天然氣管道環(huán)焊縫缺陷原因分析及控制措施

王永剛

（河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院張家口分院 張家口 075000）

長輸天然氣管線的失效后果嚴(yán)重，可能導(dǎo)致重大的公共安全事故，給人民生命財產(chǎn)帶來重大損失，同時會使企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟效益遭受損害，甚至?xí)斐蓢?yán)重的環(huán)境污染。通過總結(jié)過去發(fā)生的眾多意外事故的教訓(xùn)，結(jié)合對施工過程中出現(xiàn)的一些質(zhì)量問題的分析，警示從業(yè)者必須嚴(yán)格落實相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確保長輸管線的安全可靠。

河北省張家口市某長輸天然氣管線施工過程中，在分段水壓試驗時，出現(xiàn)了壓力異常下降現(xiàn)象，施工單位立即停止試驗進(jìn)行沿線檢查，發(fā)現(xiàn)1 道環(huán)焊縫12點鐘部位出現(xiàn)較長的裂紋缺陷開裂。近年來，天然氣管道的環(huán)焊縫事故多發(fā)，環(huán)焊縫的施工質(zhì)量引起了行業(yè)的高度關(guān)注。本失效案例在水壓試驗階段即暴露了環(huán)焊縫的質(zhì)量問題，避免了管線投入運行后失效引起更大的損失后果，本文分析其環(huán)焊縫缺陷的產(chǎn)生原因，提出可行的技術(shù)控制措施，對提高天然氣管道環(huán)焊縫的施工質(zhì)量具有一定的參考意義。

1 環(huán)焊縫失效開裂情況

該環(huán)焊縫的開裂長度約為15 cm，出現(xiàn)在12 點鐘位置，從外壁來看裂紋處于焊縫金屬內(nèi)，見圖1。

圖1 管道環(huán)焊縫外壁開裂情況

將該段管節(jié)切割取樣，進(jìn)行詳細(xì)的內(nèi)外部檢查，發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫開裂部位內(nèi)表面基本全部處于焊趾位置，且在該位置發(fā)現(xiàn)了比較嚴(yán)重的咬邊現(xiàn)象，環(huán)焊縫內(nèi)表面開裂情況見圖2。對該道環(huán)焊縫的X 射線底片（見圖3）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，缺陷影像與咬邊現(xiàn)象在長度、特征等方面完全一致，確定該處環(huán)焊縫在施焊過程中即產(chǎn)生了較嚴(yán)重的內(nèi)表面根部咬邊缺陷，但在底片評價過程中并未有效識別該咬邊缺陷。

圖2 環(huán)焊縫內(nèi)表面開裂情況

圖3 開裂部位X 射線底片影像

在實驗室將環(huán)焊縫開裂位置打開，進(jìn)一步確定了裂紋發(fā)源于該內(nèi)壁咬邊位置，并沿著壁厚方向擴展至外壁開裂，開裂位置橫截面金相照片見圖4。觀察裂紋的斷面（見圖5），可以看到大部分為準(zhǔn)解理斷口，局部位置有少量的韌窩形貌，說明不同焊接道次的焊縫微觀組織性能存在差異，表現(xiàn)出了不同的斷裂特征。

圖4 開裂位置環(huán)焊縫橫截面金相照片（50 倍）

圖5 裂紋斷面掃描電鏡照片（SEM）（1000 倍）

該環(huán)焊縫開裂的主要原因是在環(huán)焊縫內(nèi)表面位置存在比較嚴(yán)重的咬邊缺陷，該位置在水壓試驗過程中由于應(yīng)力集中，從內(nèi)壁焊趾的咬邊位置產(chǎn)生了裂紋，并從內(nèi)壁向外壁擴展直至開裂。

2 焊接原因分析

該管線所使用鋼管為依據(jù)GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》的L415（X60）鋼級螺旋縫雙面埋弧焊鋼管，母材分類為Ⅱ-2，焊接材料選用低氫型焊材，根焊采用E6010 焊條的手工電弧向下焊工藝，填充及蓋面焊接采用E7178-Ni1J 的自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊接工藝。L415 鋼管產(chǎn)品質(zhì)量證明文件中的母材成分見表1。

