某X65鋼級輸氣管道環(huán)焊縫泄漏失效分析

劉奎榮，豐振軍，王明波

（1.中國石油西南管道公司，成都 610041；2.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710065）

1 概 述

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。 由于焊接接頭由母材、 焊縫及熱影響區(qū)組成，各部分的力學(xué)性能存在一定差異，從而焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會受到焊接接頭材料不均勻性的影響[1-3]。 據(jù)統(tǒng)計，環(huán)焊縫失效的主要原因為焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，特別是根焊、 返修及補焊質(zhì)量較差，也有個別是附加載荷引起的，其防治重點應(yīng)放在管線建設(shè)質(zhì)量控制上[4-11]。

某輸氣管道為X65 鋼級，規(guī)格為Φ916 mm×28.6 mm，其中一處三通支管與短節(jié)對接環(huán)焊縫發(fā)生泄漏失效。 現(xiàn)場氣割獲得的環(huán)焊縫試樣不完整，試樣只保留了一半焊縫，且環(huán)焊縫斷口上大部分區(qū)域呈藍(lán)黑色氣割斷面特征，在約260 mm 長的局部發(fā)現(xiàn)有鐵銹痕跡，表明該處未被搶修時的氣割所影響，應(yīng)為焊縫泄漏處。失效試樣如圖1 所示（1 號標(biāo)識為泄漏處），斷口未被氣割影響區(qū)域如圖2 所示。 本研究以該輸氣管線環(huán)焊縫泄漏原因開展失效分析，為油氣管道安全運行提供參考。

圖1 失效試樣照片

圖2 斷口上未被氣割影響的區(qū)域

2 試驗分析

2.1 無損檢測

采用X 射線對試樣管體及焊縫進行無損檢測，經(jīng)檢測管體未發(fā)現(xiàn)缺陷，焊縫1 號標(biāo)記處存在裂紋缺陷。 焊縫檢測結(jié)果如圖3 所示。

2.2 硬度試驗

圖3 焊縫X 射線檢測結(jié)果

根據(jù)試樣情況，在圖1 所示環(huán)焊縫標(biāo)記的1號、 2 號和3 號部位3 處分別取樣，對應(yīng)試樣編號分別為 1#、 2#和 3#。 利用 KB 30BVZ-FA 硬度試驗機，按照ASTM E92-17 標(biāo)準(zhǔn)進行硬度試驗，測試點位置如圖4 所示，試驗結(jié)果見表1。

圖4 焊接接頭硬度測試點位置示意圖

表1 環(huán)焊縫維氏硬度試驗結(jié)果

2.3 金相分析

對圖1 環(huán)焊縫的3 個不同位置分別取樣，進行了金相分析。 其中1 號位置裂紋呈內(nèi)寬外窄形態(tài)，如圖5 所示，表明裂紋是由內(nèi)表面向外表面擴展。

利用 MEF4A 金相顯微鏡，按照 GB/T 13298—2015 標(biāo)準(zhǔn)對 2 號部位及 3 號部位試樣進行低倍金相觀察，如圖6 所示。 環(huán)焊縫組織形貌如圖7 所示。 從圖5～圖7 可以看出，原始焊接組織未見明顯異常，但組織有脫碳現(xiàn)象（見圖8），分析原因系現(xiàn)場火焰切割高溫?zé)齻隆?/p>

圖5 1 號部位裂紋處金相組織

圖6 環(huán)焊縫低倍金相形貌

圖7 焊接接頭金相組織形貌

圖8 1 號裂紋處金相組織 （脫碳）

圖9 裂紋附近高倍形貌 （疏松組織）

用OLS 4100 激光共聚焦顯微鏡對裂紋形貌及周圍組織進行觀察，如圖9 所示。 從圖9可以看出，1 號部位焊縫裂紋附近存在疏松組織，大部分疏松組織呈封閉狀態(tài)，部分疏松組織邊緣可看見部分小裂紋，周圍組織未見明顯變形。

2.4 掃描電鏡及能譜分析

采用VEGAⅡ掃描電鏡對1 號部位裂紋進行觀察，通過INCA 360 EDS 能譜儀對裂紋內(nèi)疏松組織進行分析，結(jié)果如圖10 所示。 1 號部位裂紋內(nèi)疏松組織主要元素為鐵和氧，其他元素為鋁、 硅、鈣、 硫，該疏松組織為焊接時未清理干凈的焊渣。

圖10 裂紋處組織形貌及能譜分析

3 結(jié)果分析

在失效試樣宏觀檢查中，發(fā)現(xiàn)焊接接頭存在裂紋，裂紋起源于環(huán)焊縫內(nèi)表面，向環(huán)焊縫外表面擴展。 裂紋內(nèi)存在疏松組織，根據(jù)能譜分析可知，一些是鐵的氧化物，一些主要元素為鋁、 硅、鈣、 硫，該灰色物質(zhì)為焊接時未清理干凈的焊渣。

夾渣的存在，減小了承載截面積，該處存在較大的應(yīng)力集中，在較高的應(yīng)力狀態(tài)下，夾渣處極易萌生裂紋，是焊縫結(jié)構(gòu)中最危險的部位之一。 焊縫產(chǎn)生的夾渣影響因素較多： ①與焊接參數(shù)選擇不當(dāng)有關(guān)，如焊接線能量過小、 電弧偏吹和焊條藥皮偏心等；②與焊工操作有關(guān)，如電弧離坡口過遠(yuǎn)、 運條不當(dāng)、 擺動時在兩端停留時間過短以及焊條直徑或種類選擇不當(dāng)和焊絲傾角不合適等；③焊接時前一層焊道清理不干凈，而且熔渣又未能完全排出或者前一層焊縫中間凸起過大，致使清渣困難，焊接產(chǎn)生的熔渣也不容易排出而造成。 另外，由于夾渣在射線底片上的影像特征因產(chǎn)生的位置而有所不同，只有當(dāng)射線透照方向平行于熔合面時，才有明顯的特征[12-15]。 夾渣會明顯影響環(huán)焊縫的性能，減少了焊縫的有效橫截面積，降低了焊接接頭的強度和韌性，并且破壞了焊縫金屬的連續(xù)性，在外力作用和內(nèi)壓作用下，夾渣處極易萌生裂紋，裂紋相互貫穿成穿透性裂紋。

綜上所述，該焊接接頭存在夾渣缺陷，夾渣在焊縫中形成裂紋源和應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響了焊縫的性能，在管道敷設(shè)后進行的水壓試驗中，局部焊縫承受不了所加載荷，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生開裂而發(fā)生泄漏。

4 結(jié) 論

（1） 焊接接頭根部存在夾渣缺陷，夾渣在焊縫中形成裂紋源和應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響了焊縫的性能，這是造成環(huán)焊縫形成裂紋的主要原因。

（2） 在管道敷設(shè)后進行的水壓試驗中，局部焊縫承受不了所加載荷，在外力作用和內(nèi)壓作用下，夾渣處裂紋相互貫穿成穿透性裂紋，裂紋由內(nèi)表面向外表面擴展，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生開裂而發(fā)生泄漏。