ⅰ上的裂紋止于HAZ，水平截面Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ上的裂紋則止于母材區域。

圖8 水平截面上的裂紋擴展路徑

2.3 裂紋開裂面形貌

2.3.1 縱向截面的裂紋開裂面形貌

采用機械方式將縱向截面的裂紋打開，針對內焊縫處的裂紋開裂面進行形貌觀測，觀測結果如圖9所示。由圖9（a）發現，裂紋開裂面上未發現氧化特征；區域1、區域2與區域3處均存在方向趨勢明顯的條狀物，其中區域1與區域3的條狀物方向一致，區域2的條狀物方向與上述區域對稱；區域4處條狀物消失，呈現平臺特征。進一步對圖9（a）中區域1的顯微形貌觀察發現，開裂面上的條狀物為熔池凝固后焊縫內形成的原奧氏體柱狀晶粒，同時發現該區域焊縫上存在散布的異物（圖9（b）中虛線區域）。

圖9 縱向截面的裂紋開裂面的顯微形貌（內焊縫余高已打磨）

圖9（a）中4個典型區域顯微形貌如圖10所示。異物周圍呈現準解離斷裂特征，準解離面較為平坦，緊鄰異物出現且向周圍擴展（見圖10（a））；稍遠部位呈現準解離與解離斷裂共存的特征，準解離面以臺階狀穿越原奧氏體晶粒（見圖10（b）、圖10（c））；更遠部位呈現解離斷裂為主的特征，但仍存在少部分準解離斷裂面（見圖 10（d）～圖 10（g））；內焊縫與外焊縫的重疊區域呈現準解離斷裂特征（見圖10（h））。由上可知，縱向截面的裂紋開裂面整體呈現脆性開裂特征。

2.3.2 水平截面裂紋的裂紋開裂面形貌

采用機械方式將水平截面Ⅲ的裂紋打開，對焊縫與HAZ的裂紋開裂面形貌進行觀測，觀察結果如圖11所示。從圖11可以看出裂紋開裂面上未發現氧化特征。

圖10 縱向截面的裂紋開裂面典型區域顯微形貌

圖11 水平截面Ⅲ裂紋開裂面的形貌

對圖11中區域5、區域6和區域7進一步觀察發現，焊縫裂紋沿發達的柱狀晶粒擴展，呈現解離斷裂特征（見圖12（a））；近熔合線處斷口呈現解離斷裂與準解離斷裂共存的特征（見圖12（b））；遠熔合線處斷口呈現準解離特征（見圖12（c））。由上可知，水平截面的裂紋開裂面整體呈現脆性開裂特征。

2.4 焊縫異物分析

圖13為內焊縫表面附近裂紋開裂面顯微形貌，由圖13發現，內焊縫表面處存在較多異物，且該類異物深入至焊縫內部并與焊縫機械混合，呈現出環抱焊縫組織的現象。

圖14為裂紋開裂面上多個異物的顯微形貌。由圖14發現，裂紋開裂面上的異物外觀形貌呈不規則特征，其內部區域疏松、多孔；異物與焊縫接觸部位出現液態凝固特征，部分位置出現明顯的液滴狀。對多個異物進行了能譜分析，能譜分析結果如圖15所示，異物中的Ca、Mn、Si等元素含量顯著。

圖12 水平截面Ⅲ的裂紋開裂面典型區域顯微形貌

圖13 內焊縫表面附近裂紋開裂面顯微形貌（余高已打磨）

圖14 裂紋開裂面上異物的顯微形貌（內焊縫已打磨）

與圖14中裂紋開裂面上異物的形貌特征相似，內焊縫表面與母材交界處殘留的焊劑形貌如圖16所示，同樣呈現疏松多孔特征。對殘留焊劑的能譜分析結果如圖17所示，內焊縫焊劑中Ca、Mn、Si等元素含量顯著，其與裂紋開裂面上異物的成分組成高度一致。

圖15 裂紋開裂面上異物的能譜分析

圖16 內焊縫與母材交界處殘留的焊劑形貌

圖17 殘留焊劑的能譜分析結果

由以上可知，內焊縫裂紋開裂面上的散布異物為焊接熔池內殘留的焊劑顆粒。在高溫熔池環境中，焊劑顆粒表面受熱熔化，部分位置在接觸到已凝固焊縫組織之前以液滴狀流動并逐漸凝固；大塊的殘留焊劑被熔化外殼包裹形成不規則形狀；因導熱性較差，殘留溶劑的內部組成仍保留疏松多孔的特征。

