長輸天然氣管線環(huán)焊縫失效分析

羅志鵬， 楊 洋

（陜西省天然氣股份有限公司， 西安 710000）

0 前 言

天然氣作為清潔能源在飛速發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)及民生領(lǐng)域需求與日俱增， 管道輸送技術(shù)也隨之快速發(fā)展， 目前普遍認可管道輸送為最經(jīng)濟和安全的方式。 管道焊接接頭由母材、 焊縫及熱影響區(qū)組成， 各部分力學(xué)性能存在差異， 焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會受到材料不均勻性的影響[1-2]， 所以相比管道整體而言， 對接環(huán)焊縫成為整條管線結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)[3]。

在陜某現(xiàn)役天然氣管道設(shè)計管徑DN900 mm，材質(zhì)X70， 設(shè)計壓力8 MPa。 巡檢人員巡線時發(fā)現(xiàn)兩處地表植被異常死亡， 通過開挖驗證，確認兩處均發(fā)生泄漏并進行換管搶修。 一處泄漏點位于彎管與直管段連接環(huán)焊縫6 點鐘位置附近， 鋼管規(guī)格為Φ914 mm×12.7 mm， 彎管規(guī)格為Φ914 mm×16 mm， 角度為18 °； 另一處泄漏點位于直管與直管連接環(huán)焊縫6 點鐘位置， 可見裂紋長度約80 mm， 鋼管規(guī)格均為Φ914 mm×12.7 mm。 本研究對管道環(huán)焊縫泄漏位置進行失效分析， 并提出相應(yīng)施工管理建議， 為天然氣管線建設(shè)提供參考。

1 宏觀形貌分析及壁厚檢測

1.1 宏觀形貌分析

現(xiàn)場取失效管段進行宏觀形貌分析， 分別如圖1 和圖2 所示。 1#環(huán)焊縫泄漏處內(nèi)表面裂紋長于外表面； 漏點處外表面裂紋中心應(yīng)為兩半周焊的對接處， 存在明顯成形不良現(xiàn)象， 裂紋中心一側(cè)沿焊趾處開裂， 另一側(cè)沿焊縫擴展； 表面根焊寬度不均勻， 且高度低于母材，存在補焊痕跡， 裂紋長度與補焊痕跡長度基本相同， 未見明顯錯邊現(xiàn)象。 對2#環(huán)焊縫泄漏裂紋進行宏觀觀察， 可以看出， 泄漏處內(nèi)表面裂紋長于外表面， 裂紋開裂位于焊縫直管段焊趾處， 存在明顯錯邊現(xiàn)象。

圖1 失效管段內(nèi)、外表面焊縫宏觀形貌

圖2 樣品外觀及編號

1.2 壁厚檢測

依據(jù)GB/T 11344—2008 《無損檢測 接觸式超聲脈沖回波法測厚方法》 對1#和2#試樣進行壁厚檢測， 壁厚檢測結(jié)果見表1， 1#鋼管壁厚平均值為13.00 mm， 2#鋼管壁厚平均值為13.02 mm， 2#環(huán)焊縫彎管側(cè)壁厚平均值為16.58 mm， 均未發(fā)現(xiàn)壁厚減薄現(xiàn)象。

表1 試樣壁厚測量結(jié)果

2 試驗分析及性能測試

2.1 無損檢測

2.1.1 磁粉檢測

依據(jù)SY/T 4109—2013 《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》 對1#試樣和2#試樣環(huán)焊縫外表面進行全周長100%磁粉檢測， 對表面缺陷進行判定，結(jié)果如圖3 所示。 由圖3 可以看出， 1#試樣內(nèi)表面裂紋長度為135 mm， 外表面裂紋長度為65 mm，且內(nèi)、 外表面裂紋的一端偏移約20 mm； 2#試樣內(nèi)表面裂紋長度為150 mm， 外表面裂紋長度為85 mm。

