X80管線鋼環(huán)焊縫力學(xué)性能及缺陷成因分析

楊鋒平1，許 彥1，曹國飛，吳明暢

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077;2.中國石油西氣東輸管道公司，上海 200120)

0 引言

環(huán)焊縫作為油氣管道輸送系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，是最易發(fā)生失效的部位[1]。相比過去，近年來隨著高鋼級、大口徑、高壓力天然氣管道的大量使用，一次失效造成的損失更大。2017～2019年，國內(nèi)大口徑天然氣管道3年連續(xù)發(fā)生3起環(huán)焊縫開裂燃爆事件，造成巨大社會影響。為保證輸氣管道環(huán)焊縫長周期安全服役，2017年9月，以中國石油環(huán)焊縫隱患排查開始為標志，全國范圍內(nèi)掀起了油氣管道環(huán)焊縫隱患排查治理的高潮。對于隱患排查過程中發(fā)現(xiàn)的含裂紋缺陷的環(huán)焊縫，各管道運營公司采取了換管或加裝B型套筒進行永久性修復(fù)的方法。

影響環(huán)焊縫安全服役的三要素分別為環(huán)焊縫缺陷性質(zhì)及尺寸、力學(xué)性能和承受的載荷。文獻[2-4]對油氣管道環(huán)焊縫缺陷分類和產(chǎn)生原因進行了討論，并提出了相應(yīng)控制措施。李朋[5]基于射線底片，對X80環(huán)焊縫缺陷進行了分析，認為焊接執(zhí)行過程人機料法環(huán)之中某個或某幾個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題。郭靜薇[6]對X80環(huán)焊縫返修層數(shù)進行了試驗研究，認為采用嚴格的返修工藝，即使返修5次，也不會影響環(huán)焊縫焊接接頭的性能。文獻[7-8]對管道環(huán)焊縫返修工藝進行了研究，認為鋼級越高，返修質(zhì)量越難控制。任俊杰等[9]對高鋼級管道環(huán)焊縫斷裂行為進行了綜述研究，探討使用各種方法對環(huán)焊縫斷裂機理進行深入剖析。徐學(xué)利等[10-12]研究X80管體化學(xué)成分對環(huán)焊縫焊接韌性的影響，以及討論避免環(huán)焊縫產(chǎn)生缺陷的方法。

上述研究為油氣管道環(huán)焊縫缺陷的成因分析和治理提供了良好研究基礎(chǔ)，但缺少真實服役含缺陷環(huán)焊縫的實際性能以及缺陷類型，因此，本文以5起在役X80天然氣管道含缺陷環(huán)焊縫為例，進行力學(xué)性能試驗和缺陷解剖分析，掌握實際力學(xué)性能水平和缺陷成因，從而更好地預(yù)測在役環(huán)焊縫的服役特性，提高在役管道安全管控水平，提升在建管道質(zhì)量。

1 沖擊試驗及分析

依據(jù)GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》對樣品進行加工和試驗，結(jié)果見表1。本次試驗樣本數(shù)量為66個，其中焊縫中心36個，熔合線30個，小于技術(shù)條件[13]要求的數(shù)量為15個，不合格率為22.7%?？紤]到環(huán)焊縫熔合線具有斜度，沖擊試樣開缺口時無法精確定義熔合線，因此若按焊縫中心位置進行統(tǒng)計分析，則焊縫中心不合格數(shù)量12個，不合格率33%。對焊縫中心36個樣本數(shù)量進一步分析可知，樣本分布圖如圖1所示，其均值為85.0 J，標準差為51.7 J，小于技術(shù)要求值60 J的概率為31.4%。

表1 取樣環(huán)焊縫夏比沖擊試驗結(jié)果(材料X80、試驗溫度-10 ℃)

圖1 夏比沖擊吸收功分布圖(樣本數(shù) 36)

2 拉伸性能試驗

依據(jù)Q/SY GJX 0110—2007《西氣東輸二線管道工程線路焊接技術(shù)規(guī)范》和GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對環(huán)焊縫進行規(guī)定位置取樣并試驗，試驗數(shù)量20個,試驗按標準要求不去余高，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 拉伸性能結(jié)果

注：試樣尺寸：長×寬×厚=300 mm×25 mm×t

由此可知，所檢環(huán)焊縫的抗拉強度滿足技術(shù)條件[12]要求?？紤]到焊縫存在余高，計算抗拉強度時仍采用母材壁厚，因此對于斷于焊縫的試樣，表中的抗拉強度偏高。由結(jié)果還可知，斷于焊縫的樣品為11件，斷于母材9件，從頻次上講，現(xiàn)有環(huán)焊縫接頭與母材的匹配度偏弱。

3 硬度試驗及分析

依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》，對環(huán)焊縫進行HV10維氏硬度試驗，如圖2所示，試驗結(jié)果見表3,4。本次試驗樣本數(shù)量為80個，其中根焊10個、蓋面焊10個、熔合線40個、管體母材20個，試驗結(jié)果均符合技術(shù)條件要求值不超過300，合格率為100%。但相互比較可以發(fā)現(xiàn)，不論是蓋面焊、熔合線還是根焊部位，環(huán)焊縫處的硬度低于母材。由于硬度一定意義上代表了強度，故可以推測，實際環(huán)焊縫抗拉強度低于母材，環(huán)焊縫必須具有一定的余高才能保證環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)強度不低于母材，保證結(jié)構(gòu)的等匹配。進一步分析可知，環(huán)焊縫根焊位置的硬度均值最小，比管體母材低12.3%，且根焊硬度值離散程度最大。

