X90螺旋埋弧焊管焊縫橫向裂紋分析

崔 雷，徐進(jìn)橋，李利巍，鄒 航，徐 鋒，王俊霖，劉小國(guó)

（武漢鋼鐵股份有限公司 研究院，武漢430080）

X90螺旋埋弧焊管焊縫橫向裂紋分析

崔 雷，徐進(jìn)橋，李利巍，鄒 航，徐 鋒，王俊霖，劉小國(guó)

（武漢鋼鐵股份有限公司 研究院，武漢430080）

為了提高X90螺旋埋弧焊管的焊縫質(zhì)量，推動(dòng)其工程服役的快速發(fā)展，對(duì)X90螺旋埋弧焊管的焊接接頭以及焊縫橫向裂紋進(jìn)行了金相分析，并對(duì)橫向裂紋的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析與討論。焊縫橫向裂紋顯微形貌和能譜檢驗(yàn)結(jié)果表明，在焊接工藝不穩(wěn)定情況下，制管工序中焊縫承受的多種拉應(yīng)力疊加后作用于焊縫內(nèi)殘留焊劑部位，導(dǎo)致該部位的拉應(yīng)力超越材料強(qiáng)度極限引發(fā)裂紋萌生和擴(kuò)展；橫向裂紋在縱向截面上起源于焊縫中的殘留焊劑，由內(nèi)焊縫向外焊縫擴(kuò)展，而其在水平截面上由焊縫向母材擴(kuò)展；隨著遠(yuǎn)離起裂源點(diǎn)，裂紋斷口形貌呈現(xiàn)由準(zhǔn)解離斷裂向解離斷口漸變，整體表現(xiàn)出脆性斷裂特征。

焊管；X90管線鋼；焊縫；橫向裂紋；脆性斷裂

Abstract:In order to increase the weld quality of X90 SAWH pipe,and promote the rapid development of engineering service,in this article,it conducted metallographic analysis for X90 SAWH pipe welded joint and the transverse crack in weld,furthermore,the causes of transverse crack were analyzed and discussed.The results of weld transverse crack microstructure and energy spectrum test results showed that,in the case of welding process was not stable,the superposition of a variety of tensile stress in pipe-making process acted on weld residual flux,which caused the tensile stress exceeded material strength limit,led to crack initiation and extension;the transverse crack originated from residual flux in longitudinal section from inner weld to outer weld,while it extended from weld zone to base metal in horizontal section;the morphology of cracks showed brittle fracture character,which transformed form quasi-cleavage to cleavage as long with the increasing distance from crack source.

Key words:welded pipe;X90 pipeline steel;weld;transverse crack;brittle fracture

為有效解決我國(guó)天然氣能源供需不平衡、地域分布不均的矛盾，近年來(lái)我國(guó)開(kāi)展了“第三代大輸量天然氣管道工程”的項(xiàng)目研究。規(guī)劃中的西氣東輸四線、五線等長(zhǎng)輸管線天然氣年輸送量達(dá)450億m3，較服役中的西氣東輸二線年輸量提升50%。為提高輸送效率并降低營(yíng)運(yùn)成本，提高鋼級(jí)、增大壓力、擴(kuò)大管徑是天然氣管道建設(shè)的重要途徑[1-4]。X90鋼級(jí)是X80和X100強(qiáng)度等級(jí)之間一個(gè)理想的跨接點(diǎn)[5]，同時(shí)X90鋼管極有可能靠管體自身韌性實(shí)現(xiàn)管道止裂[6]，這使得X90鋼最有可能成為應(yīng)用于“第三代大輸量天然氣管道工程”的超高強(qiáng)度管線鋼。

X90管線鋼經(jīng)螺旋埋弧焊接工藝制管后投入工程應(yīng)用，由于鋼管承受的管道內(nèi)壓較高，為避免鋼管強(qiáng)韌性薄弱部位誘發(fā)管道爆裂，要求鋼管焊縫部位不能出現(xiàn)任何形式的裂紋缺陷[7-8]。本研究針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中X90螺旋埋弧焊管焊縫出現(xiàn)的橫向裂紋進(jìn)行分析，探究該類型裂紋的產(chǎn)生原因及機(jī)理，為提高X90螺旋埋弧焊管的焊縫質(zhì)量并推動(dòng)其工程服役提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

