某天然氣輸送管道對接環(huán)焊縫泄漏失效分析

朱麗霞，李金鳳，路彩虹，衛(wèi)尊義，陳志昕

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

某天然氣輸送管道對接環(huán)焊縫泄漏失效分析

朱麗霞，李金鳳，路彩虹，衛(wèi)尊義，陳志昕

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

針對某天然氣輸送管道對接環(huán)焊縫泄漏失效的問題，采用斷口分析、微觀形貌、能譜分析及力學(xué)性能測試等方法，系統(tǒng)分析研究了環(huán)焊縫的泄漏失效行為，討論了失效機(jī)理。研究結(jié)果表明：根焊中殘留的焊接藥皮、焊接過程中產(chǎn)生的氣孔和夾渣等焊接缺陷是引起失效的內(nèi)在原因，管道沿線的邊坡垮塌和地面產(chǎn)生的沉降加劇了根焊缺陷處的應(yīng)力集中，是造成該環(huán)焊縫泄漏失效的外在原因。最后針對該類失效給出了相應(yīng)的預(yù)防和控制措施。

焊管；環(huán)焊縫；焊接缺陷；應(yīng)力集中；失效分析

油氣輸送管道對接環(huán)焊縫是長輸管道的薄弱環(huán)節(jié)，若對接環(huán)焊縫內(nèi)存在缺陷及附加應(yīng)力則容易發(fā)生失效[1-5]。某天然氣輸送管道在運(yùn)行半年后的巡查中，發(fā)現(xiàn)光纜探坑內(nèi)有連續(xù)氣泡涌出，現(xiàn)場開挖檢測確認(rèn)為對接環(huán)焊縫泄漏。該對接環(huán)焊縫為Φ1 016mm×21mm直縫埋弧焊管短節(jié)與Φ1 016mm×27mm的15°熱煨彎管組對的環(huán)焊縫，直縫埋弧焊管與熱煨彎管的鋼級均為X70。環(huán)焊縫焊接工藝為：下向焊打底+半自動填充蓋面。本研究采用理化檢驗并結(jié)合現(xiàn)場工況對其失效原因進(jìn)行分析，旨在為天然氣輸送管道的建設(shè)和安全運(yùn)行提供技術(shù)參考。

1 對接環(huán)焊縫性能檢測

1.1 宏觀形貌及裂紋分布

對接環(huán)焊縫及泄漏處內(nèi)外表面宏觀照片如圖1所示。該環(huán)焊縫泄漏處位于9點(diǎn)至12點(diǎn)鐘位置，裂紋已穿透壁厚。裂紋起源于環(huán)焊縫內(nèi)表面的直管側(cè)焊趾，向環(huán)焊縫外表面擴(kuò)展。經(jīng)磁粉探傷，環(huán)焊縫泄漏處內(nèi)表面沿焊縫有一條長度925mm的周向裂紋，對應(yīng)泄漏處外表面有一條長度約為110mm的周向裂紋；環(huán)焊縫其它位置未發(fā)現(xiàn)裂紋類缺陷。

圖1 對接環(huán)焊縫及泄漏處內(nèi)外表面宏觀照片

1.2 環(huán)焊縫裂紋區(qū)微觀分析

對環(huán)焊縫12點(diǎn)位置附近開裂區(qū)域進(jìn)行取樣，環(huán)焊縫開裂處的焊接接頭橫截面宏觀形貌如圖2所示，確定環(huán)焊縫未經(jīng)補(bǔ)焊。由圖2可見，裂紋穿透焊縫壁厚，靠近根焊焊趾裂紋相對較寬，靠近焊縫外表面填充焊裂紋相對較窄，表明裂紋起源于根焊焊趾，且向焊縫外表面擴(kuò)展。根焊焊趾處裂紋及非金屬物質(zhì)形貌如圖3所示。由圖3可見，試樣根焊焊趾處有裂紋，裂紋內(nèi)填有“灰色物質(zhì)”，裂紋周圍組織與其他區(qū)域組織相同。

