X80M管道環(huán)焊縫開裂原因分析

陳建國,王澤軍,馬青軍,黨麗華,魏玉順,韋 晨,李智明,張 智

(1.天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，天津 300192；2.國家特種設(shè)備焊接材料產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(籌)，天津 300350；3.天津大學(xué)，天津 300350)

0 引言

某作業(yè)區(qū)外輸管線項(xiàng)目工段1和工段2線路工程使用的X80M管線鋼管(直徑?1 422 mm，壁厚t=25.7 mm(工段1)、t=21.4 mm(工段2))，在鋼管焊后24 h，相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)發(fā)現(xiàn)兩工段的個(gè)別鋼管對(duì)接環(huán)焊縫填充層均存在橫向裂紋。本文針對(duì)上述X80M鋼管環(huán)焊縫的裂紋問題開展失效分析，為后續(xù)X80M管線鋼的焊接提供技術(shù)支撐。

送檢樣品具體為工段1的2道開裂焊口(焊口1和焊口2)和工段2的2道開裂焊口(焊口3和焊口4)。部分送檢樣品分別如圖1,2所示。

圖1 工段1送檢樣品Fig.1 Sample for inspection from section 1

圖2 工段2送檢樣品Fig.2 Sample for inspection from section 2

1 試驗(yàn)方案

鑒于焊接材料和焊接工藝是影響焊接質(zhì)量的重要因素，因此從焊接工段1和工段2的X80M管線鋼管所用的焊材和工藝兩方面入手，首先對(duì)焊材進(jìn)行復(fù)驗(yàn)；其次結(jié)合焊接工藝對(duì)送檢樣品的焊接接頭進(jìn)行理化檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)焊縫中裂紋的產(chǎn)生位置進(jìn)一步檢測(cè)、分析，以了解產(chǎn)生裂紋的原因。

2 焊材復(fù)驗(yàn)

首先對(duì)工段1和工段2焊接X80M管線鋼填充層所用焊材進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，對(duì)其開展包括化學(xué)成分、力學(xué)性能和擴(kuò)散氫的檢測(cè)。

2.1 熔敷金屬制備

工段1和工段2環(huán)焊縫填充層所用焊材分別為1#某進(jìn)口品牌藥芯焊絲和2#某國產(chǎn)品牌藥芯焊絲。熔敷金屬焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 制備熔敷金屬焊接工藝參數(shù)Tab.1 Welding process parameters for preparation of deposited metal

2.2 熔敷金屬化學(xué)成分檢測(cè)

依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》、GB/T 20125—2006《低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》和GB/T 20123—2006《鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收光法(常規(guī)法)》對(duì)兩種藥芯焊絲的熔敷金屬進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見表2,3。

表2 1#藥芯焊絲熔敷金屬化學(xué)成分Tab.2 Chemical compositions of 1# flux cored wire deposited metal %

通過化學(xué)成分檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)1#藥芯焊絲的化學(xué)成分基本符合質(zhì)保書值，2#藥芯焊絲的化學(xué)成分符合要求值。

表3 2#藥芯焊絲熔敷金屬化學(xué)成分Tab.3 Chemical compositions of 2# flux cored wire deposited metal %

2.3 熔敷金屬力學(xué)性能檢測(cè)

依據(jù)GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)送檢藥芯焊絲的熔敷金屬進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見表4。

表4 熔敷金屬力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of deposited metal

通過對(duì)兩種藥芯焊絲熔敷金屬進(jìn)行力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)1#藥芯焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能符合要求值，而2#藥芯焊絲熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度較高，雖然抗拉強(qiáng)度符合要求值，但偏向于上限，其斷后伸長率低于要求值(17%)。

2.4 熔敷金屬擴(kuò)散氫檢測(cè)

依據(jù)GB/T 3965—2012《熔敷金屬中擴(kuò)散氫測(cè)定方法》中的熱導(dǎo)法(載氣熱提取法)對(duì)送檢焊絲制備的熔敷金屬進(jìn)行擴(kuò)散氫含量檢測(cè)，規(guī)范為：加熱溫度為400 ℃，加熱時(shí)間0.5 h，結(jié)果如表5所示。