出現(xiàn)焊縫橫向裂紋的X90螺旋埋弧焊管原料采用低C-高M(jìn)n-Nb-Mo的成分體系，具有低的P、S水平（具體成分見(jiàn)表1）。該原料的冷裂紋敏感指數(shù)較低，表明此原料具有良好的可焊接性能。

X90鋼采用螺旋埋弧焊工藝制管和水壓測(cè)試后，超聲波探傷過(guò)程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)焊縫處隨機(jī)存在疑似內(nèi)部缺陷，相應(yīng)位置的宏觀形貌為橫向線狀凹痕，如圖1（a）所示。線狀凹痕經(jīng)打磨后，發(fā)現(xiàn)該部位下方存在目視可見(jiàn)的橫向裂紋，如圖1（b）所示。該類裂紋由一條或多條線狀裂紋組成，且僅存在于焊縫范圍以內(nèi)。

表1 X90螺旋埋弧焊管原料化學(xué)成分 %

圖1 X90螺旋埋弧焊管內(nèi)焊縫橫向裂紋宏觀形貌

1.2 試驗(yàn)方法

為分析焊縫裂紋的特征及成因，將帶有裂紋的焊縫試樣進(jìn)行橫向、縱向和水平分切，如圖2所示。經(jīng)打磨與拋光后，分切面使用3%的硝酸酒精溶液浸蝕，采用OLYMPUS GX71光學(xué)金相顯微鏡（OM）對(duì)裂紋形貌及組織進(jìn)行金相分析，并采用Nova_NanoSEM430掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)裂紋開(kāi)裂面進(jìn)行形貌觀察和能譜分析。

圖2 帶裂紋X90螺旋埋弧焊管焊縫試樣分切示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊接接頭形貌

分別對(duì)X90螺旋埋弧焊管的正常部位（無(wú)裂紋區(qū)域）和缺陷部位的焊接接頭形貌進(jìn)行宏觀形貌觀測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，X90螺旋埋弧焊管采用雙Y形坡口焊接，正常部位與缺陷部位的焊接接頭宏觀形貌相似。外焊縫與母材表面過(guò)度平滑，其過(guò)度角≥130°；內(nèi)焊縫呈馬鞍狀，焊趾處焊縫與母材表面過(guò)度較劇烈，焊縫凸超較高，其過(guò)度角偏小（約100°）。

圖3 X90螺旋埋弧焊管焊接接頭形貌

圖4為正常部位內(nèi)焊縫輪廓線轉(zhuǎn)折處形貌，圖5為缺陷部位內(nèi)焊縫輪廓線轉(zhuǎn)折處形貌。由圖4與圖5發(fā)現(xiàn)，X90螺旋埋弧焊管焊接接頭內(nèi)焊縫兩側(cè)的輪廓線均發(fā)現(xiàn)一定程度的轉(zhuǎn)折。正常部位內(nèi)焊縫輪廓線轉(zhuǎn)折處過(guò)渡平滑，焊縫與HAZ區(qū)分明晰，而缺陷部位焊縫輪廓線轉(zhuǎn)折處存在長(zhǎng)約600 μm 灰白色細(xì)針狀區(qū)域（圖 5（b）中虛線區(qū)域）。缺陷部位的針狀區(qū)域與HAZ相連通，向焊縫內(nèi)部延伸且寬度逐漸變窄。采用SEM分析發(fā)現(xiàn)，缺陷部位的針狀區(qū)域與HAZ的組織類型均為粒狀貝氏體組織，同時(shí)發(fā)現(xiàn)存在針狀區(qū)域與HAZ的組織共處同一奧氏體晶粒的現(xiàn)象，如圖6所示。這表明缺陷部位的焊接線能量較正常部位值偏小，導(dǎo)致坡口附近的母材組織未完全熔解，從而在焊縫中產(chǎn)生針狀的母材殘留。

