壓氣站X70鋼管與A694F60材質閥門對接焊縫裂紋成因分析

張冰

大慶油田有限責任公司采油一廠油田管理部

隨著我國天然氣產量和需求的不斷提升，我國天然氣管道、壓氣站也逐步進入建設高峰期。壓氣站及管道作為天然氣傳輸系統的重要環節，有著特別重要的作用[1-2]。其中，焊接接頭由母材、焊縫和熱影響區組成，各部分理化性能都存在一定的差異性和不確定性，同時由于焊接工藝、焊材、強度匹配、不等壁厚等因素的影響，造成焊接結構的不穩定性[3-5]。而鋼制管道在出廠前已經進行了相應的質量檢驗，結構穩定性遠高于環焊縫，因此，環焊縫是壓氣站內管線結構的薄弱環節。

某壓氣站在運行兩年后的定期檢驗中，發現某環焊縫處有多個表面裂紋。通過對該壓氣站環焊縫及其裂紋的成因開展分析，為壓氣站內管道的安全穩定運行提供了技術支撐。

1 管道裂縫及檢測

1.1 宏觀分析

壓氣站內管道設計壓力12.0 MPa，工作壓力為8.6 MPa，環焊縫上游側為Φ914 mm×30 mm X70直縫埋弧焊鋼管，下游側為36 in×30 in Class900 止回閥，閥體材質為A694F60。裂紋表面經過打磨去除焊縫余高后裂紋仍未消除，說明裂紋深度較深（圖1）。另外，從環焊縫內表面可以發現環焊縫存在補焊痕跡（圖2）。

圖1 打磨后的部分裂紋宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of some cracks after grinding

圖2 環焊縫內表面補焊Fig.2 Repair welding for inner surface of girth weld

1.2 磁粉檢測

采用CJZ-212E 磁粉探傷儀，依據標準ASTM E709-2015《磁粉檢驗的標準指南》對環焊縫內、外表面進行磁粉檢驗[6]，僅從外表面檢測出6 處裂紋，其中1#～3#裂紋位置位于焊縫中心，4#、5#裂紋位于閥門側焊趾處，6#裂紋位于焊縫中心。裂紋具體尺寸見表1，裂紋位置和外觀形貌如3、圖4所示。

表1 環焊縫外表面磁粉檢測結果Tab.1 Magnetic particle testing results of outer surface of girth weld

圖3 裂紋位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of crack location

圖4 環焊縫裂紋外觀形貌Fig.4 Girth weld crack appearance

2 環焊縫性能檢驗

為分析環焊縫的整體性能，對不含裂紋的環焊縫區域進行化學成分、拉伸性能、彎曲性能、刻槽錘斷、夏比沖擊性能、金相分析等性能指標檢測，具體取樣位置如圖5所示。

圖5 環焊縫取樣位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of girth weld sampling position

2.1 化學成分分析

采用ARL 4460 直讀光譜儀，依據標準GB/T4336—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）》進行化學成分分析，測試位置為填充焊區域，分析結果見表2，滿足標準要求[7]。

表2 環焊縫化學成分分析結果Tab.2 Analysis results of chemical composition of girth weld 質量分數/%

2.2 拉伸性能

采用UTM5305 材料試驗機，依據標準ASTM A370—2018《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》對環焊縫進行拉伸性能檢測，縱向拉伸試樣的檢測結果見表3。從表3 可以看出，環焊縫抗拉強度大于低鋼級側閥門母材的抗拉強度標準值下限，滿足標準要求[8]。

表3 環焊縫拉伸性能試驗結果Tab.3 Tensile property test results of girth weld

2.3 彎曲試驗

采用WZW-1000 彎曲試驗機，依據標準Q/SY GJX 0221—2012《某站場管道焊接技術規范》進行側彎檢測，環焊縫未出現裂紋。試驗結果見表4，滿足標準要求。

表4 環焊縫彎曲試驗結果Tab.4 Results of girth weld bending test

2.4 刻槽錘斷試驗

采用SHT4106 材料試驗機，依據標準Q/SY GJX 0221—2012《站場管道焊接技術規范》進行刻槽錘斷檢測，試驗結果見表5，斷口未出現超標缺陷，滿足標準要求。

表5 刻槽錘斷試驗結果Tab.5 Results of grooving hammer breaking test

2.5 夏比沖擊性能

采用ZBC2752-B沖擊試驗機，依據標準ASTM A370—2018《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》對環焊縫中心及熱影響區進行夏比沖擊試驗，縱向沖擊試樣的試驗結果見表6。從表6 可以看出，環焊縫及熱影響區夏比沖擊性能滿足標準要求[4]。