表5 熔敷金屬擴(kuò)散氫含量Tab.5 Diffusion hydrogen content of deposited metal

通過對(duì)1#，2#藥芯焊絲進(jìn)行擴(kuò)散氫復(fù)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種焊絲的擴(kuò)散氫含量都符合要求值。

3 焊接接頭檢測(cè)

3.1 管線鋼母材與環(huán)焊縫金屬化學(xué)成分檢測(cè)

為了檢測(cè)X80M管線鋼材質(zhì)和現(xiàn)場焊接作業(yè)所用焊材的符合性，對(duì)送檢的鋼管母材和環(huán)焊縫金屬進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)。

工段1的焊口編號(hào)為1號(hào)和2號(hào)，工段2的焊口編號(hào)為3號(hào)和4號(hào)，所用方法與第2.2節(jié)相同，結(jié)果見表6～9(由于單個(gè)工段的焊接工藝和所用的焊材型號(hào)相同，所以每個(gè)工段只選取一個(gè)焊口進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè))。

表6 焊口1管線鋼母材化學(xué)成分Tab.6 Chemical composition of pipeline steel base metal for 1# crater %

表7 焊口1環(huán)焊縫金屬化學(xué)成分Tab.7 Chemical composition of girth weld metal for 1# crater %

對(duì)焊接接頭環(huán)焊縫金屬和母材的化學(xué)成分檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫金屬的化學(xué)成分與焊材質(zhì)保書值和要求值基本相符，母材的化學(xué)成分也符合相應(yīng)的要求值。

表8 焊口3管線鋼母材化學(xué)成分Tab.8 Chemical composition of pipeline steel base metal for 3# crater %

表9 焊口3環(huán)焊縫金屬化學(xué)成分Tab.9 Chemical composition of girth weld metal for 3# crater %

3.2 焊接接頭維氏硬度(HV10)檢測(cè)

為了檢測(cè)X80M鋼管現(xiàn)場焊接作業(yè)焊接接頭的淬硬性，依據(jù)GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》對(duì)送檢樣品的焊接接頭進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果見圖3。

(a)焊口1

(b)焊口3圖3 焊接接頭硬度檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Hardness test result of welded joint

硬度檢測(cè)表明在未產(chǎn)生裂紋的環(huán)焊縫良好部位硬度值正常，未發(fā)現(xiàn)硬度高的淬硬區(qū)域。

3.3 焊接接頭宏觀金相檢測(cè)

為了探究焊接接頭焊后的宏觀形貌和組織形態(tài)，依據(jù)GB/T 26955—2011《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 焊縫宏觀檢測(cè)和微觀檢驗(yàn)》，對(duì)焊接接頭進(jìn)行宏觀金相檢測(cè)，結(jié)果見圖4,5?？梢钥闯?，環(huán)焊縫成型良好，無孔洞、氣孔、夾雜、未熔合等焊接缺陷，說明焊接工藝規(guī)范[1]。

圖4 焊口1宏觀金相照片F(xiàn)ig.4 Macroscopic metallograph of 1# crater

圖5 焊口3宏觀金相照片F(xiàn)ig.5 Macroscopic metallograph of 3# crater

4 焊縫裂紋檢測(cè)

4.1 光鏡檢測(cè)

對(duì)PAUT檢測(cè)到的環(huán)焊縫中的裂紋處進(jìn)行取樣，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，且裂紋處的微觀組織為貝氏體+鐵素體。

4.2 掃描電鏡檢測(cè)

為分析裂紋產(chǎn)生原因，根據(jù)JY/T 010—1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》對(duì)裂紋附近的微觀組織、元素分布和斷口進(jìn)行掃描電鏡檢測(cè)，檢測(cè)過程中配合使用能譜分析。

