X100螺旋埋弧焊管反彎斷裂失效分析

常永樂，黃曉輝，權(quán) 勇

（1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065；2.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

X100螺旋埋弧焊管反彎斷裂失效分析

常永樂1,3，黃曉輝2,3，權(quán) 勇3

（1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065；2.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

針對X100高鋼級Φ1 219 mm×14.8 mm螺旋埋弧焊管試制過程中易出現(xiàn)的反彎不合格問題，借助金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等試驗(yàn)手段，對3種典型反彎開裂試樣失效原因進(jìn)行了起裂斷口形貌分析。研究結(jié)果表明：反彎失效主要起裂于熱影響區(qū)、熔合區(qū)及焊縫，主要原因是由于焊接接頭起裂部位出現(xiàn)異常粗大的M/A組織、夾雜和氣孔等焊接缺陷，成為誘發(fā)斷裂的裂紋源，導(dǎo)致反彎開裂。

螺旋埋弧焊管；X100管線鋼；彎曲試驗(yàn)；斷裂；失效

目前，高壓大流量長距離油氣輸送已經(jīng)成為國際石油天然氣管線的技術(shù)發(fā)展方向。X100與X80鋼級相比，高鋼級鋼管可有效減薄壁厚，降低鋼管制造難度，而且可以節(jié)省用鋼量，從而節(jié)約鋼管采購成本[1-2]。

彎曲試驗(yàn)可檢驗(yàn)鋼管焊接接頭塑性性能，X100鋼管在X80鋼管的基礎(chǔ)上增加了一定的合金元素，從而確保了管體和焊縫強(qiáng)度[3-4]。但較高的合金元素極易導(dǎo)致X100埋弧焊管焊接接頭在導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)裂紋、斷裂而導(dǎo)致失效，其中絕大部分失效的裂紋或斷裂都發(fā)生在反彎試驗(yàn)過程中，正彎試驗(yàn)比反彎試驗(yàn)焊接接頭發(fā)生的塑性變形位移相對較少而失效的極少。反彎試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)焊焊接接頭部位存在極大的殘余拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，管體焊接接頭內(nèi)壁受拉應(yīng)力彎曲變形角度較大，如果制管成型工藝控制不良、焊接線能量過大或過小、焊縫成形差或者焊縫及熱影響區(qū)存在夾雜物或脆化等缺陷，極易造成反彎試驗(yàn)不合格[5-6]。本研究主要從X100螺旋埋弧焊管試制過程中，出現(xiàn)多種不合格試樣中選取3種典型反彎試樣，通過微觀組織和能譜測試，分別進(jìn)行了斷裂失效分析。

1 反彎試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及失效試樣形貌

在 X100鋼級 Φ1 219 mm×14.8 mm螺旋埋弧焊管試制中，正、反彎曲試樣均加工成垂直焊縫的14.8 mm×38.1 mm×300 mm矩形板樣，焊縫位于中心，依據(jù)ASTM A370分別進(jìn)行正、反彎曲試驗(yàn)，彎軸直徑為90 mm，彎曲角度180°。反彎試驗(yàn)是將外焊縫表面接觸彎心，內(nèi)焊縫處于拉應(yīng)力的狀態(tài)，而正彎試樣剛好相反[7]。通過大量X100鋼級Φ1 219 mm×14.8 mm螺旋埋弧焊管試制，發(fā)現(xiàn)存在少數(shù)彎曲不合格試樣，反彎不合格的居多，如圖1所示。由圖1可見，反彎不合格試樣典型失效起裂部位主要分為3種，1#試樣反彎起裂位置大概在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)附近，離熔合線約3 mm；2#試樣反彎起裂位置為熔合線區(qū)域，為應(yīng)力比較集中的焊趾部位；3#試樣反彎起裂于內(nèi)焊縫區(qū)域，裂紋沿著焊縫進(jìn)行擴(kuò)展。

