X80 直縫埋弧焊管焊縫表面橫向裂紋成因分析

張志明， 潘小燕， 何 勇， 李芳芳， 南 海， 汪 超

（1. 渤海裝備江蘇鋼管公司， 南京 210001；2. 河北華油一機圖博涂層有限公司， 河北青縣 062658；3. 中國石油大慶煉化公司， 黑龍江大慶 163411； 4. 遼陽石化分公司， 遼寧遼陽 111003）

0 前 言

焊接裂紋是管線鋼管危害較大的缺陷之一， 在管道服役過程的動載荷下， 裂紋尖端會產(chǎn)生應(yīng)力集中， 且有很強的裂紋擴展趨勢， 給管線的安全運行帶來隱患。 焊接裂紋的分類方式很多， 可按照裂紋的走向或裂紋出現(xiàn)的位置進行分類， 也可按照裂紋的宏觀形態(tài)及其分布分類， 按照裂紋發(fā)生條件和時機可將其分為熱裂紋和冷裂紋。 熱裂紋是在焊縫金屬凝固結(jié)晶過程中， 低熔點共晶物富集于晶界， 形成 “液態(tài)薄膜”， 由于焊縫凝固收縮而受到拉應(yīng)力，最終開裂形成裂紋， 這種裂紋也稱為結(jié)晶裂紋。 冷裂紋是相對熱裂紋而言的， 一般是指在較低溫度下產(chǎn)生的裂紋。 冷裂紋大都沿晶內(nèi)擴展， 有時也可沿晶界擴展。 冷裂紋沿焊縫縱向和橫向都有發(fā)生， 焊趾裂紋、 焊道下裂紋和根部裂紋都是延遲裂紋的常見形式[1-4]。

生產(chǎn)國內(nèi)某項目用X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 直縫埋弧焊管時， 在焊材檢驗、 烘干、輸送氣體等影響因素都嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量控制程序要求的情況下， 仍偶爾出現(xiàn)焊縫橫向開裂， 由于缺陷批量小， 采用修補、 切除等方式進行處理， 但缺陷產(chǎn)生的具體原因和消除措施并沒有得到確認(rèn)。 為了查明焊管在擴徑前出現(xiàn)焊縫橫向裂紋的原因， 進而找到合適的改進措施， 對發(fā)生焊縫橫向開裂的焊管進行破壞取樣， 探究裂紋產(chǎn)生的具體原因， 并提供改進措施。

1 試驗材料和工藝

1.1 試驗材料

Φ1 219 mm×22 mm 規(guī)格管線鋼鋼板采用低C、 控Mn 及Nb、 Ti 微合金化的成分設(shè)計， 并加入Ni、 Cr 和Cu 等合金元素。 為獲得良好的焊接性能和低溫韌性， w （C） 嚴(yán)格控制在0.06%以下， 加入適當(dāng)?shù)腗n 以達到所要求的強度， 加入適量的Ni、 Cu 和Cr 等合金元素降低合金化成本。 在煉鋼過程中， 采用鈣處理和潔凈鋼冶煉技術(shù)， 嚴(yán)格控制鋼中的S、 P、 N 和O 等元素含量， 連鑄全過程保護澆鑄， 防止發(fā)生鋼水增氮及二次氧化現(xiàn)象。 從橫裂件上截取母材試樣進行化學(xué)成分分析， 結(jié)果見表1， 橫裂焊管母材的化學(xué)成分符合CDP-S-NGP-PL-006—2019-4 《天然氣管道工程鋼管技術(shù)規(guī)格書》 要求， S、 P 等有害元素含量控制無異常。 強度及韌性等力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2， 亦符合上述標(biāo)準(zhǔn)要求[5-7]。

表1 X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 鋼管母材化學(xué)成分%

表2 X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 鋼管母材力學(xué)性能

1.2 焊絲和焊劑

采用鍍銅H08MnMoTiB 焊絲 （絲徑3.98～4.01 mm） 和SJ101G 焊劑， 每采購批次按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行焊絲外觀檢查及化學(xué)成分分析、 焊劑顆粒度、 含水量和機械夾雜物分析。 批量生產(chǎn)前進行焊接工藝評定和首批小批量試制， 合格后批量使用。 焊劑在使用前進行300～380 ℃烘干保溫2 h， 冷卻到120～150 ℃保溫待用。 焊絲化學(xué)成分見表3， 焊劑烘干工藝曲線如圖1 所示。

