靜水壓試驗(yàn)后直縫埋弧焊管鼓脹原因分析

張 驊，張 衡，馬立新，劉鑒衛(wèi)

（1.渤海石油裝備制造有限公司，天津300457；2.巨龍鋼管有限公司，河北 青縣062650）

在焊管的所有檢測(cè)與試驗(yàn)中，靜水壓試驗(yàn)可用來(lái)檢查焊管是否有焊接缺陷，并能在一定程度上減少焊管的殘余應(yīng)力，由于其可準(zhǔn)確地檢出貫穿性缺陷而成為鋼管制造工藝流程中必不可少的檢驗(yàn)項(xiàng)目，在國(guó)內(nèi)外管線項(xiàng)目中也是用戶比較關(guān)注的重要工序之一［1-4］。2020年某公司在檢測(cè)某工程項(xiàng)目用X80MΦ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管的過(guò)程中，3根焊管在靜水壓試驗(yàn)后出現(xiàn)管體鼓脹現(xiàn)象，該3根焊管為同一A爐批鋼板生產(chǎn)。為進(jìn)一步查找靜水壓試驗(yàn)后Φ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管管體鼓脹原因，筆者進(jìn)行了調(diào)查分析。

1 生產(chǎn)和檢驗(yàn)過(guò)程調(diào)查

焊管生產(chǎn)線采用的是JCOE直縫預(yù)精焊生產(chǎn)線，終焊采用埋弧自動(dòng)焊接工藝［5-10］。工程項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》（45版）為基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)品的外觀尺寸、力學(xué)性能等質(zhì)量指標(biāo)要求進(jìn)行了提升。靜水壓試驗(yàn)要求Φ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管在23.4 MPa靜水壓試驗(yàn)壓力下保壓16 s，試驗(yàn)過(guò)程中整個(gè)焊縫或管體應(yīng)無(wú)泄漏，試驗(yàn)后應(yīng)目視檢查無(wú)明顯形變和管壁鼓起。

對(duì)于靜水壓試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)鼓脹的焊管，其進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)時(shí)，雖然壓力可加壓至23.4 MPa，但是在保壓過(guò)程中封堵端漏水，焊管無(wú)法持續(xù)保壓16 s，未獲得合格水壓曲線。目測(cè)靜水壓試驗(yàn)未通過(guò)的焊管，其局部區(qū)域鼓脹，而且在輥道運(yùn)送過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)跳動(dòng)，不能正常傳輸。每間隔1 m測(cè)量焊管外周長(zhǎng)，結(jié)果顯示管體部分區(qū)域外周長(zhǎng)超出技術(shù)要求。追溯靜水壓試驗(yàn)前焊管外周長(zhǎng)信息，檢驗(yàn)結(jié)果滿足技術(shù)要求。鼓脹焊管靜水壓試驗(yàn)前后外周長(zhǎng)變化見表1。由此可見，靜水壓試驗(yàn)后管端外周長(zhǎng)增長(zhǎng)了1.5 mm以上，管體外周長(zhǎng)增長(zhǎng)更為明顯。

表1 Φ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管靜水壓試驗(yàn)鼓脹前后外周長(zhǎng)測(cè)量數(shù)值mm

原料壁厚是靜水壓試驗(yàn)的影響因素之一，核實(shí)鋼板板厚，發(fā)現(xiàn)鋼板板厚符合技術(shù)要求；從管頭向管尾測(cè)量多點(diǎn)制管后母材壁厚，發(fā)現(xiàn)母材壁厚亦滿足技術(shù)要求。鼓脹焊管相關(guān)尺寸見表2。

表2 Φ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管發(fā)生鼓脹焊管相關(guān)尺寸mm

2 理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分

按照ASTM A 751—2014a《鋼制品化學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)操作和術(shù)語(yǔ)》，對(duì)鼓脹焊管母材（A爐批）的化學(xué)成分進(jìn)行光譜分析，檢驗(yàn)結(jié)果滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，而且與其他爐批的化學(xué)成分相比差別甚微。焊管母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 Φ1 219 mm×27.5 mm X80發(fā)生鼓脹焊管母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢驗(yàn)結(jié)果%

2.2 拉伸性能

因焊管鼓脹區(qū)域?yàn)橹芟蛘w膨脹，筆者認(rèn)為母材橫向拉伸性能沿焊管周向分布較為均勻，后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一推斷。因靜水壓試驗(yàn)后焊管外周長(zhǎng)變化存在較大差異，部分區(qū)域外周長(zhǎng)超出了技術(shù)要求，母材拉伸強(qiáng)度均勻性有待確認(rèn)。

