L555M管線鋼自動焊工藝焊接裂紋原因分析

摘" " 要：全自動焊技術(shù)因其可靠的焊接質(zhì)量、高效的焊接效率在油氣長輸管道建設(shè)中被廣泛使用。針對國內(nèi)某在建天然氣管道工程L555M鋼在焊接過程中出現(xiàn)的裂紋，采用化學(xué)成分分析、無損檢測、宏觀分析、微觀分析、掃描電鏡聯(lián)合能譜等分析方法，分析了該裂紋產(chǎn)生原因。研究結(jié)果表明：該裂紋缺陷為銅元素富集所致。銅元素富集的原因為：全自動焊接設(shè)備的銅質(zhì)導(dǎo)電嘴在焊接過程中與焊縫坡口碰壁產(chǎn)生短路，短路電流產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致銅質(zhì)導(dǎo)電嘴部分熔化，隨著焊接完成，被熔化的銅元素聚集在母材和焊縫的晶界處，晶界銅富集區(qū)域在焊縫殘余拉應(yīng)力作用下發(fā)生脆化進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。

關(guān)鍵詞：L555M管線鋼；自動焊；焊接裂紋；原因分析

Analysis of welding cracks in L555M pipeline steel automatic welding process

YU Zhenqi1， WANG Song2， ZHANG Yang2， LU Chunyu3

1. Construction Project Management Branch of PipeChina， Langfang 065000， China

2. China Petroleum Pipeline Engineering Co.， Ltd.， Langfang 065000， China

3. China Academy of Industrial Internet， Beijing 100020， China

Abstract：Automatic welding technology has been widely used in the construction of long-distance oil and gas pipelines due to its reliable welding quality and efficiency. To analyze the cracking cause during the L555M steel welding in an ongoing domestic natural gas pipeline project， various methods are applied， including chemical composition analysis， non-destructive testing， macroscopic analysis， microscopic analysis， and scanning electron microscopy along with energy spectrum analysis. It is found that the crack results from copper enrichment， which occurs when the copper conductive nozzle of the fully automatic welding equipment collides with the weld groove during the welding process and gets short-circuited. The heat generated by the short circuit current melts a part of the copper conductive nozzle in contact with the weld groove. As the welding is completed， the melted copper aggregates at the grain boundary between the base material and the weld seam. Under the residual tensile stress of the weld seam， the copper enrichment area at the grain boundary undergoes embrittlement and then the crack forms.

Keywords：L555M pipeline steel; automatic welding; welding cracks; cause analysis

隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，我國對石油、天然氣、氫氣等能源消費需求量不斷增長，“全國一張網(wǎng)”加速推進(jìn)，油氣主干管網(wǎng)建設(shè)向高鋼級、大口徑、大壁厚方向發(fā)展[1]。采用全自動焊技術(shù)，可確保環(huán)焊縫的強度、韌性等性能優(yōu)良，且可顯著提高焊接效率，降低勞動力消耗，提高管道的安全性、可靠性[2]。油氣長輸管道自動焊技術(shù)自2002年首次規(guī)?；瘧?yīng)用于西氣東輸管道工程建設(shè)后，在我國已有20余年的成功實踐積累[3]。雖然采用全自動焊技術(shù)的環(huán)焊縫相對于半自動焊、手工焊技術(shù)更加穩(wěn)定可靠，但近年來采用全自動焊技術(shù)焊接的管道環(huán)焊縫失效所導(dǎo)致的安全事故也時有發(fā)生[4]。裂紋是焊接結(jié)構(gòu)中最危險的一種缺陷，它不但直接降低了焊接接頭的有效承載面積，而且還會在裂紋的尖端部位形成強烈的應(yīng)力集中，容易使焊接接頭產(chǎn)生突然的脆性破壞，所以對焊接裂紋的控制一直是管道焊接的重點[5]。

