壓縮機(jī)管道環(huán)焊縫縱向裂紋案例分析

李亞軍，王正云，金一標(biāo)，馬俊文，楊雪倩

(1.中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司成都?jí)嚎s機(jī)分公司，四川 成都 610100；2.西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039；3.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643000；4.成都凌越物流有限公司，四川 成都 610500)

天然氣作為清潔能源，在世界一次能源結(jié)構(gòu)中所占的比例將逐漸增加，2020年天然氣所占比例在30%左右，預(yù)計(jì)到2030～2040年，其可能將超過(guò)石油成為世界第一大能源[1-2]。作為輸送天然氣管道的“心臟”壓縮機(jī)，將天然氣輸送到千家萬(wàn)戶起到了關(guān)鍵性作用。

焊接作為壓縮機(jī)管道制造安裝的重要環(huán)節(jié)，焊接質(zhì)量的好壞直接決定著壓縮機(jī)機(jī)組的正常運(yùn)行，尤其是焊接母材、焊接材料、焊接工藝和焊接人員的選擇對(duì)焊接質(zhì)量影響至關(guān)重要[3-8]。管道環(huán)焊縫失效涉及到工況條件、管材、焊接材料、焊接人員和焊接工藝等多方面因素，本文分析了某往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)管道環(huán)焊縫失效的原因，以期對(duì)天然氣管道焊縫失效分析提供參考和借鑒。

1 環(huán)焊縫裂紋概況

某往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)管道焊口編號(hào)44的環(huán)焊縫是由20鋼鋼管與彎頭對(duì)接焊接而成，該焊口規(guī)格尺寸為Φ140 mm×11 mm。焊接工藝規(guī)程要求20鋼焊接采用某焊材廠Φ2.4 mm的ER50-G焊絲TIG打底，Φ3.2 mm的E4315焊條填充，ER50-G焊絲TIG蓋面。焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

該焊縫焊接完成后按NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》[9]進(jìn)行100%RT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫存在縱向裂紋。采用碳弧氣刨對(duì)焊縫打磨后，檢測(cè)裂紋長(zhǎng)度約為80 mm，如圖1所示。將此裂紋的焊縫兩端割掉，在線切割截取40 mm×40 mm的試樣，發(fā)現(xiàn)截取的試樣焊縫橫截面裂紋由彎頭根部由內(nèi)向外擴(kuò)展，如圖2所示。

圖1 焊縫表面碳弧氣刨后的裂紋

圖2 焊縫截面裂紋

2 焊縫裂紋原因分析

該壓縮機(jī)項(xiàng)目經(jīng)理組織焊接工程師、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理、無(wú)損檢測(cè)人員對(duì)此焊接裂紋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)討論分析和研究。因44號(hào)焊口是由代號(hào)為G的焊工焊接，該焊工持證項(xiàng)目為GTAW-FeII-6G-8/60-FefS-02/11/12和SMAW-FeⅡ-6G-12/48-Fef3J ，符合TSG Z6002要求；另該焊工焊接技能比較高，組對(duì)時(shí)無(wú)強(qiáng)力組對(duì)現(xiàn)象，采用對(duì)稱焊接，因此排除焊工焊接技能的問(wèn)題。最終初步認(rèn)為造成裂紋的原因有以下3點(diǎn)：(1)管線吊裝過(guò)程中是否存在暴力吊裝；(2)焊接材料是否符合焊接工藝規(guī)程要求；(3)焊接母材是否領(lǐng)用正確。

2.1 管線吊裝

管線焊縫組對(duì)后，從機(jī)組上面吊裝到焊接車間進(jìn)行焊接。因該根管線長(zhǎng)度約7 m，兩端帶有法蘭，拆裝起吊后應(yīng)該緩慢輕放，如圖3所示。管線焊口組對(duì)連接處結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較為薄弱，若是暴力吊裝，管線受到的外力大于組對(duì)連接處的屈服強(qiáng)度會(huì)發(fā)生塑性變形，且組對(duì)的焊縫兩端應(yīng)力集中，容易造成裂紋源而擴(kuò)展；若外力大于組對(duì)連接處的抗拉強(qiáng)度，則會(huì)直接造成裂紋。

圖3 含裂紋的管道

2.2 焊材化學(xué)成分

在焊縫上截取40 mm×40 mm試樣，焊縫外表面銑磨掉2 mm后，對(duì)其試樣進(jìn)行焊縫化學(xué)成分光譜分析，結(jié)果如表2所示。焊條各元素成分符合NB/T 47018.2—2017《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件 第2部分:鋼焊條》[10]要求。對(duì)所使用的ER50-G焊絲對(duì)應(yīng)批次進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，焊絲化學(xué)成分符合雙方規(guī)定的協(xié)議值。因此可知所用的焊絲和焊條是正確的。

