X80M鋼螺旋埋弧焊管自動焊對接環焊縫出現裂紋的原因

李 亮，黃 磊，劉 隴，豐振軍，許 彥，白 強，聶向暉

(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 101100；3.國家管網集團西南管道有限責任公司，成都 610095)

0 引 言

據統計，迄今為止我國已建成的X80鋼級管道里程已接近17 000 km，是世界上生產、應用X80鋼級管材最多的國家[1-2]。隨著越來越多的高鋼級管道投入運行，近年來因管道環焊縫失效導致的安全事故時有發生。2011年3月至6月，西二線連續發生4起較為嚴重的環焊縫泄漏事故；2013年4月29日和2016年2月4日，中貴線先后在投產過程和運營3 a后發生環焊縫泄漏事故；2017年7月2日和2018年6月10日，中緬天然氣管道(國內段)相繼發生2起較大規模泄漏燃爆事故，且發生事故的2處環焊縫相距不到2 km；2019年3月20日，泰青威天然氣管道發生泄漏燃爆事故[3-4]。這些失效事故造成了巨大的經濟損失和不良的社會影響，如何保障環焊縫質量已成為高鋼級管道安全運行的一個重要課題[5-6]。

自2017年起，我國各大管道公司陸續投入大量人力、物力、財力用于高鋼級管道環焊縫質量排查和隱患治理工作，對存在裂紋缺陷的環焊縫全部實施了換管或加裝B型套筒進行永久修復[7-8]。在某X80鋼管道隱患排查過程中，檢測公司發現某標段同一自動焊機組焊接的2處環焊縫處出現埋藏型裂紋缺陷，所屬管道公司隨后對其進行了割口換管處理。上述2處環焊縫間隔僅588 m，均位于林地之中，所處位置非地質災害區、非高后果區。2處環焊縫的上、下游管材均為管徑1 219 mm、壁厚18.4 mm的X80M鋼螺旋縫埋弧焊管，焊接方式均為實心焊絲氣體保護自動焊，焊口類型均為普通焊口。為進一步驗證缺陷類型并分析缺陷的形成原因，作者對上述2處環焊縫進行了失效分析，以期為后續環焊縫自動焊質量的控制提供參考和建議。

1 理化檢驗及結果

1.1 無損檢測

將2處環焊縫去除防腐層后，焊縫內、外表面均未見宏觀缺陷。按照SY/T 4109—2013，采用射線中心透照法對2處環焊縫進行無損檢測，發現2處環焊縫中的缺陷均為裂紋缺陷，裂紋長度分別為10，13 mm，將其所在的環焊縫分別標記為1#和2#環焊縫，如圖1所示。

圖1 裂紋缺陷位置示意Fig.1 Schematic of crack location: (a) 1# girth weld and (b) 2# girth weld

1.2 化學成分

按照GB/T 4336—2016，采用ARL4460型直讀光譜儀對2處環焊縫無缺陷部位及其上、下游管材的化學成分進行分析。由表1可以看出：所有管材的化學成分均滿足CDP-S-NGP-PL-006-2014-3技術規格書要求；4處管材的碳當量均為0.18%，滿足標準規定碳當量不大于0.23%的要求，說明管材具有較好的焊接性；環焊縫無缺陷部位及上、下游管材中的銅質量分數均遠低于標準規定的上限值0.30%。

表1 失效環焊縫及其附近管材的化學成分Table 1 Chemical composition of failed girth weld and nearby pipes %

1.3 力學性能

按照Q/SY GJX 0110—2007標準規定的取樣位置和試驗方法，在環焊縫無缺陷部位截取拉伸、沖擊、硬度、彎曲試樣并進行試驗。拉伸試樣平面尺寸為230 mm×25 mm，試樣厚度為壁厚，采用SHT4106型拉伸試驗機測試拉伸性能，拉伸應變速率為0.000 25 s-1。測得1#環焊縫0～3點、3～6點、6～9點、9～0點位置的抗拉強度分別為700,708,712,699 MPa，2#環焊縫相同位置的抗拉強度分別為692,671,692,669 MPa，均滿足Q/SY GJX 0110—2007標準規定X80M鋼環焊縫抗拉強度不低于625 MPa的要求。在環焊縫的0點、3點位置附近的焊縫和熱影響區分別截取3個夏比V型缺口沖擊試樣，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，采用PSW750型沖擊試驗機進行低溫沖擊試驗，試驗溫度為-10 ℃。由表2可以看出：不同環焊縫的-10 ℃沖擊功均滿足Q/SY GJX 0110—2007標準規定單個測試值不低于60 J，平均值不低于80 J的要求。采用KB30BVZ-FA型維氏硬度計在Q/SY GJX 0110—2007標準規定的壓痕位置測環焊縫的顯微硬度，載荷為98.07 N，保載時間為15 s。1#環焊縫的硬度測試值分別為241，261，236，275，279，248，250，263，225，269，270，288，291，245，253，234 HV，2#環焊縫的硬度測試值分別為238，249，227，265，253，260，250，243，242，247，269，288，281，234，250，241 HV，滿足Q/SY GJX 0110—2007標準中規定硬度不高于300 HV的要求。在環焊縫0～3點、3～6點、6～9點、9～0點位置分別截取2個平面尺寸為230 mm×13 mm的彎曲試樣，試樣厚度為壁厚，采用WZW-1000型彎曲試驗機進行彎曲試驗，彎軸直徑為90 mm，試樣均未出現開裂。