圖3 兩組試樣內(nèi)、外表面磁粉檢測結(jié)果

2.1.2 射線檢測

采用XXG-3005P 型射線檢測儀， 對1#試樣環(huán)焊縫和2#試樣環(huán)焊縫進行100%射線檢測。 檢測結(jié)果表明： 兩試樣環(huán)焊縫均存在裂紋、 條渣、 圓缺等缺陷， 其中1#試樣環(huán)焊縫裂紋155 mm， 2#試樣環(huán)焊縫裂紋132 mm； 1#試樣環(huán)焊縫柱孔1 mm 的評級結(jié)果為IV 級，其他缺陷評級結(jié)果均為Ⅱ級。 無損檢測結(jié)果與建設(shè)期存檔數(shù)據(jù)進行對比分析， 兩道環(huán)焊縫存檔片均與環(huán)焊縫特征相符。

2.2 理化性能測試

2.2.1 化學(xué)分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼多元素測量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法》 對母材和環(huán)焊縫位置進行化學(xué)成分分析， 化學(xué)分析結(jié)果見表2。 通過表2 可知，2#試 樣 母 材 的 鈮（Nb） 含 量 微 超 標(biāo)， 且 允 許有+0.01%的偏差， 滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711—2017要求。

表2 母材和環(huán)焊縫化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.2.2 力學(xué)性能試驗

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2653—2008 《焊接接頭彎曲試驗方法》 對1#試樣環(huán)焊縫進行彎曲性能測試。 環(huán)焊縫的彎曲試驗取全壁厚的板狀側(cè)彎試樣， 彎軸直徑為90 mm， 試驗前去除內(nèi)、 外焊縫余高， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)試樣未出現(xiàn)裂紋， 滿足SY/T 4103—2006 《鋼制管道焊接及驗收》 標(biāo)準(zhǔn)要求。

采用PSW750 型沖擊試驗機， 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》對1#、 2#試樣母材以及環(huán)焊縫進行夏比沖擊試驗， 取樣位置如圖4 所示， 沖擊試驗結(jié)果見表3。表3 結(jié)果顯示， 1#試樣環(huán)焊縫11 點鐘焊縫試樣的沖擊性能不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求， 其余均滿足GB/T 9711—2017 的要求。

表3 環(huán)焊縫夏比沖擊性能試驗結(jié)果

圖4 環(huán)焊縫取樣位置示意圖

另對試樣進行落錘撕裂試驗， 結(jié)果見表4，檢測結(jié)果未見異常。

表4 落錘撕裂試驗結(jié)果

2.2.3 金相組織分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》 對1#、 2#環(huán)焊縫試樣進行金相組織分析及低倍檢驗。

1#試樣環(huán)焊縫11 點位置根焊組織為貝氏體 （B粒） +多邊形鐵素體 （PF） +晶核內(nèi)針狀鐵素體（IAF）、 填充組織為B粒+PF、 蓋面組織為粗大B粒， 焊縫熔合區(qū)組織均為B粒， 均未見異常； 其5 點鐘位置存在一處未熔合缺陷，7 點鐘位置根焊焊趾有裂紋缺陷， 且周圍組織變形 （如圖5 （a） 所示）。

圖5 兩試樣不同位置根焊焊趾金相組織形貌

2#試樣焊縫3、 7、 12 點鐘位置處的根焊組織均為PF+珠光體（P）、 填充焊組織為B粒+PF、蓋面組織為粗大B粒， 環(huán)焊縫細晶區(qū)組織均為PF+馬氏體-奧氏體 （MA）， 無明顯異常； 在管體5 點鐘位置處， 焊縫錯邊約3.43 mm； 而在7點鐘、 12 點鐘位置， 根焊焊趾有裂紋缺陷， 且周圍組織變形。 圖5 （b） 所示為12 點鐘根焊焊趾金相組織形貌。

3 焊縫斷口分析

對1#樣品泄漏裂紋斷口進行形貌分析，斷口均發(fā)現(xiàn)脫碳層， 脫碳層寬度約200 μm，脫碳層為補焊時二次加熱溫度過高所致， 采用掃描電子顯微鏡進行微觀分析， 如圖6 （a）所示， 斷面中心呈現(xiàn)河流花樣的解理臺階， 具有脆性斷裂特征， 不良組織使得材料抗裂紋擴展能力下降[4-5]。