表3 鍍銅H08MnMoTiB 焊絲化學(xué)成分%

圖1 焊劑烘干工藝曲線

1.3 焊接工藝

X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 焊管焊接參數(shù)見表4。 此規(guī)范下焊管的理化性能良好， 焊接缺陷率較低， 焊縫成形良好， 熔深2～4 mm， 余高＜2 mm。

表4 X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 焊管焊接參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 無損探傷

對X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 焊管橫向裂紋進行無損探傷。 依據(jù)CDP-S-NGP-PL-006—2019-4 《天然氣管道工程鋼管技術(shù)規(guī)格書》 要求進行超聲波自動檢測， 檢測評定標(biāo)準(zhǔn)為Φ1.6 mm豎通孔， 100%波高作為驗收極限， 圖2 為檢測結(jié)果。 其中， 超聲波自動檢測波形如圖2 （a）所示。 按照檢測要求對報警處應(yīng)進行手探復(fù)檢，超聲波手探復(fù)檢波形圖如圖2 （b） 所示。 經(jīng)手探復(fù)檢該位置， 檢測結(jié)果與自動檢測結(jié)果一致，為橫向超標(biāo)缺陷， 不滿足該項目的技術(shù)規(guī)格書的要求。 為了驗證該缺陷是否為表面缺陷， 對報警處進行熒光磁粉檢測， 出現(xiàn)明顯線性磁痕， 表面裂紋磁痕如圖2 （c） 所示， 檢測結(jié)果與超聲波檢測結(jié)果一致。 為了更進一步確定該缺陷的位置和性質(zhì)， 采用相控陣超聲技術(shù) （PAUT） 進行檢測， 如圖2 （d） 所示， 檢測結(jié)果與常規(guī)超聲波和磁粉檢測結(jié)果一致。 通過以上常規(guī)超聲波檢測、 磁粉檢測、 相控陣超聲檢測， 確定該類缺陷為表面橫向裂紋缺陷[9-10]。

圖2 X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 焊管橫向裂紋無損探傷結(jié)果

2.2 力學(xué)性能

在焊縫處取橫向全壁厚板狀拉伸試樣， 規(guī)格為38.1 mm×50 mm （寬度×標(biāo)距）。 采用206DP微機控制電液伺服拉伸試驗機， 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370 進行拉伸性能測試。 焊縫處取橫向試樣，加工為55 mm×10 mm×10 mm 全尺寸試樣， 在ZBC2752-4 型沖擊試驗機上， 按照ASTM E45 標(biāo)準(zhǔn)進行CVN 試驗， 試驗溫度為-10 ℃。 力學(xué)性能檢測結(jié)果見表5。

在焊接接頭上取橫向硬度試樣， 在FV-700SB 型硬度計上， 按照ASTM E92 標(biāo)準(zhǔn)要求進行10 kg 載荷維氏硬度試驗， 測試點位置如圖3所示， 試驗結(jié)果見表6。

圖3 鋼管硬度測試位置分布

由表5 和表6 可知， 此根鋼管焊縫拉伸性能、 焊縫沖擊性能及焊縫硬度均可滿足項目標(biāo)準(zhǔn)要求， 且與同批次鋼管焊縫檢驗結(jié)果比對，無明顯差異[8]。

表5 X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 規(guī)格焊管焊縫力學(xué)性能

表6 X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 規(guī)格焊管焊縫硬度

2.3 顯微組織

2.3.1 缺陷附近母材金相組織

從焊管母材取金相試樣， 在BX51RF 奧林巴斯金相顯微鏡上進行金相組織觀察。 其中母材的晶粒度為10.5 級， 金相組織為粒狀貝氏體、 多邊形鐵素體及珠光體， 母材1/4 壁厚處組織如圖4 所示， 該組織未見異常。

圖4 母材1/4 壁厚處組織形貌

2.3.2 焊縫裂紋顯微組織

從內(nèi)焊縫裂紋處取金相試樣觀察發(fā)現(xiàn)， 裂紋處組織主要為晶內(nèi)成核先共析IAF 和粒狀貝氏體，以及少量多邊形PF 和珠光體的混合組織， 如圖5所示。 缺陷橫向截面金相視圖顯示， 裂紋基本沿焊縫柱狀晶晶界分布， 部分裂紋被金色物質(zhì)填充。 可初步判斷， 該缺陷是在焊縫金屬凝固結(jié)晶過程中，低熔點共晶物富集于晶界， 形成“液態(tài)薄膜”， 由于焊縫凝固收縮而受到拉應(yīng)力， 最終開裂形成裂紋。 結(jié)晶裂紋一般沿焊縫中心長度方向開裂， 有時也產(chǎn)生在焊縫內(nèi)部兩個柱狀晶之間， 沿焊縫橫向開裂， 形成橫向裂紋。 通常結(jié)晶裂紋斷口上可以看到氧化的色彩， 與上述金相完全吻合[11-12]。

