X80鋼管螺旋焊縫裂紋原因分析

趙 康

(中石油管道有限責(zé)任公司西部分公司 新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

目前，西氣東輸二線、西氣東輸三線、中俄東線等重大油氣管道工程已大規(guī)模采用國產(chǎn)X80螺旋焊管，其服役長(zhǎng)度超過5 000 km，服役時(shí)間超過10 a，產(chǎn)品質(zhì)量服役情況良好，這是因?yàn)榇罂趶礁咪摷?jí)螺旋埋弧焊管生產(chǎn)經(jīng)過多年發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)、檢驗(yàn)水平、質(zhì)量控制等均達(dá)到了較高水平[1-3]。

X80螺旋焊管生產(chǎn)過程中主要檢驗(yàn)程序?yàn)閇4]：原料入廠檢驗(yàn)、水壓前X射線檢測(cè)(逐根，100%全焊縫)、焊縫補(bǔ)焊(如有缺陷)、水壓試驗(yàn)(逐根)、理化試驗(yàn)(規(guī)定批次)、水壓后超聲波檢測(cè)(逐根，100%全焊縫自動(dòng)檢測(cè)、母材管端自動(dòng)檢測(cè)、盲區(qū)及補(bǔ)焊縫手動(dòng)檢測(cè))、水壓后X射線檢測(cè)(逐根，100%全焊縫檢測(cè)，管端、補(bǔ)焊縫抓圖或拍片)、管端手動(dòng)超聲波檢測(cè)(逐根，100%管端端面，如有要求可用其他表面缺陷檢測(cè)方法[5])、成品檢驗(yàn)(逐根，外觀、幾何尺寸等)。除此之外，業(yè)主單位還引入第三方駐廠監(jiān)造機(jī)構(gòu)按監(jiān)造程序?qū)︿摴茉牧稀摴苌a(chǎn)、鋼管檢驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)，并形成監(jiān)造記錄[6-8]。由此可見， X80螺旋焊管有嚴(yán)格的生產(chǎn)程序、質(zhì)量控制程序和第三方監(jiān)督檢驗(yàn)，可使X80螺旋焊管質(zhì)量符合使用要求。

眾所周知，管體或焊縫裂紋對(duì)管線安全運(yùn)行危害極大，本文分析一起國產(chǎn)X80鋼管螺旋焊縫裂紋缺陷，并通過缺陷原因分析，提出了鋼管質(zhì)量控制建議。

1 裂紋概況

對(duì)某在役輸氣管線內(nèi)檢測(cè)時(shí)檢測(cè)儀器上出現(xiàn)了異常信號(hào)，經(jīng)過超聲波無損檢測(cè)和X射線檢測(cè)，確定該管線一處螺旋焊縫存在內(nèi)部裂紋型缺陷[9]。為了確保管線安全運(yùn)行，對(duì)存在裂紋的輸送鋼管進(jìn)行了更換。將存在裂紋的輸送鋼管進(jìn)行切割并對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行外觀檢查，檢查后發(fā)現(xiàn)其內(nèi)表面存在長(zhǎng)度約55 mm的裂紋，如圖1所示。含裂紋缺陷鋼管為X80螺旋焊縫鋼管，其尺寸規(guī)格為Φ1 219 mm×18.4 mm，出廠前記錄顯示其各項(xiàng)指標(biāo)合格，生產(chǎn)記錄顯示對(duì)該鋼管進(jìn)行了兩次補(bǔ)焊。

圖1 X80螺旋焊管裂紋缺陷處內(nèi)表面外觀形貌

2 水壓試驗(yàn)

根據(jù)SY/T 5992—2012《輸送鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)方法》，對(duì)切取的具有裂紋缺陷的管段進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)管段試樣長(zhǎng)度為9.99 m，其外表面有部分防腐層，裂紋距離管端3.15 m，如圖2所示。

