厚壁螺旋埋弧焊管焊縫反彎試驗斷裂原因分析*

李平利， 席敏敏， 田 磊， 李中祥，韋 奉， 蘆 琳， 宋海輝， 馮 敏

（1. 陜西省天然氣股份有限公司， 西安710016；2. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞721008；3. 國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心， 陜西 寶雞721008；4. 西安市現(xiàn)代理化檢測服務(wù)有限公司， 西安710199）

0 前 言

隨著我國石油天然氣工業(yè)的飛速發(fā)展， 油氣輸送用管材也朝著大輸量方向邁進， 高鋼級、 大直徑、 厚壁螺旋埋弧焊管得到了廣泛的應(yīng)用， 對相應(yīng)管材的力學(xué)性能指標要求也更為嚴苛[1-3]。 埋弧焊管焊縫導(dǎo)向彎曲性能是其力學(xué)性能的一項重要指標， 可用于檢測焊接工藝、 表面缺陷以及研究焊接接頭抵抗彎曲塑性變形的能力[4-6]。 因此，分析螺旋埋弧焊管， 特別是厚壁螺旋埋弧焊管焊縫反彎試驗斷裂的原因， 并找出相應(yīng)解決措施，對保證高鋼級、 大直徑、 厚壁焊管質(zhì)量以及重大管道的安全運行十分重要。 本研究針對某壁厚為21.4 mm 螺旋埋弧焊管焊縫反彎試驗斷裂原因進行了分析。

1 試驗準備

螺旋埋弧焊管焊縫導(dǎo)向彎曲試樣制備如圖1所示。 導(dǎo)向彎曲試驗設(shè)備為300 kN 電子萬能試驗機， 彎頭直徑190 mm， 彎曲180°。 斷口SEM試驗設(shè)備為日立S-3700N 型掃描電子顯微鏡。

圖1 螺旋埋弧焊管焊縫導(dǎo)向彎曲試樣制備示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 斷口宏觀形貌

反彎試驗試樣實物照片如圖2 所示， 試樣斷裂于焊縫中心處（在進行彎曲試驗前表面無肉眼可見缺陷）。 試樣斷口橫截面宏觀形貌如圖3 所示，自上而下分別為內(nèi)焊、 內(nèi)外焊交界及外焊部位。

圖2 反彎試驗試樣實物照片

由圖3 可見， 斷口存在明顯形貌異常區(qū)域，內(nèi)焊處存在一條銀白色帶狀區(qū)域 （黃色虛線標記）， 該區(qū)域縱向貫穿試樣內(nèi)焊縫， 帶狀區(qū)域左右兩端呈發(fā)散狀的撕裂棱 （紅色虛線標記）， 初步判斷該試樣從此形貌異常區(qū)域處起裂。

圖3 試樣斷口橫截面宏觀形貌

2.2 斷口內(nèi)焊部位微觀形貌

對斷口內(nèi)焊部位進行SEM 觀察， 發(fā)現(xiàn)形貌異常區(qū)域內(nèi)存在相互連接的蠶形凹坑， 凹坑底部有未完全交接融合的柱狀晶； 形貌異常區(qū)域凹坑邊部及下方零散分布有尺寸較大的夾雜物， 其余部位呈韌窩形貌， 具體情況如下。

2.2.1 形貌異常區(qū)域

斷口形貌異常區(qū)域SEM 形貌如圖4 所示。由圖4 可以看出， 形貌異常區(qū)域凹坑內(nèi)存在多處粗大柱狀晶， 圖4 （a） 中視域內(nèi)凹坑底部最大柱狀晶區(qū)域整體寬度約1.0 mm， 高度約0.4 mm，其周邊部位存在撕裂棱及微裂紋； 相應(yīng)的柱狀晶微觀形貌如圖4 （b） 所示， 柱狀晶生長方向垂直于焊縫表面， 多數(shù)晶粒表面光滑， 起伏不平，晶粒之間存在多處縫隙， 并未完全交接融合。 柱狀晶區(qū)域以沿晶斷裂形貌為主， 小部分呈穿晶斷裂形貌。

金屬在凝固末期， 在固相線Ts附近， 晶體交織長合成枝晶骨架， 這時晶體本身可發(fā)生強烈變形， 但晶體間殘存的液相則不易自由流動， 在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微小縫隙將無法填充[7]， 隨著溫度繼續(xù)下降， 產(chǎn)生凝固裂紋。 螺旋焊管內(nèi)焊縫凝固裂紋的分布特征是沿焊縫縱向分布[8-9]。 圖4所示柱狀晶區(qū)域內(nèi)大多數(shù)晶粒表面光滑， 為液膜分離的斷口特征， 再結(jié)合柱狀晶垂直于焊縫表面的生長方向以及縱向斷續(xù)貫穿分布于內(nèi)焊縫的特征， 判斷此區(qū)域為熱裂紋中的凝固裂紋。 對于螺旋焊管， 上述拉伸應(yīng)力可包含焊接應(yīng)力及管坯成型殘余應(yīng)力。 在進行反彎試驗時， 隨著彎曲載荷的增大， 反彎試樣上多處微小凝固裂紋從邊緣起裂， 之后裂紋逐步向周邊擴展， 最后與周圍的裂紋彼此連接， 最終導(dǎo)致試樣斷裂。

2.2.2 夾雜物

大尺寸夾雜物SEM 形貌如圖5 所示。 依據(jù)標尺， 夾雜物-1 直徑最大處約50 μm， 呈黑色，橢球形， 玻璃質(zhì)， 從形貌及色澤特征判斷為硅酸鹽類夾雜物； 夾雜物-2 直徑最大處約25 μm，呈球形， 色澤明亮； 兩個夾雜物均屬于尺寸較大的夾雜物。 兩個夾雜物周圍均為放射狀花樣， 呈準解理斷裂形貌。