圖6 掃描電子顯微鏡下觀察的兩組試樣組織形貌

對2#試樣泄漏裂紋斷口取樣進行剖面分析， 斷口根焊焊縫組織與常規(guī)根焊組織不同，裂紋區(qū)出現(xiàn)魏氏體組織， 說明裂紋區(qū)域補焊時焊接熱輸入量較大[6-7]。 采用電子顯微鏡進行微觀分析， 根焊區(qū)域組織形貌如圖6 （b） 所示，根焊區(qū)域在放大500 倍下能夠觀察到裂紋。 對斷口靠近根部區(qū)域進行能譜分析， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)其主要為鐵的氧化物。

對斷口取樣進行硬度測試， 測試位置如圖7所示， 測試結(jié)果見表5 和表6， 兩組試樣不同位置硬度值對比如圖8 所示。 由于脫碳導(dǎo)致1#根焊斷口附近硬度值最低， 2#試樣根焊斷口附近硬度值相對較高， 母材硬度未見異常。

圖7 斷口硬度測試位置示意圖

表5 1#試樣斷口環(huán)焊縫不同位置硬度測量結(jié)果

表6 2#試樣斷口環(huán)焊縫不同位置硬度測量結(jié)果

圖8 兩組試樣不同位置硬度值對比結(jié)果

4 分析討論

結(jié)合無損檢測、 理化性能測試和斷口分析試驗結(jié)果， 1#試樣環(huán)焊縫存在明顯返修焊痕跡， 并在返修位置開裂泄漏， 開裂長度基本與返修焊長度一致。 裂紋從內(nèi)表面向外擴展， 蓋面焊層達6.8 mm， 大于50%壁厚； 根焊和填充焊層斷口兩側(cè)金相組織存在脫碳現(xiàn)象， 表明蓋面層在焊接前已發(fā)生開裂， 且蓋面層焊接熱輸入較大， 存在過熱現(xiàn)象[8-9]； 裂紋缺陷在內(nèi)壓力、 殘余應(yīng)力和外加載荷的共同作用下擴展至外表面造成環(huán)焊縫泄漏失效[10]。 對于2#試樣環(huán)焊縫， 發(fā)現(xiàn)焊縫的3 點、6 點、 9 點鐘方向均存在明顯錯邊現(xiàn)象， 經(jīng)過斷口分析， 發(fā)現(xiàn)裂紋從內(nèi)表面向外表面擴展， 根部存在內(nèi)部返修現(xiàn)象， 蓋面焊層達5.7 mm， 大于40%壁厚， 其組織中存在魏氏體組織， 且硬度增大， 造成環(huán)焊縫根部脆性增加； 在焊縫7 點鐘和12 點鐘位置根焊焊趾處均存在裂紋缺陷， 缺陷在附加彎曲應(yīng)力、 內(nèi)壓力及殘余應(yīng)力的共同作用下擴展至外表面造成管體失效。

5 結(jié)束語

環(huán)焊縫缺陷導(dǎo)致泄漏往往發(fā)生在原始裂紋處， 裂紋在內(nèi)壓力、 殘余應(yīng)力及外加載荷的共同作用下， 向外擴展導(dǎo)致失效。 通過優(yōu)化管道設(shè)計及轉(zhuǎn)向角度， 采用降坡或削坡設(shè)計等， 減少熱煨彎管使用數(shù)量， 以減少不等壁厚組對焊口； 合理規(guī)劃管道擺放位置， 避免焊接接頭與地形條件復(fù)雜位置疊加產(chǎn)生的影響； 彎管與直管段焊接接頭存在不等壁厚焊趾位置不連續(xù)過度應(yīng)力集中問題， 可改進不等壁厚焊接接頭坡口形式， 并制定不等壁厚焊接接頭專項工藝規(guī)程， 控制和提高焊接質(zhì)量； 在施工過程中， 嚴格執(zhí)行焊接工藝要求， 無損檢測標(biāo)準(zhǔn)參照NB/T 47013 增加目視檢查的相關(guān)規(guī)定， 對焊縫外觀成形質(zhì)量、 咬邊、 錯邊等進行檢查控制， 嚴格評估焊縫返修質(zhì)量， 減少焊縫返修時組織性能的損傷。