國內(nèi)某在建天然氣長輸管道工程采用全自動焊接后，在無損檢測報告中發(fā)現(xiàn)疑似裂紋焊口。疑似裂紋焊口鋼管母材為L555M，管徑1 219 mm，壁厚27.5 mm，焊接工藝為內(nèi)焊機+雙焊炬氣體保護(hù)實心焊絲全自動焊?，F(xiàn)場施工記錄表明，該焊口根焊焊材為伯樂SG8-P，直徑0.9 mm；填充蓋面焊材為林肯Pipeliner 80Ni1，直徑1.0 mm。通過與焊接工藝規(guī)程比對，確認(rèn)管材組對、焊口預(yù)熱、層間溫度、焊接工藝參數(shù)、焊縫外觀檢查等記錄均符合焊接工藝規(guī)程的要求。為分析裂紋產(chǎn)生的原因，將該問題焊口在實驗室重新進(jìn)行無損檢測以定位裂紋缺陷位置，并對裂紋缺陷前后一段距離的焊縫進(jìn)行金相切片（每個切片2.5～3.0 mm）和磨拋處理，而后進(jìn)行化學(xué)成分、金相組織、斷口形貌和能譜等分析。

1" " 檢驗及結(jié)果

1.1" " 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對該裂紋缺陷附近的鋼管母材以及焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，其結(jié)果如表1所示。

由表1可知：母材的金屬化學(xué)成分滿足國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司（以下簡稱國家管網(wǎng)集團）DEC-NGP-S-PL-003-2020-1《輸氣管道工程鋼管通用技術(shù)規(guī)格書》的相關(guān)要求，DEC- OGP-G -WD-002-2020-1《油氣管道工程線路焊接技術(shù)要求規(guī)定》未要求對焊縫金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析，其檢測結(jié)果僅為便于裂紋原因分析提供參考，不作為分析焊縫金屬是否合格的依據(jù)。

1.2" " 無損檢測

采用射線法（RT）對缺陷試塊進(jìn)行無損檢測，其檢測結(jié)果如圖1所示，從RT底片中可見焊縫垂直方向上的焊接缺陷，長度約10 mm。

1.3" " 宏觀分析

對試塊按照圖2示意的取樣方式進(jìn)行剖切打開，在無損檢測定位的缺陷位置兩側(cè)各切取一定數(shù)量的宏觀金相切片，以確定焊縫缺陷的位置和初步判斷缺陷性質(zhì)。

對疑似存在焊縫缺陷的焊口切取了15個金相，經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后，發(fā)現(xiàn)其中包括M7至M13等連續(xù)的金相含有明顯的裂紋缺陷。根據(jù)切片金相的厚度，實際裂紋的長度約15 mm，典型裂紋缺陷（M11）如圖3（a）所示，無缺陷金相（M1）如圖3（b）所示。

1.4" " 微觀組織分析

對裂紋缺陷較大的焊縫進(jìn)行顯微金相組織分析，發(fā)現(xiàn)該裂紋附近的焊縫組織呈樹枝晶，晶界上存在顆粒狀或條狀的白色結(jié)晶體，見圖4。

1.5" " 掃描電鏡聯(lián)合能譜分析

為了進(jìn)一步分析裂紋形成原因，采用掃描電鏡聯(lián)合能譜儀對裂紋附近微區(qū)的化學(xué)成分進(jìn)行了元素分析（見圖5），分析結(jié)果見表2?？梢钥闯觯毫鸭y附近的銅含量遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)離裂紋的區(qū)域。

2" " 裂紋成因分析

由上述試驗分析結(jié)果可得出，母材化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。焊縫微觀組織未見異常，在裂紋點區(qū)域銅含量遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)離裂紋點的區(qū)域。