選取1號(hào)鼓脹焊管，在管體外周長(zhǎng)不合格區(qū)域沿周向截取母材橫向拉伸試樣，取樣位置為1點(diǎn)鐘、3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘、11點(diǎn)鐘（焊縫為12點(diǎn)鐘位置）；在3根鼓脹焊管的頭部、管體外周長(zhǎng)合格區(qū)域、管體外周長(zhǎng)不合格區(qū)域、尾部距焊縫180°取母材橫向拉伸試樣。因?yàn)楣芫€鋼的碳含量較低，在經(jīng)過(guò)冷變形制成鋼管以后，當(dāng)受熱溫度在200℃以上就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效［11］，故截取400 mm×400 mm試塊。按照ASTM A 370—2019《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》要求，采用Φ12.7 mm圓棒試樣進(jìn)行母材橫向拉伸試驗(yàn)。

1號(hào)鼓脹焊管各周向位置母材拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4，1號(hào)鼓脹焊管長(zhǎng)度方向屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分布如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示：①母材橫向拉伸性能沿焊管周向分布較為均勻，屈服強(qiáng)度極差為27 MPa，抗拉強(qiáng)度極差為37 MPa；②沿焊管長(zhǎng)度方向不同區(qū)域母材拉伸性能分布亦較為均勻，屈服強(qiáng)度極差小于30 MPa，抗拉強(qiáng)度極差小于15 MPa，但是試驗(yàn)結(jié)果均不滿足焊管技術(shù)要求，即便形變最大區(qū)域屈服強(qiáng)度仍然低于555 MPa，母材強(qiáng)度自焊管頭端至尾端呈降低趨勢(shì)。

表4 1號(hào)鼓脹焊管各周向位置母材拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖1 1號(hào)鼓脹焊管長(zhǎng)度方向屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分布

同時(shí)，對(duì)比A爐批鋼管與其他爐批鋼管母材的拉伸性能發(fā)現(xiàn)，該爐批屈服強(qiáng)度平均值低于其他爐批37 MPa，抗拉強(qiáng)度平均值低于其他爐批50 MPa，拉伸試驗(yàn)結(jié)果不滿足技術(shù)要求，而且其他爐批焊管的拉伸強(qiáng)度整體偏下限。焊管母材橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 Φ1 219 mm×27.5 mm X80M直縫埋弧焊管母材橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)A爐批剩余鋼板頭部、尾部在寬度1/2處取母材橫向拉伸試樣，按照ASTM A 370—2019要求，采用全壁厚矩形試樣，鋼板拉伸強(qiáng)度整體偏低，個(gè)別鋼板抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)下限；且頭尾兩端強(qiáng)度相當(dāng)，極差均在10 MPa范圍內(nèi)。鋼板母材橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表6，A爐批鋼板屈服強(qiáng)度平均值低于其余爐批鋼板24 MPa，抗拉強(qiáng)度平均值低于其余爐批25 MPa，伸長(zhǎng)率及屈強(qiáng)比兩者相當(dāng)。

表6 X80M鋼板母材橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

此外，A爐批鋼板拉伸曲線存在較明顯的屈服平臺(tái)，其余爐批鋼板拉伸曲線為典型的X80M管線鋼圓拱形曲線，兩者差異明顯。鋼板及其焊管的拉伸曲線如圖2所示。

圖2 X80M鋼板及其焊管的拉伸曲線

2.3 母材硬度

按照ASTM E 384—2011《材料顯微硬度測(cè)試方法》檢驗(yàn)?zāi)覆挠捕?，檢測(cè)結(jié)果見表7。3根焊管母材的硬度滿足技術(shù)要求（要求硬度≤280 HV10），但與合格爐批相比，A爐批焊管母材的硬度偏低。

表7 X80M焊管母材硬度檢測(cè)結(jié)果HV10

2.4 母材金相

按照ASTM E 112—2013《平均晶粒度測(cè)定的試驗(yàn)方法》、GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定》、技術(shù)要求對(duì)母材的晶粒度、非金屬夾雜物及帶狀組織進(jìn)行檢測(cè)。焊管母材夾雜物等級(jí)D細(xì)為0.5，其余為0；帶狀組織A爐批2級(jí)，其他爐批1級(jí)，均滿足技術(shù)要求。與其余爐批晶粒度12級(jí)相比，A爐批的晶粒度10.6～11.0級(jí)，較粗大。

A爐批和其余爐批母材金相組織如圖3～4所示。目測(cè)母材試樣，A爐批母材的金相試樣表面存在類似劃痕狀條紋，在光學(xué)顯微鏡下觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)這些條紋不是機(jī)械劃痕，為未形成常規(guī)帶狀的塊狀鐵素體；母材金相組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體，壁厚中心較表層多邊形鐵素體比例增多，晶粒度較表層粗大，中心組織中MA組元為黑塊狀，且主要沿晶界分布。其他爐批母材的金相顯微組織為針狀鐵素體+粒狀貝氏體，且組織、晶粒度分布均勻，表層組織中MA組元多為點(diǎn)狀，彌散性分布于基體上，中心組織MA組元變?yōu)樾u狀。

圖3 A爐批母材金相組織

3 分析及討論

3.1 靜水壓試驗(yàn)的影響

API Spec 5L規(guī)定：如果在靜水壓試驗(yàn)中采用了產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力的端面密封堵頭，當(dāng)規(guī)定試驗(yàn)壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力超過(guò)規(guī)定最小屈服強(qiáng)度的90%（該批次鋼管取值95%），靜水壓試驗(yàn)壓力P用公式（1）確定［12-14］。將X80MΦ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管的各參數(shù)代入公式（1），可計(jì)算出該焊管的靜水壓試驗(yàn)壓力為23.4 MPa。