表1 L415 母材成分

采用國際焊接協(xié)會（IIW）標(biāo)準(zhǔn)計算其碳當(dāng)量，見式（1）[1]：

可見碳當(dāng)量為0.485，大于0.4 的碳當(dāng)量，表明L415 管材在焊接過程中的淬硬性較大，可焊性稍差。

本管線施工采用的手工電弧向下焊是20 世紀(jì)90年代初國內(nèi)長輸天然氣管道普遍采用的一種焊接工藝方法［2］，突出優(yōu)點是大電流、高焊速，根焊速度可達(dá)20 ～50 cm/min，焊接效率高。施工單位經(jīng)過多年的現(xiàn)場施工實踐，形成的焊接工藝已經(jīng)比較成熟，具有較強的實際操作性。如果嚴(yán)格按照焊接工藝的要求進(jìn)行施工，出現(xiàn)焊接缺陷的可能性很小。之所以出現(xiàn)焊接接頭開裂事故說明存在一些需要重視的原因。

時效開裂情況分析：認(rèn)為該焊縫在組裝時存在預(yù)留焊縫間隙和鈍邊缺陷，增加了焊接難度，對焊接缺陷的產(chǎn)生存在直接影響，包括對口間隙、坡口角度、錯邊量等。對口間隙的大小直接影響根焊內(nèi)部成型質(zhì)量、焊接效率以及焊接材料的消耗等。對口間隙過小，易造成填充金屬不易穿透和背部成型不良；對口間隙過大，不易施焊，容易形成焊縫塌陷，增大焊接材料的消耗，降低焊接效率。坡口角度的大小影響焊接過程的散熱及焊接接頭的應(yīng)力分布。當(dāng)坡口較小時，相當(dāng)于根焊部分母材的厚度增加，增加了母材散熱，也不利于焊工觀察熔池狀況，使焊接電弧操作運行不暢，易形成根部缺陷；當(dāng)坡口較大時，焊接應(yīng)力會集中在焊接接頭的熔合線部位，易造成應(yīng)力集中敏感部位，尤其對淬硬性較大的材料影響更加明顯。

焊接參數(shù)的選擇分析：從焊接缺陷的產(chǎn)生情況看，焊縫12 點鐘15 cm 開裂處有嚴(yán)重的咬邊現(xiàn)象，說明焊接過程中存在區(qū)間焊接電流過大的工藝問題。

焊接操作工藝分析：從焊縫開裂位置金相取樣分析，焊縫微觀組織性能存在較大差異，說明焊接層次及焊縫層間溫度選擇不當(dāng)，致使焊縫產(chǎn)生了脆化組織，同時焊縫根部還產(chǎn)生了一定數(shù)量的顯微裂紋，給后續(xù)使用埋下隱患。

以上分析認(rèn)為，咬邊沿著焊趾的母材部位分布，不僅減少了該部位母材的有效承載面積，減弱了焊接接頭強度，而且由于L415 材料較大的淬硬性，管道受載工況下在咬邊處產(chǎn)生應(yīng)力集中易引起裂紋。焊接電流過大、電弧過長、焊條角度不正確、運條方法不恰當(dāng)?shù)纫蛩鼐蓪?dǎo)致咬邊缺陷的產(chǎn)生。手工電弧焊時應(yīng)選擇合適的焊接電流、電弧電壓、適當(dāng)?shù)暮笚l角度，焊條擺動到坡口邊緣時應(yīng)減慢速度，擺動到坡口中間位置應(yīng)適當(dāng)加快速度。選擇合適的焊接工藝參數(shù)，提高焊工的焊接操作水平可以避免咬邊缺陷的產(chǎn)生。[3]

3 無損檢測原因分析

該環(huán)焊縫的咬邊缺陷在X 射線底片檢測評價過程中并未得到有效控制。無損檢測執(zhí)行石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4109—2005《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》，管道爬行器中心周向曝光，檢測比例為100%，合格級別為Ⅱ級。在該標(biāo)準(zhǔn)中，焊接質(zhì)量的不連續(xù)性規(guī)定的術(shù)語為缺欠或缺陷，超出合格級別的缺欠定義為缺陷。針對內(nèi)咬邊的質(zhì)量分級見表2[4]。