圖2 水壓試驗(yàn)管段形貌

2.1 試樣檢驗(yàn)

試驗(yàn)前對(duì)試樣的外觀、壁厚、周長(zhǎng)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果均符合訂貨技術(shù)條件的要求。對(duì)缺陷附近400 mm×400 mm范圍內(nèi)進(jìn)行5×5點(diǎn)壁厚測(cè)試，結(jié)果也滿足訂貨技術(shù)條件的要求。對(duì)試樣的含缺陷部位進(jìn)行射線檢測(cè)、相控陣檢測(cè)、常規(guī)超聲波檢測(cè)等無損檢測(cè)，相控陣和射線檢測(cè)后確定其內(nèi)表面缺陷長(zhǎng)度約為60 mm，超聲波檢測(cè)后確定其內(nèi)表面缺陷長(zhǎng)度約為120 mm，如圖3所示。

圖3 無損檢測(cè)確定的缺陷外表面長(zhǎng)度

2.2 水壓試驗(yàn)結(jié)果

試樣在3.6 MPa、7.2 MPa、12.0 MPa(設(shè)計(jì)壓力)、13.2 MPa(管道現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)壓力值)和16.0 MPa(鋼管出廠時(shí)的水壓壓力)靜水壓條件下分別保壓900 s、900 s、1 800 s、900 s和900 s，未發(fā)生泄漏；繼續(xù)加壓至23.5 MPa時(shí)，焊縫裂紋處泄漏，開裂泄漏部位的內(nèi)表面裂紋長(zhǎng)度約為55 mm，外表面裂紋長(zhǎng)度約為16 mm，開裂泄漏部位內(nèi)表面和外表面形貌如圖4和圖5所示。

圖4 泄漏缺陷處內(nèi)表面形貌

圖5 泄漏缺陷處外表面形貌

3 斷口分析

3.1 裂紋宏觀分析

裂紋位于焊縫中心部位，其中內(nèi)表面長(zhǎng)度為55 mm，外表面長(zhǎng)度為16 mm，裂紋缺陷最長(zhǎng)為64 mm。裂紋缺陷由內(nèi)表面至外表面的垂直深度為15 mm，如圖 6所示。從圖6可見，靠近內(nèi)表面的裂紋缺陷為焊接缺陷，為螺旋焊縫焊接時(shí)形成，長(zhǎng)度為55 mm，最深約為7 mm(圖6紅色實(shí)線所包含的部位)；圖6中扇形部分為擴(kuò)展區(qū)，長(zhǎng)度約為42 mm，其深度約為11 mm(圖6藍(lán)色虛線所包含的部位)，該裂紋可能產(chǎn)生于鋼管生產(chǎn)時(shí)工廠水壓試驗(yàn)或管道建設(shè)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)。

圖6 裂紋缺陷形貌

斷口的另一個(gè)明顯特征是環(huán)氧樹脂減阻劑已經(jīng)進(jìn)入了缺陷內(nèi)部，如圖7所示，說明該缺陷在鋼管出廠前已經(jīng)存在。

圖7 斷口內(nèi)表面局部放大圖示(紅色部分為鋼管內(nèi)減阻涂層)

3.2 裂紋表面掃描電鏡微觀分析

在裂紋位置取樣，用TESCAN-VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡對(duì)裂紋形成的斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，結(jié)果表明，斷口表面無明顯疲勞特征，裂紋起源于鋼管內(nèi)表面，裂紋表面微觀形貌如如圖8所示。裂紋從內(nèi)表面至外表面的垂直深度約為6.4 mm，在距內(nèi)表面2 mm處斷口形貌為平整的自由表面，其余部位斷口表面不平整，由此可見，該裂紋形成原因?yàn)楹附咏饘傥慈诤?，即為焊接熱裂紋。