3 分析討論

焊接過程中產生的裂紋按發生條件和時機可分為熱裂紋和冷裂紋。熱裂紋通常發生在焊縫金屬的凝固結晶過程中，其斷口截面呈現明顯的氧化特征。由本研究觀察結果可知，X90螺旋埋弧焊管的橫向裂紋屬于冷裂紋。拘束應力、淬硬組織和擴散氫是產生冷裂紋的三大因素，沿焊縫縱向和橫向都有發生[9-10]。當焊縫的拉應力超越材料的強度極限后，材料內部將產生裂紋萌生與擴展。

鋼管焊接過程中，伴隨焊絲沿坡口的行進，由焊絲與母材形成的熔池因熱源不斷遠離而逐漸凝固。液態金屬凝固過程中伴隨著體積收縮，相應地會與鄰近區域之間產生較大的拉應力。焊接速度越快則焊縫內的拉應力就顯著。當焊接速度增加至一定程度時，該部位熔池吸收的熱量較少，坡口附近的母材金屬溶解程度減弱，甚至出現未熔現象（見圖5、圖6）。同時，熔池內熱量吸收不充分的熔化金屬流動性較差，導致熔池內焊劑的上浮效果變差，甚至出現焊劑未充分上浮而被熔化金屬包裹的現象（見圖13、圖14）。

X90螺旋埋弧焊管在焊接成型之后，成型方式不當將導致焊縫承受較大制管約束應力，且該應力方向與焊縫橫截面垂直。為檢驗成品鋼管的整體承壓能力和焊縫質量，X90螺旋埋弧焊管將承受一定壓力的水壓試驗。水壓試驗中，管壁產生的應力值通常達到材料屈服強度的90%以上，且應力方向與焊縫橫截面垂直。這兩種應力與熔池凝固產生的應力疊加導致焊縫內的拉應力升高。

焊縫中包裹的焊劑導致材料的連續性遭到破壞，從而使該部位的焊縫橫向截面上應力值高于正常截面。若焊劑中殘留有水分，則會在高溫環境中引入氫，進一步提高了該部位的應力集中程度。

形貌觀察發現被包裹的焊劑表面局部區域呈球形的小尺寸液滴（見圖14）。由缺口斷裂力學可知，當連續介質中存在不連續界面時，應力集中程度隨不連續界面形狀的變化而改變，其中圓形不連續界面前端的應力場可高達均勻拉應力的3倍，極大增加了該部位的開裂傾向。

綜上，在焊接工藝不穩定條件下，制管工序中焊縫承受的多種拉應力疊加后作用于焊縫內殘留焊劑部位，導致該部位的拉應力超越材料強度極限引發裂紋萌生和擴展，最終形成焊縫內的橫向裂紋。

4 結 論

（1）焊縫橫向裂紋在縱向截面上由內焊縫向外焊縫方向擴展，而其在水平截面上由焊縫向母材方向擴展。

（2）焊接線能量過?。ㄈ绾附铀俣冗^快）導致坡口附近的母材組織未完全熔解，且易在該部位的焊縫中引入異物（如焊劑）。

（3）隨著遠離起裂源點，裂紋斷口形貌逐漸由準解離斷裂轉變為解離斷口，整體表現出脆性斷裂特征。

（4）在焊接工藝不穩定條件下，制管工序中焊縫承受的多種拉應力疊加后作用于焊縫內殘留焊劑部位，導致該部位的拉應力超越材料強度極限，引發裂紋萌生和擴展。

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Analysis on Transverse Crack in Weld of X90 SAWH Pipe

CUI Lei,XU Jinqiao,LI Liwei,ZOU Hang,XU Feng,WANG Junlin,LIU Xiaoguo
（Research Institute,Wuhan Iron and Steel Corporation,Wuhan 430080,China）

TG457.11

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.05.006

2017-03-20

編輯：黃蔚莉

崔 雷（1983—），男，工程師，主要從事高鋼級管線鋼產品開發工作。