L415+316L機械復(fù)合管焊接接頭失效分析

張城舉，李 霄，牛 輝，趙海鴻，靳海城

（1.西安石油大學(xué) 材料加工工程重點學(xué)科實驗室，西安710065；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；3.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院 焊接技術(shù)中心,河北 廊坊065000）

L415+316L機械復(fù)合管焊接接頭失效分析

張城舉1，李 霄1，牛 輝2，趙海鴻3，靳海城3

（1.西安石油大學(xué) 材料加工工程重點學(xué)科實驗室，西安710065；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；3.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院 焊接技術(shù)中心,河北 廊坊065000）

為了減少油田L415+316L復(fù)合管環(huán)焊接頭在水壓、運行過程中的失效現(xiàn)象，利用硬度測試、組織分析、彎曲試驗、斷口形貌分析等方法對開裂的焊接接頭進行試驗研究。分析發(fā)現(xiàn)，由于封焊層、過渡層是高合金鋼與碳鋼之間的焊接，焊縫易因增碳造成硬度偏高，從而導(dǎo)致韌性降低；R309L封焊層、R309LMo過渡層焊縫的斷口均呈現(xiàn)準解離狀態(tài)，為脆性斷裂，焊接接頭的封焊層因承受較高應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，且裂紋沿軸線方向擴展。分析得出的復(fù)合焊管焊接接頭開裂原因，可為復(fù)合管設(shè)計者改進設(shè)計提供參考。

復(fù)合管;硬度;組織;應(yīng)力集中;失效分析

雙金屬復(fù)合管在我國油氣田領(lǐng)域應(yīng)用以來，經(jīng)過幾十余年的發(fā)展[1]。雙金屬復(fù)合管是以碳素鋼管或合金鋼管為基管，在其內(nèi)表面覆襯一定厚度的不銹鋼、鎳基合金等耐蝕合金的復(fù)合管[2-4]。這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，使其兼顧碳鋼的耐壓性和不銹鋼的耐蝕性，并且有相對于不銹鋼價格低廉的特點，在石油管道方面有了很大的應(yīng)用以及應(yīng)用潛質(zhì)。

目前，基層與襯層之間采用的多是機械方法連接，而未達到原子間結(jié)合，在實際工程應(yīng)用中很容易產(chǎn)生開裂等焊接缺陷[5-7]。黃東輝[8]在對不銹鋼復(fù)合管焊接裂紋分析中，提出必須考慮基層金屬對復(fù)合金屬的稀釋作用，因此必須設(shè)置一個合理的過渡層，則有利于減少焊縫金屬的稀釋率。在這些焊接缺陷中焊縫區(qū)的開裂最為嚴重，直接關(guān)系到生產(chǎn)安全，與經(jīng)濟效益密切相關(guān)。

失效分析工作對于石油管道的正確選擇和使用，以及促使新工藝、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)的發(fā)展等都有重要的作用[9-10]。本研究是對塔里木油田L415+316L復(fù)合管環(huán)焊接頭在水壓、運行過程中出現(xiàn)裂紋的失效現(xiàn)象進行的分析，以期得到其產(chǎn)生裂紋的原因，方便L415+316L復(fù)合管設(shè)計者進行設(shè)計改進。

1 試驗材料

試驗用雙金屬復(fù)合管基管材質(zhì)為L415QB，規(guī)格為Φ355.6 mm×11 mm，由煙臺寶鋼鋼管有限責任公司生產(chǎn)，符合GB/T 9711.2—1999標準要求。襯管材質(zhì)為316L，厚度為2 mm，由山西太鋼不銹鋼股份有限公司生產(chǎn)，符合標準ASTMA240/A240M的要求。管材成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 試驗管材化學(xué)成分