(1)工段1的焊口1環(huán)焊縫裂紋處的掃描電鏡檢測(cè)結(jié)果見圖6～8。

圖6 焊口1環(huán)焊縫中裂紋形貌Fig.6 Crack morphology of girth weld in 1# crater

掃描電鏡檢測(cè)發(fā)現(xiàn),在焊口1環(huán)焊縫中存在如圖7所示的裂紋形貌，裂紋中心部位尺寸較寬，在裂紋中心坑內(nèi)存在明顯的一個(gè)個(gè)結(jié)晶未完全(不連續(xù))的晶粒，且裂紋向兩邊擴(kuò)展。能譜分析表明，裂紋位置合金元素中銅含量較高，部分區(qū)域其含量達(dá)到19.70%。

圖7 焊口1環(huán)焊縫中裂紋處的形貌與能譜檢測(cè)Fig.7 Crack morphology and energy spectrum detection of girth weld in 1# crater

(a) (b)圖8 焊口1環(huán)焊縫中裂紋位置附近的Cu元素分布Fig.8 Element Cu distribution near the crake position in 1# crater girth weld

進(jìn)一步對(duì)裂紋位置做元素面分布檢測(cè)，以明確裂紋位置的具體元素分布情況。

通過對(duì)焊口1環(huán)焊縫中的兩處裂紋進(jìn)行掃描電鏡檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在環(huán)焊縫一處裂紋位置存在長約為700 μm、寬約為250 μm缺陷，且在缺陷內(nèi)存在大量的未完全結(jié)晶的銅，見圖6，7；在另一處裂紋位置，銅元素的面分布與裂紋的走向相吻合，在裂紋處的銅含量明顯高于未產(chǎn)生裂紋的區(qū)域，見圖8(b)。

綜合以上掃描電鏡檢測(cè)分析，認(rèn)為焊口1環(huán)焊縫中裂紋的產(chǎn)生與銅有關(guān)。

(2)工段1的焊口2環(huán)焊縫裂紋處的掃描電鏡檢測(cè)結(jié)果見圖9。

繼續(xù)對(duì)焊口2環(huán)焊縫裂紋位置做元素面分布檢測(cè)，以驗(yàn)證裂紋的產(chǎn)生與銅的關(guān)系。通過對(duì)焊口2環(huán)焊縫裂紋位置的能譜檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了與焊口1明顯不同的現(xiàn)象，焊口2環(huán)焊縫中不但在銅含量高的地方出現(xiàn)裂紋，而且在銅含量低的地方也出現(xiàn)了裂紋，見圖9(b)。因此判斷銅不是產(chǎn)生該裂紋的唯一原因。

(a) (b)

(3)工段2的焊口3環(huán)焊縫裂紋處的掃描電鏡檢測(cè)結(jié)果見圖10。

(a) (b)

能譜檢測(cè)結(jié)果表明，在焊口3環(huán)焊縫中的裂紋出現(xiàn)于銅富集的區(qū)域，在銅含量低的區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，見圖10(b)。這與工段1的焊口1環(huán)焊縫中的裂紋能譜檢測(cè)結(jié)果相吻合。

(4)工段2的焊口4環(huán)焊縫裂紋處的掃描電鏡檢測(cè)結(jié)果見圖11。

圖11 焊口4失效環(huán)焊縫裂紋斷口形貌Fig.11 Crack fracture morphology of failed girth weldin 4# crater

采用文獻(xiàn)[2]中的方法，將焊口4失效的環(huán)焊縫沿裂紋方向打開，對(duì)其斷口進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在斷口上不但存在由于結(jié)晶不完全導(dǎo)致的沿晶斷口；而且還存在典型的解理脆性斷口(見圖11)。這進(jìn)一步證明該裂紋也不是單一的裂紋形式。

4.3 硬度檢測(cè)

通過掃描電鏡檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂紋不僅產(chǎn)生于銅含量高的區(qū)域，在銅含量低的區(qū)域也有產(chǎn)生，為了進(jìn)一步分析裂紋產(chǎn)生的原因，對(duì)焊口3環(huán)焊縫裂紋附近進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果見圖12。

