含缺陷X70管線鋼環焊縫檢驗及分析

李 亮，黃 磊，聶向暉，劉迎來，豐振軍，許 彥，封 輝

(1.中國石油集團 石油管工程技術研究院,西安 710077;2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司,北京 100101)

0 引言

截至2019年底，我國長輸油氣管道總里程達到13.52×104公里[1]，其中高鋼級油氣管道的運營里程已達到35 000公里，位居世界第一位[2]。隨著X70,X80高鋼級管線鋼在我國西氣東輸管線、陜京管線、中緬管線、中俄東線等重大工程中的廣泛應用，我國X70,X80鋼級管道的運營里程均分別超過了16 000公里[3]，應用規模達到了國際領先水平[4]。

近年來，隨著我國X70,X80高鋼級油氣管道的長時間服役，由焊縫缺陷引起的管道失效事故頻發。據統計，我國近十年建成的高鋼級大口徑油氣輸送管線中，在管道建成試壓和投產運行初期就發生了30余起環焊縫開裂和泄漏事故，其中70%以上是由環焊縫缺陷引起的[5-8]。可以看出，環焊縫已成為影響管道安全運行的關鍵因素之一。

為保障油氣輸送管道安全運行，2017年9月起以中石油環焊縫隱患排查活動為標志，全國管道運營企業陸續對所屬轄區內的油氣管道開展了大規模的環焊縫隱患排查修復工作[9-12]。在X70環焊縫隱患排查修復過程中，共發現7處X70環焊縫存在危害較大的缺陷，所屬管道企業對相關環焊縫進行了割口換管處理。為掌握X70隱患環焊縫的性能分布和缺陷狀況，本文對上述環焊縫進行檢測、分析和統計，以期對后續環焊縫缺陷修復提供參考。

1 試驗材料

本文試驗所用材料為環焊縫隱患排查時割口的7處存在較大安全隱患的X70環焊縫，表1列出割口環焊縫基本信息。割口環焊縫中，有2處焊口為變壁厚焊口。

表1 環焊縫基本信息Tab.1 Basic information of girth welds

2 試驗與分析

2.1 幾何尺寸檢測

采用27-MG超聲波測厚儀、壁厚千分尺、焊縫檢驗尺等工具，對7處割口環焊縫及其上下游管材的幾何尺寸進行測量，其結果見表2。

表2 環焊縫及其上下游鋼管幾何尺寸Tab.2 Geometric dimensions of girth weld and its upstream and downstream steel pipes mm

由表2檢測結果可知，上下游管材的壁厚均滿足Q/SY GJX 0125—2007《西氣東輸二線管道工程用X70直縫埋弧焊管技術條件》、Q/SY GJX 0127—2007《西氣東輸二線管道工程用X70螺旋縫埋弧焊管技術條件》要求，但大部分環焊縫的余高和錯邊量均不滿足Q/SY GJX 0110—2007《西氣東輸二線管道工程線路焊接技術規范》要求。

2.2 無損檢測

依據SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質管道無損檢測》，分別采用RT,TOFD和PAUT(相控陣超聲檢測)方法對割口環焊縫進行無損檢測，檢測結果如表3所示。可以看出，發現的缺陷中，裂紋和未熔合在缺陷總數中的占比約為69%，未焊透和夾渣占比相對較少。

表3 環焊縫無損檢測結果Tab.3 Non-destructive test results of girth welds

2.3 化學成分分析

在7處割口環焊縫上、下游管材上取樣進行化學成分分析，試驗標準為GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法(常規法)》，試驗設備為ARL4460直讀光譜儀，檢測結果顯示：所有管材化學成分均滿足相關標準要求，碳當量CEPcm分布在0.15～0.19區間，滿足標準規定的CEPcm≤0.21要求，具有較好的可焊性。