圖2 環(huán)焊縫12點(diǎn)位置宏觀形貌

圖3 根焊焊趾處裂紋及非金屬物質(zhì)形貌

將此樣品沿裂紋打開，發(fā)現(xiàn)裂紋斷面（斷口）根焊焊趾處有“半圓型”灰色斷口，判斷該區(qū)為裂紋源區(qū)。根焊焊趾處“半圓型”裂紋源及斷口靠近裂紋源處灰色物質(zhì)的形貌如圖4所示。沿垂直于斷面的“半圓型”源區(qū)（見圖4（a））切割試樣，進(jìn)行斷口金相分析，斷口靠近裂紋源處灰色物質(zhì)的形貌見圖4（b）。裂紋擴(kuò)展路徑平直，源區(qū)斷口附近有灰色片狀或條狀夾渣（見圖4（c）），靠近根焊焊趾熔合線附近有大型條狀夾渣，各層填充焊的過渡區(qū)域也可見有灰色夾渣，夾渣周圍組織與焊縫其它區(qū)域組織無差異。

圖4 根焊焊趾處 “半圓型”裂紋源及斷口靠近裂紋源處灰色物質(zhì)的形貌

清洗干凈斷口表面污物后進(jìn)行掃描電鏡觀察，斷口形貌如圖5所示。由圖5可見，根焊焊趾呈現(xiàn)多源特征，根焊焊趾有多處“半圓型”灰色斷口，放射狀裂紋形貌收斂于“半圓型”灰色斷口。

對裂紋收斂處（源區(qū)）進(jìn)行能譜分析，其斷口形貌和能譜分析結(jié)果如圖6所示，可見該區(qū)域主要元素為O、Fe、Mn、Ti、Si、Mg和Ca等。根焊靠近內(nèi)表面處發(fā)現(xiàn)灰色物質(zhì)，對該灰色物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，其斷口形貌和能譜分析結(jié)果如圖7所示，可見該區(qū)域主要元素為O、Mn、Ti、C、Fe、Si、Mg和Ca等。為了確定灰色物質(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，其主要元素為O、C、Si、Na、Ti和 Ca等。由分析結(jié)果可知，根焊處灰色物質(zhì)所含元素與焊條藥皮相近，可判斷根焊處灰色物質(zhì)主要是焊接過程中殘存的焊接藥皮。

圖5 斷口及裂紋源區(qū)形貌

圖6 裂紋源區(qū)斷口形貌及能譜分析結(jié)果

圖7 裂紋源區(qū)灰色物質(zhì)形貌及能譜分析結(jié)果

裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)也存在灰色物質(zhì)，該灰色物質(zhì)形貌和能譜分析結(jié)果如圖8所示，可見該區(qū)域主要元素為Fe、C、O、Mn、Ca和S等，由此可見判斷該區(qū)域灰色物質(zhì)主要是填充焊未完全熔化的焊絲。

圖8 填充焊內(nèi)灰色物質(zhì)形貌及能譜分析結(jié)果

1.3 力學(xué)性能測試

在環(huán)焊縫未開裂處的3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘位置分別取樣進(jìn)行拉伸、沖擊及側(cè)彎試驗，結(jié)果見表1。試驗結(jié)果表明，對接環(huán)焊縫的拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)[6]中抗拉強(qiáng)度不小于570 MPa的要求；－5℃及－20℃的沖擊試驗結(jié)果可以看出，環(huán)焊縫6點(diǎn)鐘位置的沖擊韌性低于環(huán)焊縫3點(diǎn)鐘及9點(diǎn)鐘位置，且溫度越低，這種對比越明顯；側(cè)彎彎曲試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，環(huán)焊縫6點(diǎn)鐘位置的焊接接頭在彎曲至105°時，焊縫出現(xiàn)貫穿裂紋。

表1 環(huán)焊縫焊接接頭力學(xué)性能試驗結(jié)果

對側(cè)彎斷裂試樣進(jìn)行電鏡掃描。側(cè)彎試樣斷口及斷口氣孔形貌如圖9所示，由圖9可見，試樣斷口表面有多處氣孔類形貌。側(cè)彎試樣開裂起源于根焊處一孔洞類缺陷，孔洞內(nèi)發(fā)現(xiàn)灰色物質(zhì)，對該物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖10所示。由圖10可見，該區(qū)域主要元素為Ba、O、C、Al、Fe和Mg等。分析可知，該灰色物質(zhì)為焊接時未清理干凈的焊渣。因此，氣孔、夾渣等焊接缺陷會明顯影響環(huán)焊縫的性能。