表2 試驗管材力學(xué)性能

焊接接頭坡口形式及尺寸如圖1所示，根焊1層，過渡焊1層，填充焊2～3層，蓋面焊1層，焊接順序為封焊、根焊、填充焊和蓋面焊。封焊、根焊、過渡焊均采用GTAW方法，填充焊、蓋面焊采用SMAW方法。根焊焊材為R316LT1-5，封焊焊材為R309LT1-5，過渡焊焊材為ER309LMo，填充焊、蓋面焊用E5015焊材。

圖1 焊接接頭坡口形式及尺寸

2 試驗方法與結(jié)果分析

2.1 硬度

由于試樣的焊接接頭錯邊較大，HV10實際測點如圖2所示。在實際測試過程中，每一層的每一個區(qū)域?qū)嶋H測一個點，試驗結(jié)果見表3。

HV10分析結(jié)果顯示L415母材的硬度約為189.1 HV10，316L母材的硬度約為 224.2 HV10，根焊層的硬度約為204.6 HV10，封焊層的硬度約為 429.7 HV10，過渡層的硬度約為 441.9 HV10，填充層硬度為322.0 HV10，蓋面層硬度約為238.9 HV10。在焊縫區(qū)中的R309L封焊層及R309LMo過渡層均出現(xiàn)較高的硬度值。

圖2 HV10測點分布圖

表3 焊接接頭各層硬度分布

2.2 金相組織分析

焊接接頭宏觀形貌如圖3所示。從圖3可觀察到封焊層、根焊層、過渡層、填充層及蓋面層，封焊層僅存在于機械結(jié)合復(fù)合管側(cè)，冶金結(jié)合復(fù)合管側(cè)未見封焊層，且兩側(cè)的覆層金屬厚度不一致，在冶金結(jié)合復(fù)合管側(cè)根部無明顯開坡口痕跡。

圖3 焊縫中各層的分布狀態(tài) 10×

基體管L415母材的組織為鐵素體+珠光體，組織細小均勻。覆層管316L的母材組織為奧氏體+少量鐵素體+少量碳化物。圖4為R316L焊縫組織，在熔合線位置出現(xiàn)方向性非常強的樹枝晶，且有大量的樹枝狀鐵素體沿晶界析出，焊縫中鐵素體含量為5%～13%，存在超標現(xiàn)象。

圖4 R316L焊縫組織

圖5和圖6分別為R309L、R309LMo的焊縫組織，可見大量鐵素體析出，由此易造成硬度升高、脆化等問題。

圖5 R309L焊縫組織

圖6 R309LMo焊縫組織 500×

2.3 彎曲試驗結(jié)果分析

試驗過程參照彎曲試驗進行背彎，試樣原始狀態(tài)如圖7（a）所示，經(jīng)一次彎曲后機械結(jié)合面及封焊層狀態(tài)如圖7（b）所示，結(jié)合面間隙擴大，基體管與覆層管完全脫離，封焊層在應(yīng)力集中的作用下開裂，裂紋方向與試樣的軸線（管體軸線）約成45°。因此，可以確定封焊層的開裂內(nèi)在原因為自身材料硬度過高、韌性變差，外在原因為機械結(jié)合面存在較高的應(yīng)力集中。

圖7 彎曲試驗結(jié)果

2.4 斷口形貌分析

為分析焊接接頭的失效機理，采用壓力機將已開裂焊接接頭壓裂，采用掃描電鏡等觀察斷口形貌。R316L根焊層的斷口形貌如圖8所示，從圖8可以看出，有少部分韌窩型斷口，其余大部分為脆性斷口。

圖8 R316L根焊層的斷口形貌

R309L封焊層為起裂位置，其斷口形貌如圖9所示。從圖9可以看出，存在少量韌窩型斷口，大量斷口為解理斷口及沿晶斷口，呈現(xiàn)出脆性斷口形貌，與該區(qū)硬度偏高的狀態(tài)相吻合。