表2 不同環焊縫不同位置處的-10 ℃沖擊功Table 2 -10 ℃ impact energy at different positions of different girth welds J

1.4 顯微組織

在1#、2#環焊縫無缺陷部位的根焊、填充焊、蓋面焊、熔合區、細晶區位置分別截取金相試樣，利用OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡觀察顯微組織。由表3可知，環焊縫無缺陷部位的組織均無異常，符合常規技術要求。

表3 不同環焊縫無缺陷部位的顯微組織Table 3 Microstructure of part without defect of different girth welds

1.5 斷口形貌

根據無損檢測結果，將1#、2#環焊縫中的裂紋處沿橫截面剖開并制備試樣，用蘸有體積分數5%硝酸酒精溶液的棉球先擦拭試樣3 s，然后在體積分數5%硝酸酒精溶液中浸泡15 s后，采用Smart Zoom5型超景深光學數碼顯微鏡觀察宏觀形貌。由圖2可知：1#、2#環焊縫中均存在多處裂紋，主裂紋主要沿著填充焊左、右兩側坡口熔合線分布，支裂紋則從主裂紋起向焊縫金屬內部擴展；2#環焊縫打底焊與填充焊交界處存在1處未熔合缺陷。經硝酸酒精溶液腐蝕15 s后，1#、2#環焊縫中的裂紋及其周圍填充焊區域變為黃色或黑色，與其他部分的顏色形成明顯反差，此時裂紋缺陷在低倍形貌中已較難進行辨識。

圖2 1#和2#環焊縫裂紋處腐蝕不同時間后的橫截面宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of cross section at cracks in 1# (a—b) and 2# (c—d) girth welds after etching for different times

采用OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡對1#、2#環焊縫中裂紋的微觀形貌進行觀察，發現左、右兩側熔合線處的裂紋具有相似的形貌特征，因此僅選取左側裂紋進行分析。由圖3可以看出，主裂紋分布在熔合線附近，多處支裂紋發源于主裂紋邊緣并向焊縫金屬內部擴展，同時裂紋內部局部存在紫紅色異物；除焊縫內部存在紫紅色異物外，部分紫紅色異物還從裂紋邊緣沿著兩側晶界發生擴散，形成了較為粗大的晶界，局部晶界出現了沿晶開裂。

圖3 1#和2#環焊縫裂紋處腐蝕15 s后的橫截面局部顯微組織Fig.3 Local microstructure of cross section of cracks in 1# (a—c) and 2# (d—f) girth welds after etching for 15 s: (a,d) main crack tip and (b—c, e—f) local area of main crack

采用SU3500 HITACHI型掃描電鏡的背散射電子成像技術結合能譜儀(EDS)對紫紅色異物的形貌和微區成分進行分析。由圖4可知：1#環焊縫的紫紅色異物在背散射電子形貌中呈現為亮度較高的灰白色，說明紫紅色異物的原子序數比基體鐵的原子序數大；裂紋內部及裂紋兩側晶界上的紫紅色異物為銅，部分銅沿著裂紋邊緣向母材晶界和焊縫晶界發生了擴散。

圖4 圖3(c)局部區域的背散射電子圖像及EDS譜和元素面掃描結果Fig.4 Backscattered electron image (a), EDS spectrum (b—c) and elemental surface scanning results (d) of local area in Fig.3(c): (b) position 1 and position 2 and (c) position 3 and position 4

由圖5可知：2#環焊縫的背散射電子形貌中亮度較高的灰白色區域為紫紅色異物，主要分布在裂紋內部及靠近裂紋的母材晶界處；裂紋內部及母材晶界上的紫紅色異物為銅。

圖5 圖3(f)局部區域的背散射電子形貌及EDS譜和元素面掃描結果Fig.5 Backscattered electron image (a), EDS spectrum (b—c) and elemental surface scanning results (d) of local area in Fig.3(f): (b) position 5 and position 6 and (c) position 7 and position 8