圖2 焊接接頭維氏硬度HV10試驗壓痕位置示意

本文5個X80對接環(huán)焊縫樣品采用的焊接工藝規(guī)程(WPS)均為：根焊采用焊條電弧焊(SMAW)，焊材為AWS A 5.1 E7016，焊條直徑?3.2 mm；填充蓋面采用自保護藥芯焊絲半自動焊，焊材為AWS A 5.29 E81T8-Ni2/ E81T8-G，焊條直徑?2.0 mm，推薦的焊道厚度約為3 mm。由此可知，根焊硬度低的原因是使用了強度相對較低的焊條。雖然根焊強度低，但韌性好，更有利于成型。該設(shè)計首先考慮焊接接頭與母材在強度上至少保持等匹配，再次考慮到根焊時受力更為復(fù)雜，采用韌性較好、強度較低的焊材可以減少缺陷的產(chǎn)生幾率，同時增加缺陷抗擴展能力。但是當較大外部載荷作用于管道上時，根焊強度偏低可能導(dǎo)致該處首先變形，最先失效。

表3 維氏硬度HV10試驗結(jié)果

注：依據(jù)圖2，壓痕位置12,13為根焊位置；4,5為蓋面焊位置；2,3,6,7,10,11,14,15為熔合線位置；1,8,9,16為管體母材位置

表4 維氏硬度HV10統(tǒng)計分析

4 缺陷解剖及分析

4.1 環(huán)焊縫金相截面分析

分別在環(huán)焊縫的0點(平焊)、3點(立焊)、6點(仰焊)位置取樣進行金相分析，典型低倍照片如圖3所示，由圖可以看出：

(1)0點、3點位置焊接的層數(shù)、道數(shù)明顯優(yōu)于6點位置，對比焊接工藝規(guī)程要求，6點位置缺層少道現(xiàn)象嚴重；

(2)雖然0點、3點位置優(yōu)于6點位置，但總體焊接均未嚴格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程。蓋面焊道的厚度普遍在5～8 mm，而工藝要求為2～3 mm，由此導(dǎo)致焊縫組織粗大，韌性降低，但是，分析缺陷位置，可知雖然蓋面焊不符合工藝要求，但裂紋并未在此產(chǎn)生或擴展。

圖3 典型環(huán)焊縫剖面金相低倍圖

4.2 缺陷分析

5處缺陷信息見表5，典型圖片見圖4。分析可知，切割換管前認為5處缺陷均為裂紋或疑似裂紋等危害性缺陷，解剖后裂紋2處，未熔合2處，孔洞1處。對于缺陷尺寸，解剖前后也有較大差異，以解剖后的缺陷尺寸為基準，對比可知長度、深度誤差見圖5，長度最大誤差76.9%，平均誤差20.4%，正誤差占4個，相對保守。自身高度最大誤差240.6%，平均誤差40.5%，正誤差占3個，不夠理想。特別是2#缺陷，裂紋自身高度達到7.3 mm，為壁厚的39.7%，但未切割更換前僅報了3.7 mm，檢測未有效預(yù)報缺陷的危害性，該缺陷屬于埋藏型缺陷。由此可知，缺陷性質(zhì)和尺寸的差異說明，雖然現(xiàn)有在役環(huán)焊縫無損檢測方法采取了RT，PAUT和TOFD組合，但還是無法準確描述缺陷，需要相關(guān)行業(yè)共同推動檢測技術(shù)的進步。

表5 缺陷信息

圖4 5處缺陷照片

圖5 解剖前后缺陷尺寸誤差分析

1#，2#，3#環(huán)焊縫缺陷焊接的層數(shù)均為4層左右，而工藝要求值需要6～7層，且2#，3#均存在根焊違規(guī)內(nèi)壁補焊，補焊并未把原始缺陷完全消除，說明管道建設(shè)時期，焊接工藝的執(zhí)行存在隱患。3處裂紋缺陷均位于6點仰焊部位，屬于下向焊收弧處，客觀上焊接較為困難，而該處焊接層數(shù)道數(shù)比其他部位更差，說明電壓電流等焊接參數(shù)不在最佳范圍，這些均是缺陷產(chǎn)生的主要原因。

5 結(jié)論

(1)5道X80輸氣管道環(huán)焊縫36個焊縫中心沖擊試驗表明，夏比沖擊吸收功不合格概率為31.4%。

(2)環(huán)焊縫抗拉強度和維氏硬度試驗均滿足標準要求。未去余高情況下，拉伸試驗斷于焊縫的概率55%。環(huán)焊縫區(qū)域熔合線部位、蓋面焊部位、根焊部位維氏硬度值均低于母材，其中根焊最低，比母材低12.3%，且離散度最大。

(3)環(huán)焊縫缺陷多位于6點仰焊位置，且該位置焊接缺層少道現(xiàn)象嚴重，并存在根焊內(nèi)壁補焊。環(huán)焊縫缺陷多為未熔合缺陷或由未熔合引起的裂紋缺陷，不規(guī)范焊接是引起缺陷的主要原因。

(4)現(xiàn)有RT+PAUT+TOFD組合式無損檢測技術(shù)仍無法準確檢測環(huán)焊縫缺陷尺寸，特別是對于缺陷自身高度，平均誤差達到40.5%，最大負誤差49.3%。