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        X80M鋼螺旋埋弧焊管自動(dòng)焊對(duì)接環(huán)焊縫出現(xiàn)裂紋的原因

        2021-12-09 00:38:04豐振軍聶向暉
        機(jī)械工程材料 2021年11期
        關(guān)鍵詞:裂紋焊縫

        李 亮,黃 磊,劉 隴,豐振軍,許 彥,白 強(qiáng),聶向暉

        (1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)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(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司,成都 610095)

        0 引 言

        據(jù)統(tǒng)計(jì),迄今為止我國(guó)已建成的X80鋼級(jí)管道里程已接近17 000 km,是世界上生產(chǎn)、應(yīng)用X80鋼級(jí)管材最多的國(guó)家[1-2]。隨著越來(lái)越多的高鋼級(jí)管道投入運(yùn)行,近年來(lái)因管道環(huán)焊縫失效導(dǎo)致的安全事故時(shí)有發(fā)生。2011年3月至6月,西二線(xiàn)連續(xù)發(fā)生4起較為嚴(yán)重的環(huán)焊縫泄漏事故;2013年4月29日和2016年2月4日,中貴線(xiàn)先后在投產(chǎn)過(guò)程和運(yùn)營(yíng)3 a后發(fā)生環(huán)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(guó)內(nèi)段)相繼發(fā)生2起較大規(guī)模泄漏燃爆事故,且發(fā)生事故的2處環(huán)焊縫相距不到2 km;2019年3月20日,泰青威天然氣管道發(fā)生泄漏燃爆事故[3-4]。這些失效事故造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響,如何保障環(huán)焊縫質(zhì)量已成為高鋼級(jí)管道安全運(yùn)行的一個(gè)重要課題[5-6]。

        自2017年起,我國(guó)各大管道公司陸續(xù)投入大量人力、物力、財(cái)力用于高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫質(zhì)量排查和隱患治理工作,對(duì)存在裂紋缺陷的環(huán)焊縫全部實(shí)施了換管或加裝B型套筒進(jìn)行永久修復(fù)[7-8]。在某X80鋼管道隱患排查過(guò)程中,檢測(cè)公司發(fā)現(xiàn)某標(biāo)段同一自動(dòng)焊機(jī)組焊接的2處環(huán)焊縫處出現(xiàn)埋藏型裂紋缺陷,所屬管道公司隨后對(duì)其進(jìn)行了割口換管處理。上述2處環(huán)焊縫間隔僅588 m,均位于林地之中,所處位置非地質(zhì)災(zāi)害區(qū)、非高后果區(qū)。2處環(huán)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(shí)心焊絲氣體保護(hù)自動(dòng)焊,焊口類(lèi)型均為普通焊口。為進(jìn)一步驗(yàn)證缺陷類(lèi)型并分析缺陷的形成原因,作者對(duì)上述2處環(huán)焊縫進(jìn)行了失效分析,以期為后續(xù)環(huán)焊縫自動(dòng)焊質(zhì)量的控制提供參考和建議。

        1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

        1.1 無(wú)損檢測(cè)

        將2處環(huán)焊縫去除防腐層后,焊縫內(nèi)、外表面均未見(jiàn)宏觀(guān)缺陷。按照SY/T 4109—2013,采用射線(xiàn)中心透照法對(duì)2處環(huán)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),發(fā)現(xiàn)2處環(huán)焊縫中的缺陷均為裂紋缺陷,裂紋長(zhǎng)度分別為10,13 mm,將其所在的環(huán)焊縫分別標(biāo)記為1#和2#環(huán)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(xué)成分

        按照GB/T 4336—2016,采用ARL4460型直讀光譜儀對(duì)2處環(huán)焊縫無(wú)缺陷部位及其上、下游管材的化學(xué)成分進(jìn)行分析。由表1可以看出:所有管材的化學(xué)成分均滿(mǎn)足CDP-S-NGP-PL-006-2014-3技術(shù)規(guī)格書(shū)要求;4處管材的碳當(dāng)量均為0.18%,滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定碳當(dāng)量不大于0.23%的要求,說(shuō)明管材具有較好的焊接性;環(huán)焊縫無(wú)缺陷部位及上、下游管材中的銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值0.30%。