圖12 焊口3環(huán)焊縫中裂紋附近硬度檢測(cè)結(jié)果Fig.12 Hardness test result near the crack in3# crater girth weld

通過硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在焊口3環(huán)焊縫的裂紋兩側(cè)，存在比第3.2節(jié)中未開裂環(huán)焊縫硬度高的區(qū)域；同時(shí)，裂紋在硬度較低的區(qū)域終止。另外，對(duì)圖12中高硬度裂紋區(qū)域鉆屑進(jìn)行ICP元素成分檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)銅元素含量在0.51%～0.53%之間。

5 模擬現(xiàn)場施焊焊槍的擴(kuò)散氫檢測(cè)

工段1施焊現(xiàn)場焊絲干伸長、導(dǎo)電嘴、及焊接噴嘴相對(duì)位置構(gòu)造如圖13所示，這與實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)散氫含量檢測(cè)時(shí)三者的相對(duì)位置不符。與現(xiàn)場不同的是實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行焊材熔敷金屬擴(kuò)散氫含量測(cè)定試驗(yàn)的導(dǎo)電嘴是處于焊接噴嘴內(nèi)部，而現(xiàn)場是導(dǎo)電嘴處于焊接噴嘴外部。根據(jù)現(xiàn)場施焊作業(yè)的實(shí)際情況，模擬進(jìn)行擴(kuò)散氫比對(duì)試驗(yàn)。模擬施工現(xiàn)場焊槍構(gòu)造選用1#藥芯焊絲，依據(jù)GB/T 3965—2012《熔敷金屬中擴(kuò)散氫測(cè)定方法》中的熱導(dǎo)法(載氣熱提取法)進(jìn)行了擴(kuò)散氫比對(duì)試驗(yàn)，結(jié)果見表10。

圖13 施工現(xiàn)場使用的噴嘴與導(dǎo)電嘴配合Fig.13 Matching between the nozzle and conductivenozzle used in the construction site

表10 模擬施工現(xiàn)場與實(shí)驗(yàn)室焊接擴(kuò)散氫含量對(duì)比Tab.10 Comparison of diffusible hydrogen content insimulated construction site with that in laboratory welding

從模擬試驗(yàn)的結(jié)果來看，現(xiàn)場焊槍構(gòu)造情況下測(cè)得的擴(kuò)散氫含量要明顯高于實(shí)驗(yàn)室焊接所測(cè)得的擴(kuò)散氫含量，表明導(dǎo)電嘴伸出于焊槍噴嘴外的焊槍構(gòu)造會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散氫含量的升高，這是由于這種構(gòu)造不利于保護(hù)氣體對(duì)電弧的保護(hù)。另外，值得注意的是擴(kuò)散氫是導(dǎo)致焊縫冷裂紋的重要因素之一[3]。

6 原因分析

通過前面的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)銅對(duì)本失效案例中的X80M鋼管環(huán)焊縫裂紋有明顯影響。含銅較高時(shí)，銅的偏析會(huì)增大焊縫的熱裂傾向。超過一定含量的銅，在焊接條件下還可能形成Cu2S低熔點(diǎn)相，富集于晶界，形成“液態(tài)薄膜”，其強(qiáng)度極小，由于焊縫凝固收縮而受到拉應(yīng)力，最終開裂形成裂紋[4-5]。文獻(xiàn)[6]分析認(rèn)為隨著含銅量的增加，焊縫熱裂傾向呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，銅含量低于0.4%，銅對(duì)焊縫的不利影響十分微弱，而當(dāng)銅含量高于0.8%，熱裂傾向明顯增加。在工段1的焊口1環(huán)焊縫裂紋處的銅含量高達(dá)19.70%，且伴隨有明顯的結(jié)晶未完全的晶粒出現(xiàn)，表明所分析裂紋為銅致熱裂紋。潛伏下來的熱裂紋還可能成為冷裂紋的誘發(fā)源[7]。