圖1 3種典型X100螺旋埋弧焊管反彎不合格試樣宏觀照片

焊接接頭導(dǎo)向彎曲性能作為一項(xiàng)重要的力學(xué)性能指標(biāo)，可快速檢驗(yàn)焊接接頭塑性和韌性匹配性及焊接是否存在質(zhì)量缺陷。對于導(dǎo)向彎曲試樣，API SPEC 5L（45版）標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，試樣完全斷裂或者在母材金屬、焊縫金屬、熱影響區(qū)處出現(xiàn)任何長度大于3.2 mm的裂紋或斷裂，無論深度如何，都應(yīng)判為失效。

圖1中3種試樣均發(fā)生完全斷裂，均失效因而被判定為彎曲不合格。對試制的X100鋼級Φ1219mm×14.8 mm螺旋埋弧焊管進(jìn)行化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分見表1。

表1 X100螺旋埋弧焊管化學(xué)成分 %

X100鋼級螺旋埋弧焊管管體及焊縫主要力學(xué)性能全部符合API SPEC 5L（45版）標(biāo)準(zhǔn)要求，主要力學(xué)性能見表2。

表2 X100螺旋埋弧焊管力學(xué)性能

2 微觀組織分析

對試制的X100鋼級Φ1 219 mm×14.8 mm螺旋埋弧焊管的3個(gè)典型反彎不合格試樣起裂位置進(jìn)行微觀組織分析，金相試樣采用4%的硝酸酒精腐蝕，掃描電鏡試樣采用兩步電解法腐蝕。試樣的微觀組織照片如圖2所示。圖2（a）中1#試樣起裂于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，在起裂邊緣附近，存在粗大的白色粒狀貝氏體（B）組織，裂紋的走向傾向于粒狀貝氏體的邊緣，一般粗大的粒狀貝氏體之間結(jié)合較弱，在受到外界應(yīng)力時(shí)容易沿粗晶晶界處斷裂[8-10]。圖2（d）中1#試樣粗晶區(qū)中特別是靠近斷裂邊緣的部分，存在一些片狀的或不規(guī)則的鐵素體（F）基體，基體上分布有尺寸較大的M/A組元，較大尺寸的M/A組元偏聚形成M/A結(jié)構(gòu)群，由于M/A組元為硬脆相，受到彎曲外力時(shí)不易變形[11]，而F基體本身容易發(fā)生較大變形，導(dǎo)致在兩者的界面處，也就是粗晶區(qū)易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而反彎裂紋在粗晶區(qū)的M/A組元與基體的界面上起裂，導(dǎo)致1#試樣反彎失效。

圖2 3種典型反彎不合格試樣起裂區(qū)微觀組織分析

圖2（b）中2#試樣起裂的熔合區(qū)組織正常，為粒狀貝氏體組織，未發(fā)現(xiàn)容易造成嚴(yán)重降低熔合區(qū)韌性及塑性的異常組織。圖2（e）中2#試樣靠近熔合線開裂邊緣的焊縫分布著一些疏松“小孔”，這可能是焊接過程中較多的細(xì)小夾雜物聚集到熔合線區(qū)域，再加上熔合線開裂部位也是內(nèi)焊趾區(qū)域，焊縫過渡角度大，應(yīng)力集中，反彎從熔合線區(qū)域起裂斷裂后，被腐蝕掉落的夾雜物形成一個(gè)個(gè)小孔的緣故。因此，焊接過程細(xì)小夾雜物聚集到熔合線區(qū)域是2#試樣反彎斷裂的主要原因。

圖2（c）中3#試樣起裂的焊縫區(qū)域分布著大量的粗大粒狀貝氏體，而焊縫組織為較細(xì)密的針狀鐵素體（AF）。 圖2（f）中 3#試樣靠近焊縫開裂區(qū)域的組織較為粗大，基體上分布著少量白色或灰白色的M/A，很多M/A都帶著尖角，斷裂的邊緣大多沿著原奧氏體的晶界，且斷裂邊緣上多分布著長條狀的M/A[11-12]?？梢姡缚p開裂區(qū)域的長條狀M/A是導(dǎo)致3#試樣反彎時(shí)斷裂的原因之一。