圖9 R309L起裂位置的斷口形貌

R309LMo過渡層的斷口形貌如圖10所示。從圖10可以看出，端口內(nèi)可見粗大的二次裂紋，斷口為準解理，呈現(xiàn)脆性斷裂。

圖10 R309Mo過渡層的斷口形貌

3 結(jié) 論

（1）由硬度測試分析發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)的R309L封焊層及R309LMo過渡層均出現(xiàn)較高的硬度值。

（2）由金相組織分析發(fā)現(xiàn)，R309L及R309LMo的焊縫組織有大量的鐵素體析出，E5015焊縫組織為粗大珠光體柱狀組織，由此易造成硬度升高及脆化等問題。

（3）從斷口分析可以看出，R309L封焊層及R309LMo過渡層焊縫的斷口均呈現(xiàn)準解理狀態(tài)，為脆性斷裂。

（4）由彎曲試驗發(fā)現(xiàn)，基層與覆層之間原始結(jié)合面存在應(yīng)力集中，很容易在封焊層造成開裂及裂紋擴展。

[1]LAPIN L I.Development of the technology of the thinwall bimetallic pipe production[J].Steel Pipe，1997（9）：14-15.

[2]王婷，玄文博，周立劍，等.中國石油油氣管道失效數(shù)據(jù)管理問題及對策[J].油氣儲運， 2014， 33（6）： 577-581.

[3]劉高航，劉光明.工程材料與結(jié)構(gòu)的失效及失效分析[J].失效分析與預(yù)防， 2006， 1（1）:6-9.

[4]許愛華，院振剛，楊光，等.雙金屬復(fù)合管施工焊接技術(shù)[J].天然氣與石油， 2010， 28（6）:22-28.

[5]徐志友.不銹鋼襯層雙金屬復(fù)合管的焊接[J].裝備制造， 2010（4）： 216-217.

[6]曹軍.機械復(fù)合管焊接接頭機械性能及高溫高壓CO2腐蝕行為研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[7]朱宏亮.機械式雙金屬復(fù)合管焊接質(zhì)量控制[J].電焊機， 2014（11）： 62-65.

[8]黃東輝.不銹鋼復(fù)合鋼焊接裂紋的分析與防止措施[J].特種設(shè)備安全技術(shù)，2006（6）：56.

[9]樊建平，郭細偉.復(fù)合材料層合板機械連接處失效過程的數(shù)值模擬[J].材料導(dǎo)報， 2010， 24（3）:68-70.

[10]車俊鐵，姬忠禮，黃俊華.不銹鋼管道焊接處海水腐蝕失效分析與機理研究[J].材料導(dǎo)報， 2008， 22（6）:313-318.

Failure Analysis on Welded Joint of L415+316L Mechanical Composite Pipe

ZHANG Chengju1,LI Xiao1,NIU Hui2,ZHAO Haihong3,JIN Haicheng3
（1.Material Science and Engineering Institute,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China；2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China；3.Welding Technology Center,Pipeline Research Institute of CNPC,Langfang 065000,Hebei,China）

In order to reduce the failure phenomenon occurred in hydraulic pressure and operation course of L415+316L composite pipe circumferential welded joint,the cracked welded joint was analyzed by hardness test,microstructure analysis,bending test and fracture morphology.The results showed that because of the sealing layer,transition layer are welded by high alloy steel and carbon steel,the weld recarburization easily causes high hardness,thus lead to lower toughness.The R309L sealing layer and the weld fracture of R309LMo transition layer show a quasi-dissociation state,it is brittle fracture.The sealing layer of welded joint generate cracks because of bearing high stress concentration,and extend along the axis direction.Finally,the cracking reasons of composite pipe welded joint were obtained,which can be used as the reference for the designer to improve design.

composite pipe;hardness;organization;stress concentration;failure analysis

TG444.1

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.001

張城舉（1988—），男，陜西藍田人，碩士，主要研究方向為材料加工工程以及焊接性能的研究。

2015-10-19

羅 剛