X52管線鋼焊縫金屬裂紋分析

李 碩,李永春,易斐寧,吳林恩,宋 薇,靳海成

1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司,河北廊坊 065000

2.中國石油管道局工程有限公司第一分公司,河北廊坊 065000

3.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司,河北廊坊 065000

焊接是長輸管道工程施工中最重要的工序之一，焊接接頭的質(zhì)量直接影響到整條管道的安全。裂紋是焊接結(jié)構(gòu)中最危險(xiǎn)的一種缺陷，它不僅直接降低了焊接接頭的有效承載面積，而且還會(huì)在裂紋尖端形成強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，使焊接接頭容易產(chǎn)生突然的脆性破壞，可能引發(fā)嚴(yán)重的后果[1-3]。

某X52管線鋼管焊接后，在無損檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)環(huán)焊接頭出現(xiàn)了橫向裂紋。環(huán)焊接頭采用焊條電弧焊根焊（SMAW）+自保藥芯半自動(dòng)焊（FACW）填充蓋面的方式進(jìn)行焊接。為了分析裂紋產(chǎn)生的原因，本文將該含裂紋焊口作為研究對(duì)象，對(duì)管體母材、焊材及焊縫金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析、金相組織、斷口形貌和能譜分析，分析產(chǎn)生裂紋的原因。

1 檢驗(yàn)分析

1.1 化學(xué)成分分析

對(duì)母材、焊材和焊縫金屬的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。母材的化學(xué)成分滿足GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求。焊材的化學(xué)成分也滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)焊縫金屬的化學(xué)成分進(jìn)行要求，測(cè)試數(shù)據(jù)僅用于參考。

表1 母材、焊縫金屬和焊材的化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 單位：%

1.2 裂紋位置和形貌

裂紋位于仰焊收弧位置（6點(diǎn)位），與焊縫垂直，且未擴(kuò)展到熱影響區(qū)，裂紋全貌如圖1所示。將裂紋扳開，在打開的斷口上，裂紋部位呈黃色。裂紋部位斷口呈放射狀形貌，裂紋位于蓋面焊道，如圖2所示。

圖1 裂紋宏觀形貌

圖2 斷口形貌

1.3 金相分析

將試樣沿圖3所示紅線位置切開。采用金相顯微鏡對(duì)焊接接頭的組織進(jìn)行了分析，斷口附近可觀察到裂紋，如圖4（a）所示。裂紋周圍組織無變形現(xiàn)象，組織為粒狀貝氏體（GB）+板條貝氏體(BF)，未發(fā)現(xiàn)異常組織，裂紋形貌顯示為沿晶開裂，如圖4（b）所示。對(duì)焊縫兩側(cè)的鋼管組織進(jìn)行了觀察，組織為鐵素體（F）+珠光體（P），如圖4（c）所示，是典型的X52管線鋼的組織。

圖3 金相試樣切割方向

圖4 試樣金相顯微組織

1.4 掃描電鏡和能譜儀分析

采用掃描電鏡對(duì)試樣斷口形貌進(jìn)行觀察，如圖5所示。

圖5 試樣斷口形貌

裂紋處的斷口為沿晶界開裂，呈柱狀晶形貌，表面光滑，斷口上存在細(xì)小的白色顆粒。選取2個(gè)位置的顆粒物進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果見圖6和表2。

圖6 斷口能譜分析位置及圖譜

表2 能譜儀分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 單位：%

從圖6和表2可以看出，顆粒主要由C、Ni、Mn、Cr、Fe、S等元素組成，S元素含量明顯高于基體的S元素含量，說明S元素在晶界上發(fā)生了偏析。

采用掃描電鏡對(duì)裂紋附近的組織進(jìn)行觀察，可以看到裂紋沿晶界擴(kuò)展（見圖7），與斷口觀察的結(jié)果一致。

圖7 裂紋附近掃描電鏡照片

2 成因分析

采用掃描電鏡對(duì)裂紋斷口進(jìn)行觀察，可以看到一排排柱狀晶形貌，為沿晶開裂。斷口表面上有一些球狀的顆粒，能譜分析顯示，該顆粒的主要成分為C、Ni、Mn、Cr、Fe、S等元素，且S元素含量明顯高于基體的S元素含量，說明S元素在斷口上發(fā)生了偏析。S與金屬形成低熔點(diǎn)相或共晶（如生成熔點(diǎn)1 190℃的FeS，進(jìn)而與Fe形成Fe-FeS，熔點(diǎn)只有985℃）[3-9]，它的熔點(diǎn)比鋼的熔點(diǎn)要低得多。同時(shí)，裂紋位于焊縫仰焊位置，是兩名焊工收弧交匯的區(qū)域，存在收弧點(diǎn)重合的可能。收弧點(diǎn)是低熔點(diǎn)雜質(zhì)聚集最多的區(qū)域，在焊縫凝固過程中形成了低熔點(diǎn)共晶[1，5]。低熔點(diǎn)的共晶聚集在柱狀晶的晶間形成所謂“液態(tài)薄膜”，凝固后期在焊縫金屬冷卻收縮產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力作用下，仍處于液態(tài)的晶界金屬被拉開，形成沿柱狀晶開裂的熱裂紋[6-9]。

3 結(jié)論

（1）X52管線鋼焊縫裂紋斷口形貌為沿晶開裂，且斷口上存在S元素的偏析，可以確定該焊接接頭裂紋為熱裂紋。

（2）裂紋位于蓋面焊道的收弧位置。焊縫中的S雜質(zhì)元素在收弧位置偏析產(chǎn)生了低熔點(diǎn)共晶，在焊接拉伸應(yīng)力的作用下形成了裂紋。