表6 環焊縫及熱影響區夏比沖擊試驗結果Tab.6 Charpy impact test results of girth weld and heat affected zone

2.6 金相分析

采用OLS 4100 激光共聚焦顯微鏡，依據標準GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》進行宏觀低倍照片和微觀金相組織分析[9]。結果表明，未開裂焊縫處存在多種組織，其中打底焊組織為多邊形鐵素體+珠光體（PF+P），蓋面焊組織和填充焊組織均為針狀鐵素體+貝氏體+多邊形鐵素體（IAF+B粒+PF），熔合區組織為貝氏體（B粒），細晶區組織為多邊形鐵素體+馬奧島（PF+MA）。

未開裂焊縫處低倍金相照片如圖6 所示[10]。從圖6可以發現，環焊縫內表面存在錯邊，根焊處有咬邊。閥門側坡口約為22°，袖管側坡口約為26°，總計為48°，即坡口角度約為48°，閥門側外坡口處壁厚約55 mm。由于焊接工藝規程中規定坡口角度為60°±5°，因此與焊接工藝規程不符。

圖6 未開裂焊縫處低倍金相照片Fig.6 Low magnification metallographic photos of uncracked welds

3 環焊縫裂紋分析

3.1 化學成分分析

采用ARL 4460 直讀光譜儀，依據標準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）》對1#～6#裂紋處焊縫填充焊進行化學成分分析，結果見表7[11]。

表7 裂紋處焊縫化學成分分析結果Tab.7 Analysis results of chemical composition of weld at cracks 質量分數/%

3.2 裂紋處焊縫硬度分析

采用KB 30BVZ-FA 硬度計，依據標準ASTM E92—2017《金屬材料維氏硬度和努氏硬度的標準試驗方法》對1#～6#裂紋處環焊縫進行維氏硬度測試，測試位置如圖7 所示，結果見表8[12]。硬度測試結果為166～306 HV10，其中1#、3#裂紋處根焊硬度相對較高，為299～306 HV10。

表8 裂紋處焊縫維氏硬度試驗結果Tab.8 Vickers hardness test results of welds at cracks HV10

圖7 焊縫區域維氏硬度測試位置Fig.7 Vickers hardness test position in weld area

3.3 裂紋金相形貌及掃描電鏡分析

采用OLS 4100 激光共聚焦顯微鏡，依據標準GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》對1#～6#裂紋試樣進行宏觀形貌和金相組織分析[12]。焊縫低倍金相照片如圖8 所示，可以看出，1#～6#裂紋處焊縫均存在返修痕跡。焊縫層數分析結果見表9，焊縫層數包括根焊、填充焊、蓋面焊三個部分，1#～6#裂紋處焊縫層數與未開裂焊縫處一致，均滿足焊接工藝規程要求。但填充焊層內焊道數存在差異，1#、4#、6#裂紋處填充焊層內焊道為1～2道，與未開裂焊縫處相似，2#、3#、5#裂紋處填充焊層內焊道為4～6 道，與未開裂焊縫處不同。此外，1#～6#裂紋處存在不同程度的錯邊，1#、6#裂紋處錯邊量超過焊接工藝規程要求。

表9 焊縫層數及錯邊分析結果Tab.9 Analysis results of weld layers and unfitness

圖8 焊縫低倍金相照片Fig.8 Low magnification metallographic photos of welds

1#～6#裂紋按位置特征可分為兩類，1#、2#、3#、6#裂紋位于焊縫中心，4#、5#位于閥門側熱影響區。裂紋處焊縫金相組織分析見表10，1#、2#、3#、6#裂紋處根焊位置組織與填充焊相同，是由補焊導致的。

表10 裂紋處環焊縫試樣金相分析結果Tab.10 Metallographic analysis results of girth weld sample at cracks

3.4 焊縫中心裂紋分析

3.4.1 金相分析

由于1#、2#、3#、6#裂紋具有相似形貌特征，以1#裂紋為例進行分析，裂紋形貌如圖9所示。裂紋寬度自外表面向壁厚中心逐漸減小，表明裂紋由外表面向內部擴展。裂紋多存在于粗大晶粒區域和柱狀晶邊界，局部可見明顯的沿晶斷裂特征（圖10）。晶粒直徑約在107～334 μm 區間（圖9b）。柱狀晶粒長度超過800 μm，表明焊接熱輸入量較大，焊接熱影響現象明顯（圖9c）。裂紋末端存在疏松組織（圖9d）。