圖9 側(cè)彎試樣斷口及氣孔形貌

圖10 側(cè)彎開裂試樣根焊處孔洞內(nèi)灰色物質(zhì)形貌及能譜分析結(jié)果

1.4 非裂紋區(qū)焊接接頭低倍分析

在環(huán)焊縫未開裂處的3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘位置分別取焊接接頭金相試樣進(jìn)行低倍分析，結(jié)果見表2。由表2可見，環(huán)焊縫6點(diǎn)鐘位置焊接接頭的焊接缺陷明顯多于其他位置。環(huán)焊縫6點(diǎn)鐘位置有多處氣孔及孔洞，焊縫層間、側(cè)壁及焊縫內(nèi)均有夾渣；環(huán)焊縫3點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘位置焊接接頭內(nèi)也有氣孔缺陷。

表2 未開裂處環(huán)焊縫試樣低倍檢測結(jié)果

2 檢測結(jié)果分析

環(huán)焊縫未發(fā)生開裂處的性能分析表明，環(huán)焊縫3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘位置處的焊接接頭內(nèi)均有氣孔。環(huán)焊縫6點(diǎn)鐘位置焊接接頭側(cè)彎彎曲105°，焊縫出現(xiàn)貫穿裂紋，同時，環(huán)焊縫6點(diǎn)鐘位置的沖擊吸收能明顯低于其他焊接區(qū)域。對側(cè)彎開裂試樣進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋起源于根焊部位。環(huán)焊縫6點(diǎn)鐘位置的焊接接頭低倍分析表明，6點(diǎn)鐘位置的焊接接頭出現(xiàn)較多的氣孔，并且焊縫內(nèi)有灰色非金屬夾渣。試驗結(jié)果均表明環(huán)焊縫6點(diǎn)鐘位置是焊接薄弱區(qū)域，主要原因是焊接時產(chǎn)生的氣孔缺陷和未清理干凈的焊渣所致。從焊接工藝來看，環(huán)焊縫焊口組對采用 “下向焊打底+半自動填充蓋面”，其焊接熱源從頂部中心開始垂直向下焊接，一直到底部中心。下向焊的施焊方式為12點(diǎn)鐘位置起弧，焊至管口下部6點(diǎn)鐘位置結(jié)束。下向焊的起弧點(diǎn)及收弧點(diǎn)部位容易出現(xiàn)氣孔、夾渣等焊接缺陷。這些缺陷的存在減少了焊縫的有效橫截面積，降低焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。

對接環(huán)焊縫開裂區(qū)的宏觀照片及焊縫低倍顯示，裂紋起源于環(huán)焊縫內(nèi)表面（根焊）的直管側(cè)焊趾，向環(huán)焊縫外表面擴(kuò)展。

環(huán)焊縫12點(diǎn)鐘位置附近的焊接接頭裂紋試樣的低倍、金相分析及掃描電鏡分析綜合結(jié)果可知，裂紋源區(qū)為環(huán)焊縫的根焊區(qū)域。環(huán)焊縫內(nèi)壁根焊處存在灰色物質(zhì)，其能譜分析顯示主要元素與根焊焊接藥皮的元素相近，可見，灰色物質(zhì)為根焊焊條的焊接藥皮。打底焊（根焊）后清根不徹底或者清根方法不當(dāng)，容易導(dǎo)致在隨后的快速熱焊時，根部焊接藥皮不能完全溢出而形成夾渣。焊接藥皮的存在破壞了焊縫金屬的連續(xù)性，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致根焊處成為裂紋的起裂源。

金相及電鏡分析表明，在多層多道次的填充焊中，焊縫內(nèi)部還存在氣孔、夾渣等焊接缺陷，在外力作用下，裂紋極易在缺陷周圍形成，并相互貫穿成穿透性裂紋。同時，環(huán)焊縫為不等厚對接環(huán)焊縫，當(dāng)受到外加應(yīng)力時，壁厚較小的直管段相對于壁厚較大的彎管段，成為承載相對薄弱的區(qū)域。

綜合分析可見，對接環(huán)焊縫根焊中存在未清除干凈的焊接藥皮，焊縫內(nèi)部存在的夾渣、氣孔等焊接缺陷，是造成該管道環(huán)焊縫對接接頭泄漏失效的內(nèi)在原因。對于下向焊打底+半自動填充蓋面的焊接工藝，應(yīng)在打底焊后清渣，并徹底清根，接頭點(diǎn)打平、6點(diǎn)鐘位置收弧時采用回焊法息弧等，能夠有效防止焊接夾渣的形成；嚴(yán)格控制組對間隙、防止焊條受潮、采用小電流短電弧快速焊接、控制焊條擺動寬度不超過焊條直徑的2倍[7-10]等，能夠有效防止氣孔的產(chǎn)生。

