張翔，蔡克，陳志昕

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077）

某站場對焊法蘭環(huán)焊縫缺陷原因分析

張翔，蔡克，陳志昕

（中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077）

目的研究法蘭環(huán)焊縫缺陷產(chǎn)生的原因，采取相應(yīng)針對性措施，預(yù)防泄露事故發(fā)生。方法通過宏觀分析、超聲檢測、化學(xué)成分分析、金相分析、能譜分析對環(huán)焊縫裂紋形成原因進(jìn)行分析。結(jié)果裂紋起源于根焊焊材與母材間，兩端較為平滑，沿環(huán)焊縫周向方向擴(kuò)展。焊縫中夾渣的殘留藥皮和層間未熔合缺陷，是形成裂紋的內(nèi)在原因。結(jié)論焊縫產(chǎn)生裂紋由焊接參數(shù)控制不當(dāng)引起的。

法蘭；層間未熔合；裂紋

對焊法蘭作為常用管件的一種，具有不易變形、密封好、喇叭形結(jié)構(gòu)適用于高溫高壓管道連接的特點，被廣泛應(yīng)用于天然氣輸送管網(wǎng)。天然氣壓氣站作為輸送管網(wǎng)干線體系的心臟，其高效、安全運行是穩(wěn)定輸送的保障，而站場內(nèi)工序流程復(fù)雜，法蘭鏈接用量多、規(guī)格雜，結(jié)構(gòu)和制造標(biāo)準(zhǔn)千差萬別[1—4]。為了保證管道安全運行，對管道法蘭進(jìn)行檢測、評價和缺陷分析，預(yù)防事故發(fā)生具有重要意義。

1 法蘭焊縫缺陷概述

某壓氣站對在役法蘭進(jìn)行安全評定，相控陣超聲檢測發(fā)現(xiàn)與過濾分離器連接的帶頸對焊法蘭環(huán)焊縫處存在缺陷，缺陷位置為12點－460 mm（氣流方向順時針為+），缺陷深度為15 mm。該法蘭壓力等級為CLASS 900（PN150），材質(zhì)為16MnD，生產(chǎn)檢驗標(biāo)準(zhǔn)為ASME B 16.5—2009[5]，法蘭的彎頭中線與地面成90°，如圖1所示。根據(jù)SY/T 6477—2000[6]評定，推薦檢測周期為2年。因此，法蘭使用2年后，站場對法蘭進(jìn)行更換。為減少類似缺陷部件的產(chǎn)生，保障管線運行安全，因此對缺陷形成原因進(jìn)行分析。

圖1 法蘭位置

2 研究過程與實驗

2.1 宏觀觀察

法蘭、彎頭及環(huán)焊縫宏觀照片如圖2所示。相控陣發(fā)現(xiàn)的缺陷區(qū)域為12點－460～－563 mm處，區(qū)域長度為103 mm，如圖3所示。試樣表面光滑，沒有鍛造傷痕、裂紋等缺陷。

圖2 法蘭盤宏觀整體

圖3 相控陣檢測發(fā)現(xiàn)缺陷區(qū)域

2.2 超聲檢測

采用MS380型超聲波探測儀對環(huán)焊縫進(jìn)行檢測，探傷靈敏度為2～14 dB，掃查方式為鋸齒形。檢測發(fā)現(xiàn)標(biāo)記處缺陷為條形缺陷，長度為45 mm。截取環(huán)焊縫試樣，并標(biāo)記為2-1#～2-11#，取樣位置如圖4所示。其中2-8#，2-9#，2-10#為圖3標(biāo)記區(qū)域試樣，2-10#試塊距離彎頭12點位置最近。分別觀察試塊的剖面可以看到，2-9#與2-8#，2-10#兩試塊相鄰的剖面均存在缺陷，且位置相同，缺陷方向垂直于剖面，而在2-8#和2-10#兩塊試樣的另一側(cè)切面均未觀察到這一缺陷，說明缺陷貫穿了2-9#試樣。由于3塊試塊長度約為37 mm，說明連續(xù)缺陷長度處于37.72～111 mm之間，與超聲及相控陣檢測結(jié)果一致，如圖5—7所示。

圖4 環(huán)焊縫取樣

圖5 2-8#與2-9#剖面缺陷

圖6 2-9#與2-10#剖面缺陷

圖7 2-9#缺陷長度

2.3 化學(xué)成分分析

采用ARL 4460直讀光譜儀進(jìn)行法蘭化學(xué)成分分析，依據(jù)ASTM A 751—2014[7]，結(jié)果見表1。

由表1分析可知，法蘭化學(xué)成分符合ASME B 16.5—2009[5]引用標(biāo)準(zhǔn)ASTM A 105[8]的要求。

2.4 金相分析

采用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對含缺陷試樣進(jìn)行分析，法蘭基體顯微組織為鐵素體+珠光體，環(huán)焊縫組織為晶內(nèi)針狀體鐵素體+粒狀貝氏體+多邊形鐵素體+珠光體，且珠光體+鐵素體逐層分布，如圖8—9所示。2-8#與2-10#根焊處焊材與母材間存在裂紋，且2-10#裂紋開口寬于2-8#，裂紋兩側(cè)較為平滑，說明裂紋起源于2-10#向2-8#擴(kuò)展。裂紋附近金相組織與環(huán)焊縫相同，縫隙內(nèi)存在灰色非金屬物質(zhì)，如圖10所示。2-10#焊縫內(nèi)出現(xiàn)層間未熔合，如圖11所示。