圖4 正常部位內(nèi)焊縫輪廓線轉(zhuǎn)折處形貌 （OM）

圖5 缺陷部位內(nèi)焊縫輪廓線轉(zhuǎn)折處形貌 （OM）

圖6 缺陷部位內(nèi)焊縫輪廓線轉(zhuǎn)折處形貌 （SEM）

2.2 裂紋擴(kuò)展路徑

2.2.1 縱向截面的裂紋擴(kuò)展路徑

按照?qǐng)D2（b）方式進(jìn)行缺陷試樣縱向分切，對(duì)縱向截面上的裂紋擴(kuò)展路徑進(jìn)行觀測(cè)，裂紋擴(kuò)展路徑如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，裂紋寬度由內(nèi)焊縫區(qū)域向外焊縫區(qū)域逐漸收窄直至消失，裂紋總長(zhǎng)度約10.9 mm。內(nèi)焊縫區(qū)域的裂紋路徑較平直，外焊縫區(qū)域的裂紋路徑呈現(xiàn)弧形趨勢(shì)。

圖7 縱向截面上的裂紋擴(kuò)展路徑（內(nèi)焊縫余高已打磨）

2.2.2 水平截面的裂紋擴(kuò)展路徑

按照?qǐng)D2（c）方式進(jìn)行缺陷試樣水平分切，分別對(duì)水平截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ上的裂紋擴(kuò)展路徑進(jìn)行觀測(cè)，裂紋擴(kuò)展路徑如圖8所示。由圖8可知，隨著水平截面由內(nèi)焊縫向外焊縫平移，水平截面上的裂紋終止位置逐漸由HAZ向母材區(qū)域變化，其中水平截面Ⅰ上的裂紋止于HAZ，水平截面Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ上的裂紋則止于母材區(qū)域。

圖8 水平截面上的裂紋擴(kuò)展路徑

2.3 裂紋開(kāi)裂面形貌

2.3.1 縱向截面的裂紋開(kāi)裂面形貌

采用機(jī)械方式將縱向截面的裂紋打開(kāi)，針對(duì)內(nèi)焊縫處的裂紋開(kāi)裂面進(jìn)行形貌觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖9所示。由圖9（a）發(fā)現(xiàn)，裂紋開(kāi)裂面上未發(fā)現(xiàn)氧化特征；區(qū)域1、區(qū)域2與區(qū)域3處均存在方向趨勢(shì)明顯的條狀物，其中區(qū)域1與區(qū)域3的條狀物方向一致，區(qū)域2的條狀物方向與上述區(qū)域?qū)ΨQ；區(qū)域4處條狀物消失，呈現(xiàn)平臺(tái)特征。進(jìn)一步對(duì)圖9（a）中區(qū)域1的顯微形貌觀察發(fā)現(xiàn)，開(kāi)裂面上的條狀物為熔池凝固后焊縫內(nèi)形成的原奧氏體柱狀晶粒，同時(shí)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域焊縫上存在散布的異物（圖9（b）中虛線區(qū)域）。

圖9 縱向截面的裂紋開(kāi)裂面的顯微形貌（內(nèi)焊縫余高已打磨）

圖9（a）中4個(gè)典型區(qū)域顯微形貌如圖10所示。異物周圍呈現(xiàn)準(zhǔn)解離斷裂特征，準(zhǔn)解離面較為平坦，緊鄰異物出現(xiàn)且向周圍擴(kuò)展（見(jiàn)圖10（a））；稍遠(yuǎn)部位呈現(xiàn)準(zhǔn)解離與解離斷裂共存的特征，準(zhǔn)解離面以臺(tái)階狀穿越原奧氏體晶粒（見(jiàn)圖10（b）、圖10（c））；更遠(yuǎn)部位呈現(xiàn)解離斷裂為主的特征，但仍存在少部分準(zhǔn)解離斷裂面（見(jiàn)圖 10（d）～圖 10（g））；內(nèi)焊縫與外焊縫的重疊區(qū)域呈現(xiàn)準(zhǔn)解離斷裂特征（見(jiàn)圖10（h））。由上可知，縱向截面的裂紋開(kāi)裂面整體呈現(xiàn)脆性開(kāi)裂特征。

2.3.2 水平截面裂紋的裂紋開(kāi)裂面形貌

采用機(jī)械方式將水平截面Ⅲ的裂紋打開(kāi)，對(duì)焊縫與HAZ的裂紋開(kāi)裂面形貌進(jìn)行觀測(cè)，觀察結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出裂紋開(kāi)裂面上未發(fā)現(xiàn)氧化特征。