表2 外徑大于89 mm 管道對接接頭內(nèi)咬邊的質(zhì)量分級

從表2 可以看出，評定標(biāo)準(zhǔn)只是對缺欠的自身長度以及焊接接頭一定長度范圍內(nèi)的累計缺欠長度提出了要求，并沒有對咬邊的深度做出規(guī)定。單憑缺欠在底片上的二維影像評級，有些厚度方向較深的缺陷就有可能漏判，從而會遺留安全隱患。此外，該標(biāo)準(zhǔn)的條文說明中在綜合評級時將咬邊、內(nèi)凹及未焊透去除，并沒有考慮這些缺陷在實際使用中有可能存在的危害。實踐證明，這種缺陷或稱為缺欠的存在，確實會對管線的安全運行構(gòu)成威脅，一旦在正常運行情況下發(fā)生事故，后果是不堪設(shè)想的?；谶@種情況，建議可以參照其他檢測標(biāo)準(zhǔn)，比如NB/T 47013 標(biāo)準(zhǔn)，對需要嚴(yán)格控制深度方向缺陷尺寸的檢測及評定，采用深度槽試片的方法[5]，做深度方向的對比評價，確定一個評定的缺陷深度可接受準(zhǔn)則，對此類焊接缺陷提出一些更高的要求，可以盡可能減少有害焊接缺陷，最大限度地消除安全隱患。但即便如此，要準(zhǔn)確判斷底片上影像深度方向的尺寸，射線檢測還是有一定的困難，這也是射線檢測技術(shù)存在的一個不足之處。

近些年開始推廣運用的數(shù)字化檢測技術(shù)，包括TOFD 和相控陣檢測，正在迅速替代傳統(tǒng)的檢測方法。尤其是相控陣檢測，其優(yōu)點是：1）檢測速度快，檢測效率高；2）定位準(zhǔn)確，檢測靈敏度高；3）檢測結(jié)果直觀，可實現(xiàn)實時顯示；4）檢測可靠性好；5）可檢測RT 無法穿透的壁厚，可實現(xiàn)全焊縫截面掃查、顯示，對焊縫上下表面及內(nèi)部缺陷均能準(zhǔn)確測量幾何尺寸，尤其是可以給出X 射線檢測不能確定的缺陷高度，對缺陷危害的防控更加全面［6］。

4 結(jié)束語

1）焊口的質(zhì)量控制受多種因素的影響：一方面是施工現(xiàn)場的因素。管道施工現(xiàn)場環(huán)境一般都是在野外，自然條件不好，有時受到天氣變化等因素的影響會使現(xiàn)場條件更加惡劣，從而使焊接施工操作和焊縫質(zhì)量受到影響。另一方面是人為因素。施工中為趕進(jìn)度往往會出現(xiàn)質(zhì)量方面的疏忽，相關(guān)人員對缺陷性質(zhì)、危害程度的認(rèn)識不足，對發(fā)現(xiàn)的此類缺陷把關(guān)不嚴(yán)，未給予足夠重視，未予以及時處理。通過以上對施工過程的分析，以及對之后實施的焊接過程的重點監(jiān)控，實踐證明只要在施工過程中嚴(yán)格按照焊接工藝操作，形成的焊縫就是完全合格的。因此，施工中技術(shù)人員、操作人員要對材料性能、焊接方法有充分的了解，全過程嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程。

2）由于管道材料淬硬性較大，焊接過程中易出現(xiàn)缺陷以及不連續(xù)導(dǎo)致的應(yīng)力集中，對管道的長期安全運行帶來隱患。這就要求外觀檢查及無損檢測人員要提高安全質(zhì)量意識，對應(yīng)檢部位要全覆蓋檢驗，并從嚴(yán)執(zhí)行質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)。要完成好這項工作，涉及現(xiàn)場焊接人員、外觀檢查人員、無損檢測人員、旁站監(jiān)理等。只有各個崗位互相配合、互相補充地對焊接的全過程實施檢查，才能不出漏洞，全程把好質(zhì)量關(guān)。

3）在具備條件的情況下，建議積極推廣使用先進(jìn)的數(shù)字檢測技術(shù)，遠(yuǎn)程共享分析檢測數(shù)據(jù)，以達(dá)到提高施工效率、提高焊接質(zhì)量的目的。特別對一些運行環(huán)境復(fù)雜、地區(qū)等級比較高的管道，更應(yīng)加強本質(zhì)安全工作，從施工組織、現(xiàn)場組焊、質(zhì)量控制、監(jiān)理巡查、監(jiān)督檢驗各個環(huán)節(jié)全方位嚴(yán)抓共管，環(huán)環(huán)相扣做好安全質(zhì)量管理，有效保障天然氣能源大動脈的安全運行。