圖9 1#裂紋金相形貌圖Fig.9 1#crack metallographic morphology

圖10 1#裂紋局部沿晶斷裂Fig.10 1#crack local intergranular fracture

3.4.2 掃描電鏡

采用TESCAN VEGAⅡ掃描電鏡對1#裂紋形貌進行觀察，裂紋曲折傳播，裂紋中部和裂紋末端疏松組織均存在表面光滑、顆粒狀枝晶間斷裂形貌，是典型的焊接熱裂紋特征，為焊接過程中產生的焊接缺陷。裂紋中的其他部位寬度較小，為擴展裂紋（圖11）。

圖11 1#焊縫外表面裂紋電鏡掃描形貌Fig.11 1#SEM appearance of cracks on the outer surface of welds

3.4.3 斷口分析

將1#試樣沿裂紋打開，其形貌如圖12所示。

圖12 1#裂紋斷面宏觀形貌Fig.12 Macro morphology of 1#crack fracture

對斷面進行掃描電鏡觀察和能譜分析（圖13），斷面存在兩種斷口特征，一種為河流花樣的解理（圖13b）和準解理（圖13c）形貌，主要由Fe、O元素組成；另一種是位于裂紋端部的顆粒狀枝晶間斷裂形貌（圖13d），主要由Fe、O、C元素組成。

圖13 裂紋斷口掃描電鏡和能譜分析Fig.13 SEM and energy spectnum analysis of crack fracture

3.5 閥門側焊趾處裂紋分析

3.5.1 金相分析

4#、5#裂紋具有相似的形貌特征，以4#裂紋為例進行分析（圖14a），裂紋位于閥門側熱影響區近外表面，沿熱影響區擴展。裂紋深入母材端呈尖端形貌（圖14b），因此推斷蓋面焊處為裂紋源，向內部擴展。熱影響區存在馬氏體組織（圖14c），馬氏體組織的出現表明焊接冷速較快。此外，4#、5#裂紋處熱影響區均存在魏氏組織（WF），魏氏組織的出現表明該區域焊接熱輸入量較大（圖15）。

圖14 4#裂紋金相形貌Fig.14 4#crack metallographic appearance

圖15 4#、5#裂紋處焊縫熱影響區組織Fig.15 4#and 5#crack HAZ structure

3.5.2 硬度分析

對馬氏體組織進行硬度檢測，測試位置如圖16 所示，兩處硬度分別為385 HV10、389 HV10，硬度較高。

3.5.3 斷口分析

對4#裂紋斷口形貌進行掃描電鏡觀察（圖17）可以看出，斷口平齊，呈存在少量韌窩準解理斷裂形貌。

圖17 4#裂紋斷口形貌Fig.17 4#crack fracture morphology

4 檢測結果分析

1#、2#、3#、6#裂紋均位于焊縫中心，具有相似的形貌特征，裂紋中部和裂紋末端存在疏松組織和顆粒狀枝晶間斷裂形貌，是典型的焊接熱裂紋特征，為焊接過程中產生的焊接缺陷。斷口呈解理和準解理斷口特征。經過能譜分析發現，裂紋表面顆粒狀物質主要由Fe、O元素組成。開裂處焊縫填充層金相組織特征不同于未開裂焊縫，存在明顯多道次返修痕跡，造成焊接熱輸入量較大和不連續焊接熱裂紋，焊接熱裂紋破壞了焊縫金屬的連續性，且坡口角度、坡口形式與焊接工藝規程不符，存在明顯應力集中，在內壓、焊接殘余應力等載荷作用下連接貫通。

4#、5#裂紋均位于閥門側焊趾處，具有相似的形貌特征，裂紋均由外表面向焊縫內部擴展，裂紋附近存在馬氏體，硬度較高，斷口表面平齊，為典型的準解理脆性斷口，馬氏體等組織是4#、5#裂紋產生的主要原因。

5 結論及建議

（1）該壓氣站管道環焊縫坡口角度、坡口形式與焊接工藝規程不符，開裂處焊縫存在多道次返修痕跡，破壞了焊縫金屬連續性，造成此處金屬較為薄弱。因此，現場進行大壁厚、多層、多道次焊接時，應嚴格按照焊接工藝規程執行。

（2）部分裂紋是由外表面向焊縫內部擴展，裂紋附近存在馬氏體等硬脆組織，在內壓、焊接殘余應力等載荷作用下開裂并擴展。后續應重點排查該壓氣站其他閥門對接環焊縫外表面裂紋。