某X65鋼級(jí)輸氣管道環(huán)焊縫泄漏失效分析

劉奎榮，豐振軍，王明波

（1.中國(guó)石油西南管道公司，成都 610041；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065）

1 概 述

油氣輸送管道對(duì)接環(huán)焊縫是長(zhǎng)輸管道的薄弱環(huán)節(jié)，若對(duì)接環(huán)焊縫內(nèi)存在缺陷及附加應(yīng)力則容易發(fā)生失效。 由于焊接接頭由母材、 焊縫及熱影響區(qū)組成，各部分的力學(xué)性能存在一定差異，從而焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會(huì)受到焊接接頭材料不均勻性的影響[1-3]。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，環(huán)焊縫失效的主要原因?yàn)楹附淤|(zhì)量不穩(wěn)定，特別是根焊、 返修及補(bǔ)焊質(zhì)量較差，也有個(gè)別是附加載荷引起的，其防治重點(diǎn)應(yīng)放在管線建設(shè)質(zhì)量控制上[4-11]。

某輸氣管道為X65 鋼級(jí)，規(guī)格為Φ916 mm×28.6 mm，其中一處三通支管與短節(jié)對(duì)接環(huán)焊縫發(fā)生泄漏失效。 現(xiàn)場(chǎng)氣割獲得的環(huán)焊縫試樣不完整，試樣只保留了一半焊縫，且環(huán)焊縫斷口上大部分區(qū)域呈藍(lán)黑色氣割斷面特征，在約260 mm 長(zhǎng)的局部發(fā)現(xiàn)有鐵銹痕跡，表明該處未被搶修時(shí)的氣割所影響，應(yīng)為焊縫泄漏處。失效試樣如圖1 所示（1 號(hào)標(biāo)識(shí)為泄漏處），斷口未被氣割影響區(qū)域如圖2 所示。 本研究以該輸氣管線環(huán)焊縫泄漏原因開(kāi)展失效分析，為油氣管道安全運(yùn)行提供參考。

圖1 失效試樣照片

圖2 斷口上未被氣割影響的區(qū)域

2 試驗(yàn)分析

2.1 無(wú)損檢測(cè)

采用X 射線對(duì)試樣管體及焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)管體未發(fā)現(xiàn)缺陷，焊縫1 號(hào)標(biāo)記處存在裂紋缺陷。 焊縫檢測(cè)結(jié)果如圖3 所示。

2.2 硬度試驗(yàn)

圖3 焊縫X 射線檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)試樣情況，在圖1 所示環(huán)焊縫標(biāo)記的1號(hào)、 2 號(hào)和3 號(hào)部位3 處分別取樣，對(duì)應(yīng)試樣編號(hào)分別為 1#、 2#和 3#。 利用 KB 30BVZ-FA 硬度試驗(yàn)機(jī)，按照ASTM E92-17 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，測(cè)試點(diǎn)位置如圖4 所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 焊接接頭硬度測(cè)試點(diǎn)位置示意圖

表1 環(huán)焊縫維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 金相分析

對(duì)圖1 環(huán)焊縫的3 個(gè)不同位置分別取樣，進(jìn)行了金相分析。 其中1 號(hào)位置裂紋呈內(nèi)寬外窄形態(tài)，如圖5 所示，表明裂紋是由內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展。

利用 MEF4A 金相顯微鏡，按照 GB/T 13298—2015 標(biāo)準(zhǔn)對(duì) 2 號(hào)部位及 3 號(hào)部位試樣進(jìn)行低倍金相觀察，如圖6 所示。 環(huán)焊縫組織形貌如圖7 所示。 從圖5～圖7 可以看出，原始焊接組織未見(jiàn)明顯異常，但組織有脫碳現(xiàn)象（見(jiàn)圖8），分析原因系現(xiàn)場(chǎng)火焰切割高溫?zé)齻隆?/p>