圖4 其余爐批X80M母材金相組織

如果不考慮端面密封環(huán)向應(yīng)力對(duì)焊管的影響，靜水壓試驗(yàn)壓力P用公式（2）確定，環(huán)向應(yīng)力取該材料最小屈服強(qiáng)度555 MPa的95%，D與t分別為1 219 mm、27.5 mm，計(jì)算結(jié)果為23.8 MPa。

因此，所采用的靜水壓試驗(yàn)壓力值23.4 MPa已考慮端封夾緊力所產(chǎn)生的軸向壓應(yīng)力這一影響因素，確認(rèn)管體鼓脹變形與靜水壓試驗(yàn)本身無(wú)關(guān)。

3.2 理化性能分析

統(tǒng)計(jì)近兩年數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該鋼廠X80M厚壁鋼板具有連續(xù)的屈服行為，其拉伸曲線為圓拱形，且金相顯微組織為均勻的粒狀貝氏體+針狀鐵素體。鋼板拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布較集中，屈服強(qiáng)度580～620 MPa，抗拉強(qiáng)度670～690 MPa；制管后屈服強(qiáng)度會(huì)上升20 MPa左右，抗拉強(qiáng)度會(huì)上升10 MPa左右。

此次發(fā)生鼓脹的焊管，其母材的拉伸性能及顯微組織均異常：鋼板拉伸曲線出現(xiàn)了較明顯的屈服平臺(tái)；母材晶粒度較大，為10.6～11.0級(jí)；顯微組織中的多邊形鐵素體較多，約占30%。

X80M管線鋼的組織多為針狀鐵素體+粒狀貝氏體。針狀鐵素體板條中高密度可移動(dòng)位錯(cuò)的存在使得多滑移易于實(shí)現(xiàn)，該組織鋼具有連續(xù)的屈服行為和高的形變強(qiáng)化能力。粒狀貝氏體亞結(jié)構(gòu)位錯(cuò)密度高，在管線鋼中，由于MA組元細(xì)小，有較好的強(qiáng)韌特性，以該組織為主的鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為連續(xù)的屈服形態(tài)，形變強(qiáng)化能力較好。對(duì)于無(wú)需考慮包申格效應(yīng)的X80M管線鋼而言，焊管JCO成型過(guò)程中形變強(qiáng)化起主導(dǎo)作用，制管后管體強(qiáng)度升高，而上升的多少取決于顯微組織類型。

多邊形鐵素體亞結(jié)構(gòu)位錯(cuò)密度低、沒有明顯的亞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料強(qiáng)度較低、塑性較大，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的屈服平臺(tái)，形變強(qiáng)化能力差。

由此可見，較多量的多邊形鐵素體的存在導(dǎo)致了該X80M直縫埋弧焊管拉伸性能的異常，致使靜水壓試驗(yàn)失效，管體變形鼓脹。鋼板性能產(chǎn)生差異的根本原因?yàn)椋很堉七^(guò)程中鋼板在高溫停留時(shí)段過(guò)長(zhǎng)，噴淋水冷不及時(shí)，形成了大量的多邊形鐵素體。

4 結(jié) 論

此次X80MΦ1 219 mm×27.5 mm直縫埋弧焊管在靜水壓試驗(yàn)后發(fā)生鼓脹的原因是母材顯微組織異常。X80M管線鋼中多邊形鐵素體較大比例的出現(xiàn)，導(dǎo)致管線鋼強(qiáng)度低，拉伸曲線出現(xiàn)了較明顯的屈服平臺(tái)，管材形變強(qiáng)化能力降低，從而造成焊管在靜水壓試驗(yàn)后出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象。

焊管發(fā)生鼓脹后，焊管制造公司與原料廠家進(jìn)行了溝通，鋼廠反饋的原因與筆者分析相一致，鋼廠在質(zhì)量追溯過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鋼板高溫控時(shí)較長(zhǎng)、冷卻不及時(shí)，導(dǎo)致了A爐批鋼板性能出現(xiàn)異常。

為防止類似鼓脹問(wèn)題再次發(fā)生，原料廠家及焊管制造公司可采取以下措施：①原料廠家加強(qiáng)鋼板質(zhì)量控制，嚴(yán)控鋼板軋制參數(shù)；②在鋼板訂貨協(xié)議中增加X80鋼級(jí)管線鋼拉伸曲線形態(tài)的要求，要求拉伸曲線應(yīng)為圓拱形；明確X80鋼級(jí)管線鋼顯微組織要求，如組織類型、多邊形鐵素體占比等；③焊管制造公司應(yīng)加強(qiáng)鋼板入廠檢驗(yàn)環(huán)節(jié)控制，適量增加鋼板抽檢比例，嚴(yán)格控制原料質(zhì)量。