2.4 力學性能

力學性能試驗取樣方法和標準值均參考SY/T 4103—2006《鋼質管道焊接及驗收》和Q/SY GJX 0110—2007進行。

2.4.1 拉伸性能試驗

試驗設備為SHT4106試驗機，試驗標準為GB/T228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》，試驗結果統計如圖1所示。由圖1(a)可以看出，所檢環焊縫的抗拉強度均符合標準要求(≥570 MPa為合格，樣本數為28個)，抗拉強度值分布在600～680 MPa區間；由圖1(b)可以看出，同一規格環焊縫不同鐘點位置的抗拉強度無顯著差異。

(a)環焊縫抗拉強度散點分布 (b)不同鐘點位置抗拉強度均值分布

2.4.2 沖擊性能試驗

試驗設備為PSW750沖擊試驗機，試驗溫度為-20 ℃，試驗結果統計如圖2所示。可以看出，對于4種管徑的割口環焊縫，沖擊功累計不合格率為10.7%(≥56 J為合格，樣本總數84個)，且均為焊縫金屬處不合格，同規格環焊縫熱影響區沖擊功平均值高于焊縫金屬。

2.4.3 維氏硬度試驗

對環焊縫進行16點維氏硬度HV10試驗，試驗設備為KB30BVZ-FA維氏硬度計，試驗結果統計如圖3所示。由圖3(a)可以看出，環焊縫的維氏硬度試驗結果均符合標準要求(≤275HV10)。不同部位的硬度值統計結果(見圖3(b))顯示，4種規格環焊縫呈現基本相同的硬度分布規律，熱影響區均存在一定程度的軟化，根焊部位硬度值均低于蓋面焊部位。

(a)環焊縫沖擊功散點分布 (b)不同鐘點位置沖擊功均值分布

(a)環焊縫維氏硬度值散點分布

3 裂紋解剖分析

對表3中2#,3#,5#,6#,7#環焊縫中的5處裂紋進行逐一解剖，結果顯示：5處裂紋均起源于焊縫根部，且其中4處位于環焊縫6點鐘附近，如圖4所示。客觀上講，仰焊是較為困難的一個焊接位置，仰焊時熔池倒懸在焊件下方，焊縫成形困難，容易在焊縫表面產生焊瘤、在背面產生塌陷，還容易出現未焊透、弧坑凹陷等缺欠。另外，熔池尺寸較大，溫度較高，清渣困難，有時易產生層間夾渣。何小東等[13]的研究也證實，長輸管道在環焊縫6點位置的焊接缺陷遠比其他位置多，這些缺陷在附加應力作用下易成為裂紋萌生的根源。

(a)裂紋A

(c)裂紋C

此外，相對于其他鐘點位置，圖4所示4處位置的焊接道層數明顯較少，焊層厚度明顯較大。目前，管線鋼環焊縫通常采用多層多道工藝焊接，目的是避免焊接熱輸入過大，減少焊縫高溫停留時間，盡可能降低熱影響區過熱程度，防止晶粒過渡長大；同時，將焊道進行分層分道焊接能減少焊接變形及焊接收縮量，前道焊縫對后道焊縫起到預熱作用，后道焊縫對前道焊縫起到熱處理作用，從而改善焊縫的力學性能。圖4中的4處裂紋位置，較少的焊接層道數可能導致焊縫韌性下降，從而使得裂紋更易形成和擴展。

對表3中2#，3#，5#，6#，7#環焊縫中的5處裂紋作進一步形貌特征分析，結果顯示：4處裂紋起源于焊縫根部未熔合、夾渣或孔洞缺陷，占比高達80%，圖4(a)～(c)列出了其中3處；另1處裂紋起源于根焊金屬中線附近，根焊金屬宏觀形貌未見明顯焊接缺陷，但蓋面焊金屬存在尺寸較大的夾渣物，如圖4(d)所示。由于圖4(a)～(c)裂紋具有相似特征，本文僅對裂紋A和裂紋D進行分析。