3 環(huán)焊縫服役情況及失效機(jī)理

某天然氣輸送管道運(yùn)行半年后，在例行巡查過程中發(fā)現(xiàn)光纜探坑內(nèi)有連續(xù)氣泡涌出，對該處進(jìn)行開挖檢測，最終確認(rèn)連續(xù)氣泡來源于管道對接環(huán)焊縫的泄漏。該對接環(huán)焊縫為Φ1 016mm×21mm直縫埋弧焊管短節(jié)與Φ1 016mm×27mm的15°熱煨彎管組對的環(huán)焊縫，直縫埋弧焊管與熱煨彎管的鋼級均為X70。

根據(jù)管道服役情況資料可知，泄漏環(huán)焊縫所處的管道上、下游均為長上坡，泄漏處為兩山間低洼地帶，如圖11所示。2015年6月以來，該環(huán)焊縫所處管道沿線連續(xù)多次強(qiáng)降雨，引發(fā)洪澇災(zāi)害和局部垮塌，管道沿線存在邊坡垮塌，地面產(chǎn)生沉降，使得管道環(huán)焊縫12點(diǎn)鐘位置處存在焊接缺陷的根焊焊趾產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，形成初始裂紋（斷裂源），之后在外力作用下，裂紋進(jìn)一步沿壁厚較薄弱的直管段一側(cè)焊趾擴(kuò)展，并沿焊縫內(nèi)薄弱區(qū)域（氣孔、夾渣等缺陷）擴(kuò)展，形成穿透性裂紋，最終導(dǎo)致環(huán)焊縫泄漏失效。

圖11 管道泄漏點(diǎn)位置示意圖

4 結(jié) 論

（1）對接環(huán)焊縫3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘位置的拉伸性能、刻槽錘斷、維氏硬度試驗結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；環(huán)焊縫6點(diǎn)鐘位置焊接接頭側(cè)彎彎曲105°，焊縫出現(xiàn)貫穿裂紋。

（2）環(huán)焊縫3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘位置的焊接接頭內(nèi)均存在焊接氣孔，6點(diǎn)鐘位置焊縫層間、側(cè)壁及焊縫內(nèi)均有夾渣；環(huán)焊縫12點(diǎn)位置的分析表明，根焊中存在未清除干凈的焊接藥皮，焊縫內(nèi)部存在的夾渣、氣孔等焊接缺陷，是造成該管道環(huán)焊縫對接接頭泄漏失效的內(nèi)在原因。

（3）泄漏處環(huán)焊縫所處的管道上、下游均為長上坡，強(qiáng)降雨引發(fā)的洪澇災(zāi)害使管道沿線存在邊坡垮塌，地面產(chǎn)生沉降，加劇了根焊缺陷處的應(yīng)力集中，是造成該管道環(huán)焊縫對接接頭泄漏失效的外在原因。

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Leakage Failure Reason Analysis of Butt Circumferential Weld for a Natural Gas Pipeline

ZHU Lixia,LI Jinfeng,LU Caihong,WEI Zunyi,CHEN Zhixin
（CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China）

Aim at the leakage failure of butt circumferential weld of a natural gas pipeline,it systematically analyzed the leakage failure behavior by means of fracture analysis,microstructure,energy spectrum analysis and mechanical properties tests,and the failure mechanism was discussed.The results showed that the residual welding coating in root welding,the welding defects such as pores and slag inclusions during welding process were internal reason for failure,the side slope collapse and ground subsidence along pipeline aggravated the stress concentration at the root welding defect,is the external cause of the circumferential weld leakage failure.Finally the corresponding prevention and control measures were given for this kind of failure.

welded pipe;circumferential weld;welding defect;stress concentration;failure analysis

TE973 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.03.012

朱麗霞（1980—），女，廣東五華人，漢族，高級工程師，碩士研究生，現(xiàn)從事油氣輸送管材料的顯微組織與性能的實驗與研究等工作。

2015-11-23

修改稿收稿日期：2016-01-13

謝淑霞