表1 法蘭化學(xué)成分分析果%

圖8 法蘭組織

圖9 環(huán)焊縫組織

2.5 能譜分析

為了進(jìn)一步分析焊縫裂紋內(nèi)的灰色疏松物質(zhì)，對其進(jìn)行X射線能譜曲線分析?；疑镔|(zhì)的主要組成元素為Ca，Si，O，F(xiàn)e，Mn，Ti，C，K等，如圖12所示。為查明灰色物質(zhì)的來源，對該環(huán)焊縫焊接所用的焊條藥皮進(jìn)行成分分析，結(jié)果表明，其主要元素為O，Si，Mn，Ca，Ti等。裂紋內(nèi)的灰色物質(zhì)與藥皮成分相近，可以判斷灰色物質(zhì)來自焊接過程中殘留的藥皮。

圖10 裂紋形貌

圖11 2-10#層間未熔合形貌

圖12 裂紋內(nèi)灰色物質(zhì)形貌及能譜分析結(jié)果

3 結(jié)果分析

通過以上分析可知，裂紋起源于根焊焊材與母材間，兩端較為平滑，沿環(huán)焊縫周向方向擴(kuò)展。焊縫中夾渣的殘留藥皮和層間未熔合缺陷，是形成裂紋的內(nèi)在原因[9—11]。

環(huán)焊縫中的裂紋起源于含有灰色夾渣的未熔合缺陷，按照未熔合的狀態(tài)分，屬于黑色未熔合[12—13]。產(chǎn)生的主要原因有以下幾點。

1）焊接參數(shù)的影響。焊接電流小、速度快，母材未熔化即被鐵水覆蓋，易造成未熔合；焊接速度過低，熔融金屬流到電弧下方，電弧不能到達(dá)坡口，同樣也會出現(xiàn)未熔合及夾渣缺陷。

2）焊接過程的影響。打底焊后清渣不徹底或清除方法不當(dāng)，導(dǎo)致快速焊接時，雜質(zhì)不能及時熔化或溢出，焊接時一部分電弧熱量用于熔化雜質(zhì)，剩余熱量不足以熔化焊道金屬，形成了黑色未熔合[14—15]。

3）外界應(yīng)力的影響。由于管道的溫度變化產(chǎn)生一定張應(yīng)力，而缺陷區(qū)域正好處于管道的最大拉應(yīng)力作用的12點方向附近。同時未熔合影響了焊縫材料的連續(xù)性，導(dǎo)致此處應(yīng)力集中，所以在外力的作用下，裂紋極易在缺陷周圍形成，并沿一定方向擴(kuò)展，形成潛在的危險性較大的缺陷。

4 結(jié)論

通過以上分析可得出如下結(jié)論。

1）該法蘭的制造符合ASME B 16.5—2009標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2）環(huán)焊縫缺陷形成的根本原因是焊接參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，焊接過程操作不規(guī)范，焊接中形成層間未熔合，且未熔合缺陷中殘留夾渣藥皮。

3）環(huán)焊縫缺陷形成的外部原因是未熔合出現(xiàn)在管道最大拉應(yīng)力作用的12點方向附近，造成缺陷處應(yīng)力集中，并沿一定方向擴(kuò)展。

為避免法蘭焊接出現(xiàn)同樣的問題，強(qiáng)化質(zhì)量控制，進(jìn)一步預(yù)防泄漏事故，建議采取以下措施。

1）焊接參數(shù)需經(jīng)過焊接工藝評定來確定，選擇合適的焊接速度，對焊接人員進(jìn)行培訓(xùn)，明確并嚴(yán)格執(zhí)行焊接時的焊接工藝流程，監(jiān)控現(xiàn)場焊接施工質(zhì)量。

2）在打底焊后要及時清渣，收弧時采用回焊法熄弧等，防止焊接中夾渣的形成。

3）焊后的工件應(yīng)立即進(jìn)行無損檢測，確保焊接質(zhì)量，對于有缺陷的工件應(yīng)及時進(jìn)行補(bǔ)焊或采取其他處理方式。

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Cause Analysis of Flange Weld Defects

ZHANG Xiang,CAI Ke,CHEN Zhi-xin
(CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi'an 710077,China)

ObjectiveTo research causes of flange girth weld defects,and take corresponding specific measures to prevent leakage accidents.MethodsThe cracking reason was analyzed by the means of macro examination,ultrasonic inspection and measurement,chemical composition analysis,OM and EDS.ResultsThe crack was initiated between the root welding materials and the base metal and propagated along the circumferential direction of weld.Both ends of the cracking were smooth.The residual welding coating in root welding and lack of interlayer fusion were the internal reason for cracking.ConclusionThe crack is caused by improper control of welding parameters.

flange;lack of interlayer fusion;cracking

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.019

TG441.7

A

1672-9242(2017)07-0092-05

2017-03-29；

2017-04-21

張翔（1985—），女，陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向為油氣輸送鋼管性能檢測。