圖10 縱向截面的裂紋開(kāi)裂面典型區(qū)域顯微形貌

圖11 水平截面Ⅲ裂紋開(kāi)裂面的形貌

對(duì)圖11中區(qū)域5、區(qū)域6和區(qū)域7進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫裂紋沿發(fā)達(dá)的柱狀晶粒擴(kuò)展，呈現(xiàn)解離斷裂特征（見(jiàn)圖12（a））；近熔合線處斷口呈現(xiàn)解離斷裂與準(zhǔn)解離斷裂共存的特征（見(jiàn)圖12（b））；遠(yuǎn)熔合線處斷口呈現(xiàn)準(zhǔn)解離特征（見(jiàn)圖12（c））。由上可知，水平截面的裂紋開(kāi)裂面整體呈現(xiàn)脆性開(kāi)裂特征。

2.4 焊縫異物分析

圖13為內(nèi)焊縫表面附近裂紋開(kāi)裂面顯微形貌，由圖13發(fā)現(xiàn)，內(nèi)焊縫表面處存在較多異物，且該類異物深入至焊縫內(nèi)部并與焊縫機(jī)械混合，呈現(xiàn)出環(huán)抱焊縫組織的現(xiàn)象。

圖14為裂紋開(kāi)裂面上多個(gè)異物的顯微形貌。由圖14發(fā)現(xiàn)，裂紋開(kāi)裂面上的異物外觀形貌呈不規(guī)則特征，其內(nèi)部區(qū)域疏松、多孔；異物與焊縫接觸部位出現(xiàn)液態(tài)凝固特征，部分位置出現(xiàn)明顯的液滴狀。對(duì)多個(gè)異物進(jìn)行了能譜分析，能譜分析結(jié)果如圖15所示，異物中的Ca、Mn、Si等元素含量顯著。

圖12 水平截面Ⅲ的裂紋開(kāi)裂面典型區(qū)域顯微形貌

圖13 內(nèi)焊縫表面附近裂紋開(kāi)裂面顯微形貌（余高已打磨）

圖14 裂紋開(kāi)裂面上異物的顯微形貌（內(nèi)焊縫已打磨）

與圖14中裂紋開(kāi)裂面上異物的形貌特征相似，內(nèi)焊縫表面與母材交界處殘留的焊劑形貌如圖16所示，同樣呈現(xiàn)疏松多孔特征。對(duì)殘留焊劑的能譜分析結(jié)果如圖17所示，內(nèi)焊縫焊劑中Ca、Mn、Si等元素含量顯著，其與裂紋開(kāi)裂面上異物的成分組成高度一致。

圖15 裂紋開(kāi)裂面上異物的能譜分析

圖16 內(nèi)焊縫與母材交界處殘留的焊劑形貌

圖17 殘留焊劑的能譜分析結(jié)果

由以上可知，內(nèi)焊縫裂紋開(kāi)裂面上的散布異物為焊接熔池內(nèi)殘留的焊劑顆粒。在高溫熔池環(huán)境中，焊劑顆粒表面受熱熔化，部分位置在接觸到已凝固焊縫組織之前以液滴狀流動(dòng)并逐漸凝固；大塊的殘留焊劑被熔化外殼包裹形成不規(guī)則形狀；因?qū)嵝暂^差，殘留溶劑的內(nèi)部組成仍保留疏松多孔的特征。

3 分析討論

焊接過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋按發(fā)生條件和時(shí)機(jī)可分為熱裂紋和冷裂紋。熱裂紋通常發(fā)生在焊縫金屬的凝固結(jié)晶過(guò)程中，其斷口截面呈現(xiàn)明顯的氧化特征。由本研究觀察結(jié)果可知，X90螺旋埋弧焊管的橫向裂紋屬于冷裂紋。拘束應(yīng)力、淬硬組織和擴(kuò)散氫是產(chǎn)生冷裂紋的三大因素，沿焊縫縱向和橫向都有發(fā)生[9-10]。當(dāng)焊縫的拉應(yīng)力超越材料的強(qiáng)度極限后，材料內(nèi)部將產(chǎn)生裂紋萌生與擴(kuò)展。