圖5示出2#環焊縫裂紋A的缺陷形貌及能譜分析結果。

圖5 2#環焊縫裂紋形貌及能譜分析結果Fig.5 Crack morphology and EDS results of 2# girth weld

從圖5可以看出，該裂紋起源于焊縫根部的未熔合處，其內部存在灰色非金屬物質，在根焊區域還存在許多微小的孔洞；由圖5(e)(f)能譜分析結果可知，裂紋內部非金屬物質的主要成分為Ti,Si,Mg,Al,Mn等元素，為焊接過程中殘留或未清理的熔渣[14-16]。

由于該環焊縫6點鐘位置的根焊質量較差，存在較多微孔洞，且根焊時熔渣未清理干凈，導致焊接金屬未完全熔合，同時疊加焊縫沖擊韌性較低的材料自身因素，形成了裂紋產生的內在原因。根據文獻[17]，未熔合缺陷端部通常有狹窄尖銳的縫隙，且其尖端前方的熔合線因兩側組織各不相同是焊縫的薄弱區域，極易萌生裂紋。此外，該環焊縫為碰死口，存在較大的拘束應力，且裂紋處環焊縫錯邊量高達4.2 mm，遠遠超過標準≤2 mm的要求，存在較大的應力集中，這是促使裂紋產生的外在原因。

5#環焊縫裂紋D的形成原因與裂紋A,B,C有所不同，其形成的偶然性因素較大。由圖4(d)可以看出，該環焊縫中存在貫穿蓋面焊的大尺寸夾渣物，將該試樣浸于液氮后沿裂紋錘斷，夾渣物發生脫落，如圖6(a)所示。經測量，夾渣物最深處距外表面約6 mm，由此可知，環焊縫在該位置的有效承載厚度僅6.5 mm，約為鋼管公稱壁厚(12.5 mm)的一半。該位置有效承載面積的大幅減少，必將導致有效承載面應力的大幅增加。此外，裂紋錘斷斷口的掃描電鏡觀察結果顯示，斷面上存在許多大小不等的氣孔和孔洞，部分氣孔和孔洞位于夾渣物脫落區正下方，如圖6(b)(c)所示。這些氣孔和孔洞一方面減小了環焊縫的有效承載面積，另一方面產生了一定程度的應力集中。綜上所述，5#環焊縫焊接質量較差，存在大尺寸夾渣以及較多的氣孔和孔洞，導致大尺寸夾渣物所在位置的有效壁厚大幅低于鋼管設計壁厚，疊加焊接層道數較少導致沖擊韌性不佳問題，最終促使根焊氣孔(孔洞)在較大應力作用下發生了開裂。

圖6 5#環焊縫夾渣物及斷口形貌

4 結論及建議

通過對7處存在較大缺陷的環焊縫進行檢測和分析，可得到如下結論和建議。

(1)環焊縫的抗拉強度均符合標準要求，同一規格環焊縫不同鐘點位置的抗拉強度無顯著差異；環焊縫的沖擊功不合格率約為10.7%，不合格處均出現在焊縫位置；環焊縫熱影響區均存在一定程度的軟化，根焊部位硬度值顯著低于蓋面焊位置。

(2)環焊縫中的主要缺陷是裂紋和未熔合，二者在總缺陷數中的占比約69%，部分焊縫韌性較低以及根焊產生的未熔合、夾渣、孔洞等缺陷是裂紋產生的內在原因，部分焊縫錯邊超差、碰死口強力組對等導致的附加應力則是裂紋產生的外在原因。

(3)建議現場施工時嚴格控制焊接層道數以及層間溫度，確保焊縫韌性符合標準要求；建議加強環焊縫6點鐘附近的焊接質量控制，尤其要避免焊縫根部產生未熔合、夾渣、氣孔等缺陷；變壁厚管材組對焊接時，建議參考ISO 15590-2:2003Petroleumandnaturalgasindustries-Inductionbends,fittingsandflangesforpipelinetransportationsystems-Part2:Fittings中“圖1 不等壁厚焊接接頭坡口設計”,設計合適的坡口型式，并在組對時嚴格控制錯邊量。