X52管線鋼焊縫金屬裂紋分析

李 碩,李永春,易斐寧,吳林恩,宋 薇,靳海成

1.中國石油天然氣管道科學研究院有限公司,河北廊坊 065000

2.中國石油管道局工程有限公司第一分公司,河北廊坊 065000

3.國家管網集團北方管道有限責任公司,河北廊坊 065000

焊接是長輸管道工程施工中最重要的工序之一，焊接接頭的質量直接影響到整條管道的安全。裂紋是焊接結構中最危險的一種缺陷，它不僅直接降低了焊接接頭的有效承載面積，而且還會在裂紋尖端形成強烈的應力集中，使焊接接頭容易產生突然的脆性破壞，可能引發嚴重的后果[1-3]。

某X52管線鋼管焊接后，在無損檢測中發現環焊接頭出現了橫向裂紋。環焊接頭采用焊條電弧焊根焊（SMAW）+自保藥芯半自動焊（FACW）填充蓋面的方式進行焊接。為了分析裂紋產生的原因，本文將該含裂紋焊口作為研究對象，對管體母材、焊材及焊縫金屬進行化學成分分析、金相組織、斷口形貌和能譜分析，分析產生裂紋的原因。

1 檢驗分析

1.1 化學成分分析

對母材、焊材和焊縫金屬的化學成分進行分析，結果如表1所示。母材的化學成分滿足GB/T 9711—2017標準的要求。焊材的化學成分也滿足相關標準的要求。標準未對焊縫金屬的化學成分進行要求，測試數據僅用于參考。

表1 母材、焊縫金屬和焊材的化學成分分析結果（質量分數） 單位：%

1.2 裂紋位置和形貌

裂紋位于仰焊收弧位置（6點位），與焊縫垂直，且未擴展到熱影響區，裂紋全貌如圖1所示。將裂紋扳開，在打開的斷口上，裂紋部位呈黃色。裂紋部位斷口呈放射狀形貌，裂紋位于蓋面焊道，如圖2所示。

圖1 裂紋宏觀形貌

圖2 斷口形貌

1.3 金相分析

將試樣沿圖3所示紅線位置切開。采用金相顯微鏡對焊接接頭的組織進行了分析，斷口附近可觀察到裂紋，如圖4（a）所示。裂紋周圍組織無變形現象，組織為粒狀貝氏體（GB）+板條貝氏體(BF)，未發現異常組織，裂紋形貌顯示為沿晶開裂，如圖4（b）所示。對焊縫兩側的鋼管組織進行了觀察，組織為鐵素體（F）+珠光體（P），如圖4（c）所示，是典型的X52管線鋼的組織。

圖3 金相試樣切割方向

圖4 試樣金相顯微組織

1.4 掃描電鏡和能譜儀分析

采用掃描電鏡對試樣斷口形貌進行觀察，如圖5所示。

圖5 試樣斷口形貌

裂紋處的斷口為沿晶界開裂，呈柱狀晶形貌，表面光滑，斷口上存在細小的白色顆粒。選取2個位置的顆粒物進行能譜分析，分析結果見圖6和表2。

圖6 斷口能譜分析位置及圖譜

表2 能譜儀分析結果（質量分數） 單位：%

從圖6和表2可以看出，顆粒主要由C、Ni、Mn、Cr、Fe、S等元素組成，S元素含量明顯高于基體的S元素含量，說明S元素在晶界上發生了偏析。

采用掃描電鏡對裂紋附近的組織進行觀察，可以看到裂紋沿晶界擴展（見圖7），與斷口觀察的結果一致。

圖7 裂紋附近掃描電鏡照片

2 成因分析

采用掃描電鏡對裂紋斷口進行觀察，可以看到一排排柱狀晶形貌，為沿晶開裂。斷口表面上有一些球狀的顆粒，能譜分析顯示，該顆粒的主要成分為C、Ni、Mn、Cr、Fe、S等元素，且S元素含量明顯高于基體的S元素含量，說明S元素在斷口上發生了偏析。S與金屬形成低熔點相或共晶（如生成熔點1 190℃的FeS，進而與Fe形成Fe-FeS，熔點只有985℃）[3-9]，它的熔點比鋼的熔點要低得多。同時，裂紋位于焊縫仰焊位置，是兩名焊工收弧交匯的區域，存在收弧點重合的可能。收弧點是低熔點雜質聚集最多的區域，在焊縫凝固過程中形成了低熔點共晶[1，5]。低熔點的共晶聚集在柱狀晶的晶間形成所謂“液態薄膜”，凝固后期在焊縫金屬冷卻收縮產生的拉伸應力作用下，仍處于液態的晶界金屬被拉開，形成沿柱狀晶開裂的熱裂紋[6-9]。

3 結論

（1）X52管線鋼焊縫裂紋斷口形貌為沿晶開裂，且斷口上存在S元素的偏析，可以確定該焊接接頭裂紋為熱裂紋。

（2）裂紋位于蓋面焊道的收弧位置。焊縫中的S雜質元素在收弧位置偏析產生了低熔點共晶，在焊接拉伸應力的作用下形成了裂紋。