對環焊縫裂紋其他位置進行了背散射電子成像及EDS元素面掃描分析。由圖6和圖7可知，1#、2#環焊縫中其他位置銅異物的分布規律與圖4和圖5的結果基本一致，進一步驗證了1#、2#環焊縫裂紋內部及裂紋兩側晶界上存在銅富集區。

圖6 1#環焊縫裂紋處其他位置的背散射電子形貌及元素面掃描結果Fig.6 Backscattered electron image (a, c) and elemental surface scanning results (b, d) at other positions of 1# girth weld crack: (a—b) area 1 and (c—d) area 2

圖7 2#環焊縫裂紋處其他位置的背散射電子形貌及元素面掃描結果Fig.7 Backscattered electron image (a, c) and elemental surface scanning results (b, d) at other positions of 2# girth weld crack: (a—b) area 3 and (c—d) area 4

2 開裂原因分析

由上述檢驗結果可知，環焊縫的力學性能均符合相關標準要求，且顯微組織未見異常，同時未見銅含量異常偏高現象。環焊縫裂紋橫截面處均存在2處沿填充焊左、右兩側坡口熔合線分布的主裂紋，以及多處起始于主裂紋并向焊縫內部擴展的支裂紋。裂紋內部以及母材和焊縫晶界處存在紫紅色異物銅。環焊縫裂紋橫截面試樣在硝酸酒精溶液中腐蝕后，裂紋及其周圍填充焊區域變為黃色或黑色這一現象，也間接證明了裂紋內部及其周圍存在銅。當基體鐵與其內部熔入的銅接觸稀硝酸時，鐵與銅均與稀硝酸發生反應，分別生成Fe(NO3)3和Cu(NO3)2，由于鐵過量而銅較少，生成的Cu(NO3)2重新被鐵置換還原為銅，黃色的銅附著在其表面，部分銅隨后被氧化變為黑色的CuO，因此裂紋及其周圍填充焊區域呈黃色或黑色。

鑒于上述檢驗結果，對環焊縫中的銅來源進行了現場調研。據相關人員反映，該標段環焊縫均采用實心焊絲氣體保護自動焊工藝進行焊接，部分環焊縫焊接時存在銅質導電嘴燒損熔化現象。銅質導電嘴發生局部燒損的原因：環焊縫坡口較窄，焊槍在填充焊時的擺動過程中，銅質導電嘴與焊縫坡口接觸而發生了短路，瞬間形成的大電流產生的高溫迅速將導電嘴與坡口接觸部分金屬熔化。同時，操作人員可能未及時發現該問題或未及時將凝固在坡口的銅清理干凈，最終導致外來的銅殘留在了填充焊熔合線處。

綜上所述，環焊縫中的埋藏型裂紋是由于銅質導電嘴與焊縫坡口接觸發生短路燒損致使銅熔入焊縫坡口所致，這一現象在自動焊過程中較為常見，且在1984年就有文獻對該現象進行了公開報道[9]。此外，當溫度達到低熔點金屬熔點溫度的2/3甚至1/2時，在拉應力作用下，低熔點金屬就會沿晶界擴散進入金屬內部致使脆化而逐漸形成裂紋[10-13]。銅是一種低熔點金屬，其熔點為1 083 ℃，而焊接時熔池溫度為(1 770±100)℃，近焊縫區溫度通常在1 350 ℃以上[14]。在環焊縫的填充焊過程中，環焊縫坡口處凝固的銅熔化并沿晶界發生高溫擴散，在隨后蓋面焊過程中，熔入填充焊熔合線處的銅再次受熱升溫甚至熔化，在焊縫殘余拉應力的作用下[15]，銅沿母材和焊縫晶界發生擴散，最終在晶界處形成銅富集區，導致晶界脆化并產生裂紋，最終發生熔銅開裂。

3 結論及措施

(1) X80M鋼螺旋縫埋弧焊管自動焊對接環焊縫填充焊左、右兩側坡口熔合線處存在埋藏型裂紋，在填充焊過程中，銅質導電嘴與焊縫坡口接觸導致短路，短路電流產生的高溫使導電嘴與坡口接觸部分熔化，隨后熔合在坡口處的金屬銅隨焊絲一起熔入到環焊縫填充焊金屬中，并沿母材和焊縫晶界發生擴散而形成銅富集區，最終導致環焊縫發生了熔銅開裂。

(2) 建議環焊縫自動焊過程中密切關注銅質導電嘴的位置，防止導電嘴與坡口接觸發生短路導致其熔化，進而引起環焊縫熔銅開裂。