圖5 1 號(hào)部位裂紋處金相組織

圖6 環(huán)焊縫低倍金相形貌

圖7 焊接接頭金相組織形貌

圖8 1 號(hào)裂紋處金相組織 （脫碳）

圖9 裂紋附近高倍形貌 （疏松組織）

用OLS 4100 激光共聚焦顯微鏡對(duì)裂紋形貌及周圍組織進(jìn)行觀察，如圖9 所示。 從圖9可以看出，1 號(hào)部位焊縫裂紋附近存在疏松組織，大部分疏松組織呈封閉狀態(tài)，部分疏松組織邊緣可看見(jiàn)部分小裂紋，周圍組織未見(jiàn)明顯變形。

2.4 掃描電鏡及能譜分析

采用VEGAⅡ掃描電鏡對(duì)1 號(hào)部位裂紋進(jìn)行觀察，通過(guò)INCA 360 EDS 能譜儀對(duì)裂紋內(nèi)疏松組織進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10 所示。 1 號(hào)部位裂紋內(nèi)疏松組織主要元素為鐵和氧，其他元素為鋁、 硅、鈣、 硫，該疏松組織為焊接時(shí)未清理干凈的焊渣。

圖10 裂紋處組織形貌及能譜分析

3 結(jié)果分析

在失效試樣宏觀檢查中，發(fā)現(xiàn)焊接接頭存在裂紋，裂紋起源于環(huán)焊縫內(nèi)表面，向環(huán)焊縫外表面擴(kuò)展。 裂紋內(nèi)存在疏松組織，根據(jù)能譜分析可知，一些是鐵的氧化物，一些主要元素為鋁、 硅、鈣、 硫，該灰色物質(zhì)為焊接時(shí)未清理干凈的焊渣。

夾渣的存在，減小了承載截面積，該處存在較大的應(yīng)力集中，在較高的應(yīng)力狀態(tài)下，夾渣處極易萌生裂紋，是焊縫結(jié)構(gòu)中最危險(xiǎn)的部位之一。 焊縫產(chǎn)生的夾渣影響因素較多： ①與焊接參數(shù)選擇不當(dāng)有關(guān)，如焊接線能量過(guò)小、 電弧偏吹和焊條藥皮偏心等；②與焊工操作有關(guān)，如電弧離坡口過(guò)遠(yuǎn)、 運(yùn)條不當(dāng)、 擺動(dòng)時(shí)在兩端停留時(shí)間過(guò)短以及焊條直徑或種類選擇不當(dāng)和焊絲傾角不合適等；③焊接時(shí)前一層焊道清理不干凈，而且熔渣又未能完全排出或者前一層焊縫中間凸起過(guò)大，致使清渣困難，焊接產(chǎn)生的熔渣也不容易排出而造成。 另外，由于夾渣在射線底片上的影像特征因產(chǎn)生的位置而有所不同，只有當(dāng)射線透照方向平行于熔合面時(shí)，才有明顯的特征[12-15]。 夾渣會(huì)明顯影響環(huán)焊縫的性能，減少了焊縫的有效橫截面積，降低了焊接接頭的強(qiáng)度和韌性，并且破壞了焊縫金屬的連續(xù)性，在外力作用和內(nèi)壓作用下，夾渣處極易萌生裂紋，裂紋相互貫穿成穿透性裂紋。

綜上所述，該焊接接頭存在夾渣缺陷，夾渣在焊縫中形成裂紋源和應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響了焊縫的性能，在管道敷設(shè)后進(jìn)行的水壓試驗(yàn)中，局部焊縫承受不了所加載荷，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生開(kāi)裂而發(fā)生泄漏。

4 結(jié) 論

（1） 焊接接頭根部存在夾渣缺陷，夾渣在焊縫中形成裂紋源和應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響了焊縫的性能，這是造成環(huán)焊縫形成裂紋的主要原因。

（2） 在管道敷設(shè)后進(jìn)行的水壓試驗(yàn)中，局部焊縫承受不了所加載荷，在外力作用和內(nèi)壓作用下，夾渣處裂紋相互貫穿成穿透性裂紋，裂紋由內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生開(kāi)裂而發(fā)生泄漏。