對比分析該焊口施工過程記錄、焊接材料復(fù)檢報告與焊接工藝規(guī)程，認(rèn)為符合焊接工藝規(guī)程的要求。

為了分析焊縫裂紋產(chǎn)生的根本原因，對該焊接機組進(jìn)行實地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當(dāng)軌道安裝水平度不夠、焊接小車有傾斜或?qū)щ娮炫c焊接坡口不完全垂直時，會造成導(dǎo)電嘴頻繁觸碰管壁的現(xiàn)象，而銅質(zhì)導(dǎo)電嘴觸碰焊縫坡口會導(dǎo)致短路。銅質(zhì)導(dǎo)電嘴與焊縫坡口接觸的部分在短路電流產(chǎn)生的高溫下發(fā)生熔化。關(guān)于全自動焊熔銅裂紋產(chǎn)生的原因，李亮等[4]在管道環(huán)焊縫治理中注意到并進(jìn)行了分析：銅是熔點相對較低的金屬，其熔點（1 083 ℃）低于熔池溫度和近焊縫處溫度。在環(huán)焊縫的填充焊接過程中，焊縫坡口處凝固的銅熔化并沿晶界擴散，在隨后蓋面焊接過程中，熔入填充焊熔合線處的銅再一次受熱升溫甚至熔化，在焊縫殘余拉應(yīng)力的作用下，沿母材和焊縫晶界發(fā)生擴散，最終在晶界處形成銅富集區(qū)，導(dǎo)致晶界發(fā)生脆化并最終產(chǎn)生了焊接裂紋。

綜合分析認(rèn)為，產(chǎn)生該裂紋缺陷的原因正是在焊接過程中銅質(zhì)導(dǎo)電嘴與焊縫坡口接觸而發(fā)生熔化所導(dǎo)致。

3nbsp; " 結(jié)論

1）通過對焊口焊縫疑似裂紋的分析試驗，表明該缺陷為銅富集導(dǎo)致的焊縫裂紋缺陷，裂紋長度約15 mm，自身高度最大為8 mm。產(chǎn)生原因是填充焊熔合線處的銅元素再一次受熱升溫熔化，在殘余拉應(yīng)力的作用下，沿母材和焊縫晶界發(fā)生擴散，最終在晶界處形成銅富集區(qū)，導(dǎo)致晶界發(fā)生脆化并最終產(chǎn)生了焊接裂紋。

2）為了防止全自動焊焊熔銅裂紋的產(chǎn)生，焊接小車的安裝應(yīng)確保平穩(wěn)。焊接過程中需要注意觀察熔池，確保導(dǎo)電嘴沒有觸碰焊縫坡口。當(dāng)發(fā)生導(dǎo)電嘴燒熔或觸碰焊縫坡口時，必須將其打磨、清理干凈，完全去除銅元素污染，必要時重新進(jìn)行坡口的加工和焊接，以避免產(chǎn)生焊接裂紋。

參考文獻(xiàn)

[1]" 趙賞鑫. 油氣長輸管道工程自動焊施工的技術(shù)準(zhǔn)備要點[J]. 油氣儲運，2021，40（12）：1 409-1 415.

[2]" 隋永莉，吳宏. 我國長輸油氣管道自動焊技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J]. 油氣儲運，2014，33（9）：913-921.

[3]" 隋永莉. 油氣管道環(huán)焊縫焊接技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 電焊機，2020，50（9）：53-59.

[4]" 李亮，黃磊，劉隴，等. X80M鋼螺旋埋弧焊管自動焊對接環(huán)焊縫出現(xiàn)裂紋的原因[J]. 機械工程材料，2021，45（11）：68-75.

[5]" 李碩，李永春，易斐寧，等. X52管線鋼焊縫金屬裂紋分析[J]. 石油工程建設(shè)，2022，48（4）：90-92.

作者簡介：

郁振其（1987—），男，江蘇沭陽人，工程師，2013年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）材料科學(xué)與工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事油氣儲運工程建設(shè)管理及工程造價研究工作。

Email：zhenqi_yu@163.com

收稿日期：2024-04-12