3 能譜分析

對試制的X100鋼級Φ1 219 mm×14.8 mm螺旋埋弧焊管的3個(gè)典型反彎不合試樣起裂位置進(jìn)行能譜（EDS）分析，如圖3和圖4所示。1#試樣起裂于熱影響區(qū)粗晶區(qū)，經(jīng)過斷口分析未見夾雜，2#試樣起裂于熔合線區(qū)域。由圖3和圖4可以看出，2#試樣反彎斷裂起裂區(qū)發(fā)現(xiàn)3種夾雜物，夾雜主要集中在內(nèi)焊縫的內(nèi)焊趾附近。圖3中黑色的球狀?yuàn)A雜物為鋁硅酸鹽，其直徑約為35 μm。圖4中脆斷區(qū)中白色尖角塊狀主要為氧化硅和氧化鈣夾雜，夾雜邊緣銳利，氧化硅夾雜長度約為35 μm，氧化鈣夾雜長度約為23 μm，可見這些夾雜尺寸都很大，圖2（f）中的小孔就是夾雜脫落后形成的夾雜嚴(yán)重削弱了熔合線起裂附近晶粒之間的聯(lián)系，破壞了基體的連續(xù)性[13-15]。在一定拉應(yīng)力作用下，這些夾雜物的周圍容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且內(nèi)焊趾區(qū)域本身應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致反彎在熔合線區(qū)域產(chǎn)生起裂。

3#試樣起裂于焊縫區(qū)域，其熔合線區(qū)域的夾雜物分析如圖5所示。由圖5可以看出，3#試樣起裂區(qū)焊縫部位未見大的夾雜物，對3#試樣反彎起裂區(qū)的3個(gè)面進(jìn)行EDS能譜掃描，3個(gè)面能譜掃描結(jié)果相似，都存在少量Na、K、Cl等夾雜物。這可能是焊接過程中焊劑中一些元素在焊縫金屬凝固前未浮到焊縫表面，進(jìn)而殘留在焊縫中有關(guān)[14]。因此，這些夾雜成為試樣反彎時(shí)的裂紋源。

圖3 2#試樣反彎斷裂起裂于熔合線區(qū)域的黑色球狀?yuàn)A雜物

圖4 2#試樣反彎斷裂起裂于熔合線區(qū)域的白色夾雜物

圖5 3#試樣反彎斷裂起裂于熔合線區(qū)域的夾雜物分析

4 討 論

焊接接頭是X100鋼級螺旋埋弧焊管的薄弱區(qū)域，導(dǎo)向彎曲試樣反彎出現(xiàn)斷裂失效的位置主要存在以下3種形式：

（1）反彎失效起裂于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)。由于反彎過程的塑性變形主要集中在熱影響區(qū)，反彎變形曲率最大，熱影響區(qū)部位的晶粒粗大，熱影響區(qū)是焊縫和母材的過渡區(qū)域[16]，對1#試樣母材進(jìn)行金相組織觀察，發(fā)現(xiàn)存在比較嚴(yán)重的偏析帶，且邊部存在粗大的晶粒，由于母材組織遺傳及焊接熱循環(huán)的特殊作用，導(dǎo)致粗晶區(qū)出現(xiàn)異常粗大的晶粒，且排列方向與母材的偏析帶方向一致，使附近組織的塑性和韌性急劇降低，也使得不均勻組織的晶粒結(jié)合力變?nèi)?，再加上熱影響區(qū)存在較大尺寸的M/A組元，導(dǎo)致在受到反彎外力作用下起裂于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，試樣起裂位置SEM圖片如圖6所示。由圖6（a）可見，起裂于粗晶區(qū)的斷口屬于典型的粗大晶粒脆性斷口形貌，斷口主要為解理和二次裂紋。