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

        1.3 力學(xué)性能

        按照Q/SY GJX 0110—2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的取樣位置和試驗(yàn)方法,在環(huán)焊縫無(wú)缺陷部位截取拉伸、沖擊、硬度、彎曲試樣并進(jìn)行試驗(yàn)。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(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)煨阅埽鞈?yīng)變速率為0.000 25 s-1。測(cè)得1#環(huán)焊縫0~3點(diǎn)、3~6點(diǎn)、6~9點(diǎn)、9~0點(diǎn)位置的抗拉強(qiáng)度分別為700,708,712,699 MPa,2#環(huán)焊縫相同位置的抗拉強(qiáng)度分別為692,671,692,669 MPa,均滿(mǎn)足Q/SY GJX 0110—2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定X80M鋼環(huán)焊縫抗拉強(qiáng)度不低于625 MPa的要求。在環(huán)焊縫的0點(diǎn)、3點(diǎn)位置附近的焊縫和熱影響區(qū)分別截取3個(gè)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(yàn)機(jī)進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為-10 ℃。由表2可以看出:不同環(huán)焊縫的-10 ℃沖擊功均滿(mǎn)足Q/SY GJX 0110—2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定單個(gè)測(cè)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(jì)在Q/SY GJX 0110—2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓痕位置測(cè)環(huán)焊縫的顯微硬度,載荷為98.07 N,保載時(shí)間為15 s。1#環(huán)焊縫的硬度測(cè)試值分別為241,261,236,275,279,248,250,263,225,269,270,288,291,245,253,234 HV,2#環(huán)焊縫的硬度測(cè)試值分別為238,249,227,265,253,260,250,243,242,247,269,288,281,234,250,241 HV,滿(mǎn)足Q/SY GJX 0110—2007標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定硬度不高于300 HV的要求。在環(huán)焊縫0~3點(diǎn)、3~6點(diǎn)、6~9點(diǎn)、9~0點(diǎn)位置分別截取2個(gè)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(yàn)機(jī)進(jìn)行彎曲試驗(yàn),彎軸直徑為90 mm,試樣均未出現(xiàn)開(kāi)裂。

        表2 不同環(huán)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(huán)焊縫無(wú)缺陷部位的根焊、填充焊、蓋面焊、熔合區(qū)、細(xì)晶區(qū)位置分別截取金相試樣,利用OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡觀(guān)察顯微組織。由表3可知,環(huán)焊縫無(wú)缺陷部位的組織均無(wú)異常,符合常規(guī)技術(shù)要求。

        表3 不同環(huán)焊縫無(wú)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(jù)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果,將1#、2#環(huán)焊縫中的裂紋處沿橫截面剖開(kāi)并制備試樣,用蘸有體積分?jǐn)?shù)5%硝酸酒精溶液的棉球先擦拭試樣3 s,然后在體積分?jǐn)?shù)5%硝酸酒精溶液中浸泡15 s后,采用Smart Zoom5型超景深光學(xué)數(shù)碼顯微鏡觀(guān)察宏觀(guān)形貌。由圖2可知:1#、2#環(huán)焊縫中均存在多處裂紋,主裂紋主要沿著填充焊左、右兩側(cè)坡口熔合線(xiàn)分布,支裂紋則從主裂紋起向焊縫金屬內(nèi)部擴(kuò)展;2#環(huán)焊縫打底焊與填充焊交界處存在1處未熔合缺陷。經(jīng)硝酸酒精溶液腐蝕15 s后,1#、2#環(huán)焊縫中的裂紋及其周?chē)畛浜竻^(qū)域變?yōu)辄S色或黑色,與其他部分的顏色形成明顯反差,此時(shí)裂紋缺陷在低倍形貌中已較難進(jìn)行辨識(shí)。

        圖2 1#和2#環(huán)焊縫裂紋處腐蝕不同時(shí)間后的橫截面宏觀(guān)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(duì)1#、2#環(huán)焊縫中裂紋的微觀(guān)形貌進(jìn)行觀(guān)察,發(fā)現(xiàn)左、右兩側(cè)熔合線(xiàn)處的裂紋具有相似的形貌特征,因此僅選取左側(cè)裂紋進(jìn)行分析。由圖3可以看出,主裂紋分布在熔合線(xiàn)附近,多處支裂紋發(fā)源于主裂紋邊緣并向焊縫金屬內(nèi)部擴(kuò)展,同時(shí)裂紋內(nèi)部局部存在紫紅色異物;除焊縫內(nèi)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(cè)晶界發(fā)生擴(kuò)散,形成了較為粗大的晶界,局部晶界出現(xiàn)了沿晶開(kāi)裂。

        圖3 1#和2#環(huán)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(shù)結(jié)合能譜儀(EDS)對(duì)紫紅色異物的形貌和微區(qū)成分進(jìn)行分析。由圖4可知:1#環(huán)焊縫的紫紅色異物在背散射電子形貌中呈現(xiàn)為亮度較高的灰白色,說(shuō)明紫紅色異物的原子序數(shù)比基體鐵的原子序數(shù)大;裂紋內(nèi)部及裂紋兩側(cè)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(fā)生了擴(kuò)散。

        圖4 圖3(c)局部區(qū)域的背散射電子圖像及EDS譜和元素面掃描結(jié)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(huán)焊縫的背散射電子形貌中亮度較高的灰白色區(qū)域?yàn)樽霞t色異物,主要分布在裂紋內(nèi)部及靠近裂紋的母材晶界處;裂紋內(nèi)部及母材晶界上的紫紅色異物為銅。

        圖5 圖3(f)局部區(qū)域的背散射電子形貌及EDS譜和元素面掃描結(jié)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(duì)環(huán)焊縫裂紋其他位置進(jìn)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(huán)焊縫中其他位置銅異物的分布規(guī)律與圖4和圖5的結(jié)果基本一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了1#、2#環(huán)焊縫裂紋內(nèi)部及裂紋兩側(cè)晶界上存在銅富集區(qū)。