表2 焊條化學(xué)成分 單位：%

表3 焊絲化學(xué)成分 單位：%

2.3 鋼管和彎頭化學(xué)成分

鋼管和彎頭各截取40 mm×40 mm試樣，銑磨表面后對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分進(jìn)行光譜分析，結(jié)果如表4所示。20鋼鋼管化學(xué)成分符合GB/T 6479—2013《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》[11]的規(guī)定，可知鋼管是正確的；彎頭化學(xué)成分不符合GB/T 6479—2013中20鋼的規(guī)定。按照國(guó)際焊接協(xié)會(huì)的碳當(dāng)量Ceq公式(1)計(jì)算，鋼管碳當(dāng)量為0.29，可焊性較好，一般不會(huì)出現(xiàn)裂紋；彎頭碳當(dāng)量為0.80，碳當(dāng)量很高，導(dǎo)致在熔合區(qū)和過(guò)熱區(qū)出現(xiàn)淬硬的馬氏體組織，降低了該區(qū)域塑性和韌性，在冷卻過(guò)程中出現(xiàn)了裂紋。

表4 鋼管和彎頭化學(xué)成分 單位：%

(1)

根據(jù)該彎頭化學(xué)成分分析，初步判定材質(zhì)為50Cr。50Cr化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)要求值C:0.47～0.54，Mn:0.50～0.80，Si:0.17～0.37，P≤0.030，S≤0.030，Ni≤0.30，Cr:0.80～1.10，Mo≤0.10，Cu≤0.30。因此，焊接裂紋產(chǎn)生的原因是由于供貨方提供的20鋼彎頭中混入了材質(zhì)為50Cr的彎頭，出現(xiàn)異種鋼材焊接；因50Cr在焊接過(guò)程中可焊性很差，出現(xiàn)淬硬馬氏體組織，在焊接應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂紋，從而造成焊縫裂紋由彎頭根部由內(nèi)向外擴(kuò)展。

3 現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題整改

該壓縮機(jī)項(xiàng)目組對(duì)彎頭混料問(wèn)題進(jìn)行了整體更改，采用手持式金屬化學(xué)成分檢測(cè)儀對(duì)該批次所有彎頭進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)還有2件彎頭成分不是20鋼，而為50Cr。對(duì)含有裂紋的管道，在焊接檢驗(yàn)師的監(jiān)督下，重新領(lǐng)取20鋼彎頭進(jìn)行焊接。按表1焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，焊接完成后按NB/T 47013—2015進(jìn)行100%RT檢驗(yàn)，焊縫都不低于II級(jí)要求，符合GB/T 20801—2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》[12]的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)GB/T 12459—2017《鋼制對(duì)焊管件 類型與參數(shù)》[13]規(guī)定，管件的化學(xué)成分檢驗(yàn)為每爐批取1個(gè)試樣。供貨方在生產(chǎn)制造吊裝過(guò)程中，人為因素將50Cr材質(zhì)彎頭混入到20鋼彎頭中。因此，本次混料公司檢驗(yàn)員未能在入庫(kù)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)，是由于受到檢驗(yàn)要求、檢測(cè)設(shè)備和手段的限制，彎頭材質(zhì)混料缺陷這一問(wèn)題往往在現(xiàn)場(chǎng)管理中容易被忽視，一般僅通過(guò)供貨方附的材料質(zhì)量證明書和彎頭標(biāo)識(shí)確認(rèn)。在實(shí)際制造安裝過(guò)程中，由于混料造成材質(zhì)不符，這類問(wèn)題極其罕見(jiàn)，也常常容易被忽略掉。

該類事件也暴露了壓縮機(jī)生產(chǎn)制造質(zhì)量管理中存在的盲區(qū)，特別是原材料入場(chǎng)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，因現(xiàn)有條件限制而出現(xiàn)檢驗(yàn)漏洞，應(yīng)當(dāng)在今后的管理工作中格外引起重視?？梢圆捎檬殖质浇饘倩瘜W(xué)成分檢測(cè)儀等先進(jìn)設(shè)備對(duì)原材料進(jìn)行快速初步檢驗(yàn)，來(lái)判定材質(zhì)是否與材料質(zhì)量證明書相符，以此來(lái)加強(qiáng)管材、法蘭、彎頭、三通的入場(chǎng)檢驗(yàn)。

另外，該事件也體現(xiàn)了嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程和焊接工藝評(píng)定要求進(jìn)行生產(chǎn)制造的重要性。任何焊接相關(guān)條件的改變都可能會(huì)影響到焊接的可靠性和穩(wěn)定性，造成嚴(yán)重的焊接質(zhì)量問(wèn)題，甚至影響壓縮機(jī)機(jī)組的正常安全運(yùn)行。