X70輸氣管道對接環焊縫開裂原因分析

陳啟斌

(國家管網集團廣東省管網有限公司 廣東 廣州 510710)

0 引 言

油氣管道長時間服役后,因為焊縫缺陷導致管道失效的案例經常出現。在我國發生了較多的管道焊縫失效事故。1986年10月-1996年12月,達臥線共發生30次爆管事故,其中27次發生于環焊縫,其所占比例為90%。近10 a來,隨著高鋼級大口徑管道的大量建設和投產,在管道試壓階段和投產運行初期就發生了超過30 起的環焊縫開裂和泄漏事故[1]。近年來,高鋼級管道環焊縫失效事故屢次發生,引起了對管道環焊縫安全可靠性研究的高度重視[2-4]。70%以上的環焊縫失效事故是由環焊縫缺陷引起[1,5],因此在役管道環焊縫隱患排查及治理中,為了避免管道環焊縫在焊接和運行過程中出現失效事故,應對環焊縫缺陷的形成原因進行分析。

1 開裂失效情況

某輸氣管線在進行環焊縫隱患排查時,發現一處環焊縫存在裂紋缺陷,現場無損檢測初步確定該裂紋環向長度為121.34 mm,在外表面的深度為11.20 mm,裂紋高度為5.95 mm。該管線的鋼管規格為Φ914 mm×16 mm(上游:螺旋焊管)/17.5 mm(下游:彎管),鋼管鋼級為X70,設計壓力為9.2 MPa,實際運行壓力為5.0～5.4 MPa,管道環焊縫焊接方式為焊條電弧焊+自保護藥芯焊絲半自動焊。

2 宏觀形貌分析及無損檢測

環焊縫開裂的管段如圖1所示。對開裂環焊縫分別進行宏觀形貌分析、熒光磁粉、X射線和超聲波等無損檢測,確定環焊縫開裂失效的位置以及裂紋的尺寸。

圖1 環焊縫開裂管段

2.1 宏觀形貌分析

開裂失效的環焊縫內表面的0:00+70 mm～0:00+160 mm處存在肉眼可見的凹陷,凹陷寬度約為6 mm,最深處約寬度為2 mm,該位置存在裂紋缺陷,開裂形貌如圖2所示。

圖2 環焊縫開裂形貌

2.2 無損檢測

依據ASTM E709-2021《磁粉檢驗標準指南》標準,對環焊縫內外表面進行熒光磁粉檢測。檢測結果表明,在環焊縫內表面0:00+70 mm處存在長度約110 mm的裂紋,如圖3 a)所示。依據ASTM E94-2017《射線照相檢驗用標準導則》標準,對環焊縫進行射線檢測,檢測結果表明,在環焊縫內表面0:00+70 mm處存在1處長度約110 mm的裂紋,如圖圖3(b)所示。依據NB/T 47013.10-2015《承壓設備無損檢測 第10部分:衍射時差法超聲檢測》標準,對環焊縫缺陷位置進行經衍射時差法超聲檢測(TOFD),確定裂紋高度約為6.5 mm。

圖3 環焊縫無損檢測裂紋形貌

3 環焊縫力學性能試驗

依據SY/T 0452-2021《石油天然氣金屬管道焊接工藝評定》標準對失效環焊縫沒有裂紋部位進行理化性能試驗,試驗項目包括拉伸性能、夏比沖擊、彎曲、刻槽錘斷、硬度和金相組織。取樣位置及取樣數量見表1,取樣位置示意圖如圖4所示。

表1 環焊縫理化性能試驗取樣數量及位置

圖4 管道環焊縫取樣位置示意圖

3.1 拉伸性能試驗分析

用UTM5305材料試驗機和SHT4106材料試驗機,依據標準GB/T 228.1-2021《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》標準對環焊縫0:00和6:00位置進行拉伸性能試驗,試樣為板狀試樣,尺寸為25 mm×50 mm。在環焊縫0:00位置取樣進行常規拉伸(試樣長度垂直于環焊縫)試驗。為了更清楚地了解環焊縫拉伸性能,在環焊縫0:00和6:00位置取樣進行全焊縫拉伸試驗,全焊縫拉伸試樣采用直徑為5 mm的全焊縫圓棒試樣。試驗結果表明,常規拉伸試驗的抗拉強度大于母材抗拉強度最小要求值570 MPa,符合SY/T 0452-2021標準的要求;全焊縫拉伸屈服強度均大于母材的最小屈服強度標準要求值485 MPa?？估瓘姸茸钚≈禐?51 MPa,小于母材標準要求的最小抗拉強度570 MPa,由于標準中沒有全焊縫拉伸性能的要求值,全焊縫拉伸試驗結果僅供參考。

3.2 夏比沖擊性能試驗分析

用PIT752D-2型沖擊試驗機,依據GB/T 229-2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》標準對環焊縫3:00和6:00位置的焊縫中心和熱影響區進行夏比沖擊試驗,試驗溫度為-5 ℃,采用10 mm×10 mm×55 mm的夏比沖擊試樣。沖擊功試驗結果表明,環焊縫及熱影響區夏比沖擊功單個最小值為147 J,平均最小值為172 J,剪切面積最小值為70%。由于SY/T 0452-2021標準對環焊縫夏比沖擊功的要求是:在室溫下夏比沖擊功最小值和平均值分別應大于18.9 J和27 J,因而,該環焊縫夏比沖擊試驗結果符合SY/T 0452-2021標準的要求。