        圖6 1#環(huán)焊縫裂紋處其他位置的背散射電子形貌及元素面掃描結(jié)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(huán)焊縫裂紋處其他位置的背散射電子形貌及元素面掃描結(jié)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(kāi)裂原因分析

        由上述檢驗(yàn)結(jié)果可知,環(huán)焊縫的力學(xué)性能均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,且顯微組織未見(jiàn)異常,同時(shí)未見(jiàn)銅含量異常偏高現(xiàn)象。環(huán)焊縫裂紋橫截面處均存在2處沿填充焊左、右兩側(cè)坡口熔合線(xiàn)分布的主裂紋,以及多處起始于主裂紋并向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展的支裂紋。裂紋內(nèi)部以及母材和焊縫晶界處存在紫紅色異物銅。環(huán)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?chē)畛浜竻^(qū)域變?yōu)辄S色或黑色這一現(xiàn)象,也間接證明了裂紋內(nèi)部及其周?chē)嬖阢~。當(dāng)基體鐵與其內(nèi)部熔入的銅接觸稀硝酸時(shí),鐵與銅均與稀硝酸發(fā)生反應(yīng),分別生成Fe(NO3)3和Cu(NO3)2,由于鐵過(guò)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?yōu)楹谏腃uO,因此裂紋及其周?chē)畛浜竻^(qū)域呈黃色或黑色。

        鑒于上述檢驗(yàn)結(jié)果,對(duì)環(huán)焊縫中的銅來(lái)源進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。據(jù)相關(guān)人員反映,該標(biāo)段環(huán)焊縫均采用實(shí)心焊絲氣體保護(hù)自動(dòng)焊工藝進(jìn)行焊接,部分環(huán)焊縫焊接時(shí)存在銅質(zhì)導(dǎo)電嘴燒損熔化現(xiàn)象。銅質(zhì)導(dǎo)電嘴發(fā)生局部燒損的原因:環(huán)焊縫坡口較窄,焊槍在填充焊時(shí)的擺動(dòng)過(guò)程中,銅質(zhì)導(dǎo)電嘴與焊縫坡口接觸而發(fā)生了短路,瞬間形成的大電流產(chǎn)生的高溫迅速將導(dǎo)電嘴與坡口接觸部分金屬熔化。同時(shí),操作人員可能未及時(shí)發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題或未及時(shí)將凝固在坡口的銅清理干凈,最終導(dǎo)致外來(lái)的銅殘留在了填充焊熔合線(xiàn)處。

        綜上所述,環(huán)焊縫中的埋藏型裂紋是由于銅質(zhì)導(dǎo)電嘴與焊縫坡口接觸發(fā)生短路燒損致使銅熔入焊縫坡口所致,這一現(xiàn)象在自動(dòng)焊過(guò)程中較為常見(jiàn),且在1984年就有文獻(xiàn)對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了公開(kāi)報(bào)道[9]。此外,當(dāng)溫度達(dá)到低熔點(diǎn)金屬熔點(diǎn)溫度的2/3甚至1/2時(shí),在拉應(yīng)力作用下,低熔點(diǎn)金屬就會(huì)沿晶界擴(kuò)散進(jìn)入金屬內(nèi)部致使脆化而逐漸形成裂紋[10-13]。銅是一種低熔點(diǎn)金屬,其熔點(diǎn)為1 083 ℃,而焊接時(shí)熔池溫度為(1 770±100)℃,近焊縫區(qū)溫度通常在1 350 ℃以上[14]。在環(huán)焊縫的填充焊過(guò)程中,環(huán)焊縫坡口處凝固的銅熔化并沿晶界發(fā)生高溫?cái)U(kuò)散,在隨后蓋面焊過(guò)程中,熔入填充焊熔合線(xiàn)處的銅再次受熱升溫甚至熔化,在焊縫殘余拉應(yīng)力的作用下[15],銅沿母材和焊縫晶界發(fā)生擴(kuò)散,最終在晶界處形成銅富集區(qū),導(dǎo)致晶界脆化并產(chǎn)生裂紋,最終發(fā)生熔銅開(kāi)裂。

        3 結(jié)論及措施

        (1) X80M鋼螺旋縫埋弧焊管自動(dòng)焊對(duì)接環(huán)焊縫填充焊左、右兩側(cè)坡口熔合線(xiàn)處存在埋藏型裂紋,在填充焊過(guò)程中,銅質(zhì)導(dǎo)電嘴與焊縫坡口接觸導(dǎo)致短路,短路電流產(chǎn)生的高溫使導(dǎo)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(huán)焊縫填充焊金屬中,并沿母材和焊縫晶界發(fā)生擴(kuò)散而形成銅富集區(qū),最終導(dǎo)致環(huán)焊縫發(fā)生了熔銅開(kāi)裂。

        (2) 建議環(huán)焊縫自動(dòng)焊過(guò)程中密切關(guān)注銅質(zhì)導(dǎo)電嘴的位置,防止導(dǎo)電嘴與坡口接觸發(fā)生短路導(dǎo)致其熔化,進(jìn)而引起環(huán)焊縫熔銅開(kāi)裂。

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