圖8 位于2 mm深度處的自由表面形貌

3.3 金相分析

在裂紋缺陷區(qū)域切取一個(gè)試樣，對(duì)其截面金相低倍形貌進(jìn)行分析，并與正常的螺旋焊縫金相低倍形貌進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。從圖9可見，裂紋缺陷區(qū)域進(jìn)行了補(bǔ)焊，根據(jù)補(bǔ)焊焊道形貌可知，該補(bǔ)焊為外補(bǔ)焊，但補(bǔ)焊深度沒有達(dá)到內(nèi)表面，另外根據(jù)斷面上發(fā)現(xiàn)的內(nèi)表面原始缺陷，說明補(bǔ)焊沒有消除內(nèi)表面焊接原始缺陷。

圖9 金相分析及低倍金相形貌對(duì)比

4 裂紋形成原因分析

根據(jù)工廠生產(chǎn)記錄，工廠對(duì)該含裂紋缺陷的X80螺旋焊縫鋼管進(jìn)行了補(bǔ)焊，補(bǔ)焊后X射線檢測(cè)結(jié)果為合格，隨后對(duì)其進(jìn)行了16 MPa水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)結(jié)果為合格，并且水壓試驗(yàn)后進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，結(jié)果為合格。根據(jù)工廠的螺旋焊縫鋼管生產(chǎn)工藝，螺旋焊縫鋼管各項(xiàng)檢驗(yàn)合格后被運(yùn)送至防腐車間進(jìn)行鋼管的內(nèi)表面和外表面防腐處理。

斷口金相低倍形貌表明，含裂紋缺陷的X80螺旋焊縫鋼管的缺陷處進(jìn)行了補(bǔ)焊，但補(bǔ)焊并沒有消除螺旋焊縫內(nèi)焊道缺陷。內(nèi)表面焊接原始缺陷凹凸不平，符合焊接熱裂紋特征，應(yīng)為焊接時(shí)熔合不良導(dǎo)致，扇形區(qū)斷口平整，無疲勞特征，并存在明顯裂紋源，且內(nèi)表面的環(huán)氧樹脂減阻劑已經(jīng)進(jìn)入缺陷內(nèi)部，因此缺陷形成于工廠生產(chǎn)時(shí)期。由以上分析可知，補(bǔ)焊沒有完全消除原始缺陷，說明工廠缺陷標(biāo)識(shí)或者補(bǔ)焊技術(shù)工藝不符合要求，即缺陷的實(shí)際位置與標(biāo)記的位置不符，導(dǎo)致補(bǔ)焊時(shí)補(bǔ)焊位置不準(zhǔn)確；或者標(biāo)記準(zhǔn)確，但補(bǔ)焊沒有嚴(yán)格執(zhí)行工藝等。另外，補(bǔ)焊的X80螺旋焊縫鋼管進(jìn)行水壓試驗(yàn)后，超聲波探傷結(jié)果為合格，從而使含裂紋缺陷的X80螺旋焊縫鋼管鋼管以合格品出廠，說明工廠水壓后的探傷技術(shù)或管理程序不符合要求，需要進(jìn)行更加嚴(yán)格的質(zhì)量管理[10-12]。

5 結(jié)論及建議

1)X80螺旋焊縫鋼管中的缺陷為螺旋焊縫裂紋型缺陷，缺陷長(zhǎng)度為64 mm，其中內(nèi)表面長(zhǎng)度為55 mm，擴(kuò)展深度為15 mm。

2)X80螺旋焊縫鋼管缺陷區(qū)域存在外補(bǔ)焊，但外補(bǔ)焊未能消除內(nèi)表面原始焊接缺陷。

3)X80螺旋焊縫鋼管原始焊接缺陷為熔合不良或焊接熱裂紋，其產(chǎn)生于工廠制管階段。

4)建議完善焊縫補(bǔ)焊標(biāo)記方法、程序和控制措施，嚴(yán)格執(zhí)行鋼管無損檢測(cè)質(zhì)量控制程序。