（2）反彎失效起裂于熔合線，即內(nèi)焊趾區(qū)域。焊縫表面過渡角度大，應(yīng)力高度集中，是熔合線在受外力時(shí)容易產(chǎn)生裂紋的原因之一[17]。由圖6（b）可見，起裂于熔合線區(qū)域的斷口屬于既有塑性斷裂的韌窩，也有脆性斷裂的層狀準(zhǔn)解理，反彎斷裂失效主要另外一個(gè)主要原因?yàn)槿酆暇€區(qū)域存在的鋁硅酸鹽、氧化硅、氧化鈣等夾雜導(dǎo)致反彎失效產(chǎn)生。

圖6 3種典型反彎不合格試樣起裂位置SEM微觀圖

（3）反彎失效起裂于焊縫區(qū)域。焊縫斷裂是焊接過程中焊縫中產(chǎn)生了少量Na、K、Cl夾雜，推斷應(yīng)為焊接工藝或焊材選擇不當(dāng)造成，在外力作用下，這些夾雜物周圍容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，再加上焊縫區(qū)域存在帶著尖角和長條狀的M/A，M/A起初對變形起阻礙、拉拽作用，但隨著變形的積累，M/A與板條鐵素體基體間的界面產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中程度超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，焊縫區(qū)域粗大的M/A就成為裂紋源，導(dǎo)致試樣反彎裂斷。由圖6（c）可見，起裂于焊縫區(qū)域的斷口主要為塑性等軸韌窩狀，且在韌窩上存在M/A產(chǎn)生的少量準(zhǔn)解理。

5 結(jié) 論

（1）1#試樣反彎失效起裂于熱影響區(qū)。主要是由于母材嚴(yán)重帶狀組織的遺傳和焊接熱循環(huán)作用導(dǎo)致粗晶區(qū)出現(xiàn)異常粗大且定向排列的晶粒，再加上熱影響區(qū)存在較大尺寸的M/A，導(dǎo)致X100焊接接頭試樣反彎斷裂起裂于熱影響區(qū)。

（2）2#試樣反彎失效起裂于熔合線區(qū)。熔合線區(qū)的鋁硅酸鹽、氧化硅、氧化鈣夾雜及熔合線內(nèi)焊趾區(qū)域高度的應(yīng)力集中，導(dǎo)致X100焊接接頭試樣反彎斷裂起裂于熔合線區(qū)。

（3）3#試樣反彎失效起裂于焊縫區(qū)。由于焊接工藝或焊材選擇不當(dāng)造成焊縫中夾雜物和焊縫起裂區(qū)域的M/A，導(dǎo)致X100焊接接頭試樣反彎斷裂起裂于焊縫區(qū)。

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Analysis of Root Bend Fracture Failure for X100 SAWH Pipe

CHANG Yongle1,3,HUANG Xiaohui2,3,QUAN Yong3
（1.School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China;2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

Aiming at the unqualified root bend problem that occurred in trial production of X100 grade Φ1 219 mm×14.8 mm SAWH pipe,the fracture failure reason of three typical cracked specimens was carried out by the methods of metallographic microscope,scanning electron microscope and energy spectrometer tests.The results showed that the root bend failure mainly generate in heat affected zone,the weld fusion line area and the weld fusion line,the main reason is the abnormal massive M/A structure in crack initiation position of welded joint,as well as some welding defects,including inclusions,pores and so on,become the crack source induced fracture,leading to root bend and cracking.

SAWH pipe;X100 pipeline steel;guide bending test;fracture;failure

TG115.5

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.012

常永樂（1984—），男，工程師，西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事SSAW鋼管質(zhì)量管理工作，研究方向?yàn)镾SAW鋼管的工藝控制與技術(shù)管理工作。

2016-04-12

羅 剛