鋼管焊接過(guò)程中，伴隨焊絲沿坡口的行進(jìn)，由焊絲與母材形成的熔池因熱源不斷遠(yuǎn)離而逐漸凝固。液態(tài)金屬凝固過(guò)程中伴隨著體積收縮，相應(yīng)地會(huì)與鄰近區(qū)域之間產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。焊接速度越快則焊縫內(nèi)的拉應(yīng)力就顯著。當(dāng)焊接速度增加至一定程度時(shí)，該部位熔池吸收的熱量較少，坡口附近的母材金屬溶解程度減弱，甚至出現(xiàn)未熔現(xiàn)象（見(jiàn)圖5、圖6）。同時(shí)，熔池內(nèi)熱量吸收不充分的熔化金屬流動(dòng)性較差，導(dǎo)致熔池內(nèi)焊劑的上浮效果變差，甚至出現(xiàn)焊劑未充分上浮而被熔化金屬包裹的現(xiàn)象（見(jiàn)圖13、圖14）。

X90螺旋埋弧焊管在焊接成型之后，成型方式不當(dāng)將導(dǎo)致焊縫承受較大制管約束應(yīng)力，且該應(yīng)力方向與焊縫橫截面垂直。為檢驗(yàn)成品鋼管的整體承壓能力和焊縫質(zhì)量，X90螺旋埋弧焊管將承受一定壓力的水壓試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)中，管壁產(chǎn)生的應(yīng)力值通常達(dá)到材料屈服強(qiáng)度的90%以上，且應(yīng)力方向與焊縫橫截面垂直。這兩種應(yīng)力與熔池凝固產(chǎn)生的應(yīng)力疊加導(dǎo)致焊縫內(nèi)的拉應(yīng)力升高。

焊縫中包裹的焊劑導(dǎo)致材料的連續(xù)性遭到破壞，從而使該部位的焊縫橫向截面上應(yīng)力值高于正常截面。若焊劑中殘留有水分，則會(huì)在高溫環(huán)境中引入氫，進(jìn)一步提高了該部位的應(yīng)力集中程度。

形貌觀察發(fā)現(xiàn)被包裹的焊劑表面局部區(qū)域呈球形的小尺寸液滴（見(jiàn)圖14）。由缺口斷裂力學(xué)可知，當(dāng)連續(xù)介質(zhì)中存在不連續(xù)界面時(shí)，應(yīng)力集中程度隨不連續(xù)界面形狀的變化而改變，其中圓形不連續(xù)界面前端的應(yīng)力場(chǎng)可高達(dá)均勻拉應(yīng)力的3倍，極大增加了該部位的開(kāi)裂傾向。

綜上，在焊接工藝不穩(wěn)定條件下，制管工序中焊縫承受的多種拉應(yīng)力疊加后作用于焊縫內(nèi)殘留焊劑部位，導(dǎo)致該部位的拉應(yīng)力超越材料強(qiáng)度極限引發(fā)裂紋萌生和擴(kuò)展，最終形成焊縫內(nèi)的橫向裂紋。

4 結(jié) 論

（1）焊縫橫向裂紋在縱向截面上由內(nèi)焊縫向外焊縫方向擴(kuò)展，而其在水平截面上由焊縫向母材方向擴(kuò)展。

（2）焊接線能量過(guò)小（如焊接速度過(guò)快）導(dǎo)致坡口附近的母材組織未完全熔解，且易在該部位的焊縫中引入異物（如焊劑）。

（3）隨著遠(yuǎn)離起裂源點(diǎn)，裂紋斷口形貌逐漸由準(zhǔn)解離斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榻怆x斷口，整體表現(xiàn)出脆性斷裂特征。

（4）在焊接工藝不穩(wěn)定條件下，制管工序中焊縫承受的多種拉應(yīng)力疊加后作用于焊縫內(nèi)殘留焊劑部位，導(dǎo)致該部位的拉應(yīng)力超越材料強(qiáng)度極限，引發(fā)裂紋萌生和擴(kuò)展。

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Analysis on Transverse Crack in Weld of X90 SAWH Pipe

CUI Lei,XU Jinqiao,LI Liwei,ZOU Hang,XU Feng,WANG Junlin,LIU Xiaoguo
（Research Institute,Wuhan Iron and Steel Corporation,Wuhan 430080,China）

TG457.11

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.05.006

2017-03-20

編輯：黃蔚莉

崔 雷（1983—），男，工程師，主要從事高鋼級(jí)管線鋼產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。