高強(qiáng)鋼焊縫的淬硬傾向、擴(kuò)散氫含量和所承受的拘束應(yīng)力狀態(tài)對(duì)冷裂紋的產(chǎn)生有重要影響[8]。本案例中的部分裂紋位置發(fā)現(xiàn)了高硬度區(qū)域，部分HV10值高達(dá)370(見圖12)，這為焊接冷裂紋的形成提供了可能。焊縫的淬硬傾向越大，其抵抗冷裂縫的能力就越低。同時(shí)，圖11中裂紋斷口中的解理脆性斷裂形貌也證實(shí)了冷裂紋的存在。文獻(xiàn)[7]分析認(rèn)為銅對(duì)焊接冷裂紋也有一定的作用，銅是一種奧氏體穩(wěn)定元素，它會(huì)使連續(xù)冷卻相變曲線右移，并增大奧氏體分解的過冷度，銅含量的增加將使這種作用更加強(qiáng)烈，結(jié)果必然導(dǎo)致低塑性組織增多，冷裂縫敏感性提高。在高溫奧氏體區(qū)，銅的固溶度為8%，在室溫下則為0.35%左右。由于焊接的快速冷卻，在高溫下固溶的銅來不及擴(kuò)散，室溫下被過飽和地保留在鐵基體中，使鐵原子偏離其在晶格中的平衡位置，使晶格發(fā)生畸變，同時(shí)這些銅原子通常被吸引在位錯(cuò)的位置，使位錯(cuò)滑移受阻，進(jìn)一步加劇晶格畸變，從而硬化組織，降低塑性。另外，通過模擬現(xiàn)場施焊的擴(kuò)散氫檢測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場施焊工藝的擴(kuò)散氫高于實(shí)驗(yàn)室所測(cè)擴(kuò)散氫含量。氫在奧氏體中的溶解度較大，在鐵素體中的溶解度較小，而其在鐵素體中的擴(kuò)散速度要高于奧氏體[9]。由于熔池體積小、冷卻塊，多余的氫來不及逸出，就會(huì)以飽和狀態(tài)存在于焊縫中[10-12]。所以，高含量的擴(kuò)散氫會(huì)大大增強(qiáng)焊縫冷裂紋的可能性。

在本分析工作中，發(fā)現(xiàn)銅對(duì)X80M鋼管環(huán)焊縫裂紋有重要影響。銅含量過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致環(huán)焊縫中熱裂紋的形成；當(dāng)銅含量低于產(chǎn)生熱裂紋所需的銅含量時(shí)，結(jié)合由導(dǎo)電嘴伸出于焊槍噴嘴外的焊槍構(gòu)造所引起的較高含量擴(kuò)散氫，增強(qiáng)了焊縫冷裂紋敏感性。在本案例中，母材與焊材中的銅含量極低，而在焊接的過程中只有導(dǎo)電嘴和噴嘴是銅制，尤其導(dǎo)電嘴與焊材直接接觸，所以裂紋處的銅只可能來源于導(dǎo)電嘴。在焊接過程中，焊絲的不斷送絲會(huì)造成導(dǎo)電嘴的磨損，掉落到熔池中的銅會(huì)導(dǎo)致焊縫開裂。

7 結(jié)論

(1)X80M鋼母材和焊材的化學(xué)成分中銅含量均極低，因此裂紋處的銅應(yīng)當(dāng)來源于導(dǎo)電嘴。

(2)環(huán)焊縫中過量的滲銅會(huì)導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。

(3)環(huán)焊縫中產(chǎn)生滲銅，同時(shí)滲銅量未達(dá)到形成熱裂紋所需的滲銅量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致環(huán)焊縫金屬硬度升高，加之在特殊的焊槍構(gòu)造下，擴(kuò)散氫含量較正常熔敷金屬狀態(tài)明顯提高，在高拘束狀態(tài)下，冷裂紋敏感性增強(qiáng)，造成裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展。