圖5 大尺寸夾雜物SEM 形貌

對夾雜物-2 進行EDS 點掃描 （圖5 （b） 中紅色方框）， 掃描結(jié)果見表1。 由表1 可判斷出夾雜物是由Al2O3、 MgO 等簡單氧化物復(fù)合而成的復(fù)雜化合物， 一般由焊劑熔渣與熔池金屬的冶金反應(yīng)帶入[10-11]。

表1 夾雜物-2 EDS 掃描結(jié)果

夾雜物與基體金屬在塑性上差別較大， 在金屬變形過程中， 夾雜物不能跟隨基體金屬相應(yīng)地發(fā)生變形， 致使周圍應(yīng)力集中越來越大， 從而導(dǎo)致其與基體金屬脫開而產(chǎn)生微裂紋， 隨著變形的不斷進行， 微裂紋不斷產(chǎn)生并向周圍擴展。 此反彎試樣焊縫中尺寸較大的夾雜物在彎曲載荷的作用下構(gòu)成了一定的裂紋源， 破壞了焊縫的韌性，加速了試樣的斷裂。 此外， 尺寸較大的夾雜物對于焊縫凝固裂紋的產(chǎn)生也有促進作用[12]。

2.2.3 其他區(qū)域

斷口內(nèi)焊其他區(qū)域微觀形貌如圖6 所示， 均為韌窩形貌， 呈塑性斷裂， 由此可見， 原有焊材匹配下的焊縫韌性良好。

圖6 斷口內(nèi)焊其他區(qū)域SEM 形貌

2.3 斷口內(nèi)外焊交界部位微觀形貌

斷口內(nèi)外焊交界部位微觀形貌如圖7 所示，由圖7 可以看出有明顯的呈方向性生長的枝晶，呈準解理斷裂形貌。 內(nèi)外焊交界部位的SEM 試驗未見尺寸較大的夾雜物以及其他形貌異常的區(qū)域。

圖7 斷口內(nèi)外焊交界部位SEM 形貌

2.4 斷口外焊部位微觀形貌

斷口外焊部位微觀形貌如圖8 所示。 外焊上部主要為河流花樣， 有明顯解理臺階， 其次有眾多撕裂棱及小部分韌窩， 呈解理+準解理+韌窩斷裂形貌； 外焊下部主要有眾多撕裂棱， 其次為韌窩， 呈準解理+韌窩形貌， 為正常撕裂形貌。 SEM試驗未見尺寸較大的夾雜物及其他形貌異常區(qū)域。

圖8 斷口外焊部位SEM 形貌

3 討論與建議

此次反彎試樣斷裂的主要原因是內(nèi)焊部位縱向斷續(xù)分布有多處凝固裂紋， 而尺寸較大夾雜物的存在也在一定程度上破壞了焊縫的韌性， 加速了試樣的斷裂。

熱裂紋具有高溫斷裂的性質(zhì)， 發(fā)生高溫沿晶斷裂的條件是， 高溫階段晶間的延性或塑性變形能力δmin不足以承受當(dāng)時應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變量ε[7]。因而控制凝固裂紋的產(chǎn)生主要應(yīng)控制焊接過程中作用于焊縫部位的拉應(yīng)力。 螺旋焊管采用三輥彎板的原理進行冷成型， 成型過程會產(chǎn)生周向、 軸向、 徑向應(yīng)力， 管坯成型后的殘余應(yīng)力可導(dǎo)致后續(xù)鋼管焊接熱裂紋的產(chǎn)生， 因此從控制成型工藝的角度進行考慮： ①采用設(shè)計最佳成型角度[13]， 并在生產(chǎn)過程中控制成型角度的穩(wěn)定性， 盡可能避免錯邊、 縫松等缺陷； ②控制1#、 2#、 3#成型輥對鋼帶的有效變形量， 盡可能降低管坯在成型過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。 此外， 控制焊縫成型系數(shù)， 在保證內(nèi)外焊縫重合量的前提下， 通過調(diào)整焊接電流及電壓， 使焊縫形貌變寬變平， 這樣不僅可以降低焊接應(yīng)力， 還可以減小焊縫中心區(qū)域的偏析程度， 避免內(nèi)焊縫在熔池凝固過程中產(chǎn)生凝固裂紋。

內(nèi)焊大尺寸夾雜物的控制主要從焊劑方面著手： ①在保證性能匹配的前提下， 盡可能地選用雜質(zhì)含量低的管線鋼專用焊劑[14-15]， 或?qū)?yōu)質(zhì)堿性焊劑與普通焊劑按比例混合使用， 提高質(zhì)量，降低成本； ②嚴格按照使用要求對焊劑進行烘干以及雜質(zhì)篩除等， 避免夾雜。

4 結(jié) 論

（1） 焊縫反彎試樣斷裂主要原因是內(nèi)焊部位存在多處凝固裂紋及尺寸較大夾雜物的焊接缺陷。

（2） 可通過控制最佳成型角的穩(wěn)定性、 保證鋼帶有效變形量以及調(diào)整焊縫形貌使其變寬變平的方式降低管坯殘余應(yīng)力及焊接應(yīng)力， 從而避免內(nèi)焊凝固裂紋的產(chǎn)生。

（3） 可通過選用雜質(zhì)含量低的優(yōu)質(zhì)堿性焊劑、 按要求對焊劑進行烘干以及雜質(zhì)篩除等措施來避免焊縫產(chǎn)生尺寸較大的夾雜物， 同時也可降低焊縫中心偏析程度， 提高焊縫質(zhì)量。