圖5 焊縫裂紋顯微組織形貌

2.3.3 SEM 及能譜分析

對裂紋斷口進行能譜分析， 結(jié)果見圖6 及表7。由圖6 可見， 裂紋光滑平直， 斷口呈典型的沿晶形貌， 這表明裂紋所在區(qū)域的晶界結(jié)合力較弱。 斷口微觀形貌表明該裂紋屬于焊接熱裂紋。 該區(qū)域元素主要為Fe 和Mn， 同時夾雜了Mg、 Ca、 Co、 Cu 元素。 其中Mg、 Ca 主要是高溫裂紋形成時， F 堿性燒結(jié)焊劑冷卻后殘留在附近所致。 結(jié)合EDS 分析結(jié)果（如圖7 所示）， 從鋼管的生產(chǎn)線可產(chǎn)生銅污染的區(qū)域入手查找單質(zhì)銅來源， 一是埋弧焊絲表層鍍銅， 二是埋弧焊接用銅導(dǎo)電嘴、 導(dǎo)電桿[12-15]。

圖6 裂紋端口SEM 形貌

表7 裂紋附近能譜分析結(jié)果

圖7 裂紋EDS 掃描結(jié)果

3 低熔點物質(zhì)的來源及解決措施

3.1 低熔點物質(zhì)的來源

如前所述， 缺陷橫向截面金相形貌顯示， 裂紋主要沿焊縫柱狀晶晶界分布， 金相顯微鏡下可觀察到部分裂紋被金色物質(zhì)填充， 經(jīng)EDS 圖譜對比分析， 金色物質(zhì)為單質(zhì)銅， 裂紋為典型的結(jié)晶熱裂紋。 從鋼管生產(chǎn)線可產(chǎn)生銅污染的區(qū)域入手查找了單質(zhì)銅來源可以確定為： ①該批次埋弧焊絲鍍層顏色不一致， 存在鍍銅不均勻， 且在焊絲輸送過程中鍍層部分脫落， 清理銅屑不及時，導(dǎo)致焊接過程中經(jīng)由導(dǎo)電嘴內(nèi)孔進入焊接區(qū)域；②檢查焊槍部分送絲系統(tǒng)， 導(dǎo)電桿內(nèi)部白管磨損，焊絲與導(dǎo)電桿內(nèi)壁摩擦?xí)秀~屑產(chǎn)生， 銅屑剝離堆積， 隨著焊絲的輸送， 經(jīng)導(dǎo)電嘴落入焊劑中。上述產(chǎn)生的銅屑與焊劑混合， 進入熔池參與焊接熔池反應(yīng)。

3.2 解決措施

（1） 減少銅單質(zhì)來源， 更換為非鍍銅焊絲。

（2） 加強焊接崗位設(shè)備自檢頻次， 定期清理焊絲輸送系統(tǒng)， 定期檢查導(dǎo)電桿內(nèi)部白管、 導(dǎo)電嘴等磨損情況， 確保送絲電機扭矩?zé)o異常。

（3） 若更換為非鍍銅焊絲， 因?qū)щ娦阅芗皾櫥阅苈杂邢陆担?應(yīng)重點關(guān)注導(dǎo)電桿和導(dǎo)電嘴合金耐磨性， 選用銅鋯合金導(dǎo)電嘴。

4 結(jié) 論

（1） 焊管焊縫橫向裂紋是結(jié)晶熱裂紋， 在Ar3～Ar1溫度區(qū)間焊縫冷卻過程中因先共析鐵素體和奧氏體冷卻收縮發(fā)生不同程度的變形而產(chǎn)生拉應(yīng)力， 此時低熔點單質(zhì)銅在晶界仍以液態(tài)存在，是造成焊縫開裂的直接原因。

（2） 焊絲鍍銅厚度不均勻以及導(dǎo)電嘴、 導(dǎo)電桿耐磨性差， 共同產(chǎn)生銅或者銅合金粉末，經(jīng)送絲機構(gòu)進入焊接熔池， 是造成焊縫裂紋的根本原因。

（3） 焊接規(guī)程應(yīng)建立對送絲電機、 矯直機構(gòu)、 硬管、 白管、 導(dǎo)電嘴及扭矩等的自檢清理頻次， 確保焊絲輸送系統(tǒng)長時間工作產(chǎn)生的污染物無法造成實質(zhì)危害。