3.3 硬度云圖分析

為了分析環焊縫硬度分布規律,采用KB30BVZ-FA維氏硬度計,對環焊縫6:00位置和裂紋位置進行硬度云圖測試。測試采用HV0.5,測試點間隔為0.5 mm,環焊縫6:00位置共測試1 827個點。裂紋位置環焊縫測共測試1 363個點。硬度的分布為,環焊縫6:00位置,靠外壁填充焊位置硬度值較低,其他填充焊位置、熱影響區和母材位置硬度值分布較均勻。裂紋位置環焊縫和填充焊位置硬度低于熱影響區和母材的硬度。

3.4 導向彎曲及刻槽錘斷試驗分析

用WZW-1000 彎曲試驗機,依據GB/T 2653-2008標準,對環焊縫進行導向彎曲試驗。試驗結果表明,試樣彎曲面未見裂紋或開裂現象,試驗結果符合SY/T 0452-2002標準的要求。

用 SHT4106材料試驗機,依據SY/T 0452-2021標準,在環焊縫2:00和7:00位置取樣,對開裂管段環焊縫進行刻槽錘斷試驗。試驗結果表明,開裂管段鋼管2:00位置環焊縫刻槽錘斷試驗結果符合SY/T 0452-2021標準的要求。

4 裂紋斷口分析

依據無損檢測結果對環焊縫裂紋缺陷進行定位,將含裂紋環焊縫位置沿管體縱向進行切割,編號分別為1#、2#、3#和4#。為了進一步觀察裂紋擴展形貌,2#試樣在液氮中冷卻后,在拉伸試驗機上沿垂直于焊縫方向拉開,分為2#-1和2#-2試樣,其中2#-1和2#-2試樣用于斷口形貌分析,1#、3#和4#試樣用于進行金相試驗,4#試樣在進行金相試驗后,進行硬度云圖測試。切割后及拉開后的含裂紋試樣如圖5所示,箭頭所指方向為試樣的試驗分析表面。

圖5 環焊縫裂紋分割示意圖

4.1 宏觀分析

將2#試樣打開后,對2#-1和2#-2斷口形貌進行分析。將2#-1和2#-2斷口合并,可清晰發現裂紋起源于環焊縫內表面根焊的焊趾處,如圖6所示。

圖6 環焊縫內表面裂紋位置

對打開后的2件試樣進行斷口形貌分析,黑褐色斷口為原始裂紋斷口,亮白色斷口為拉伸產生的新鮮斷口。斷口表面沒有發現疲勞特征,斷口宏觀形貌如圖7所示。從圖7可見,原始裂紋斷口表面凹凸不平,原始裂紋斷口黑褐色物質為致密形態,采用毛刷清理后該黑褐色物質沒有脫落。

圖7 2#-2試樣斷口原始形貌

4.2 裂紋金相分析

1#、3#和4#裂紋處環焊縫宏觀形貌如圖8所示,微觀形貌如圖9和圖10所示。從圖8可見,裂紋均起源于根焊焊趾處,沿著根焊向填充焊方向擴展。1#試樣內表面焊縫存在較大的余高,其內表面余高約為3 mm。3#試樣存在根部內凹,內凹深度約為1.5 mm。從圖9和圖10可見,含裂紋環焊縫金相組織與其他位置金相組織相同,均為正常焊縫組織。1#試樣裂紋尖端附近存在沿晶開裂形貌,如圖9(b)所示。4#試樣裂紋內存在大尺寸異物,如圖10(b)所示。

圖8 裂紋附近環焊縫宏觀形貌

圖9 1#試樣裂紋金相試驗結果

圖10 4#試樣裂紋金相試驗結果

4.3 電鏡及能譜分析

用TESCAN VEGAⅡ掃描電子顯微鏡及XFORD INCA350能譜分析儀對2#-2斷口試樣斷口表面和3#裂紋試樣進行微觀形貌及能譜分析。掃描電鏡試驗結果表明,2#-2試樣原始斷口區域被腐蝕產物所覆蓋,主要為腐蝕形貌特征,無明顯裂紋源特征,如圖11(a)所示;2#-2斷口局部位置發現非金屬異物,如圖11(b)所示。

圖11 裂紋斷口形貌

對2#-1表面腐蝕產物進行能譜分析,結果見表2。能譜分析結果表明,斷口表面的腐蝕產物主要為鐵的氧化物。

表2 2#-1斷口表面腐蝕產物能譜分析結果

對2#-2斷口采用醋酸纖維脂和丙酮除去表面腐蝕產物后,對斷口表面進行能譜分析。能譜分析結果表明,斷口表面存在Na、Mg、Al、Si、Ti和Mn等,且元素含量較高,能譜測試位置如圖12所示,分析結果見表3。

表3 2#-2斷口表面能譜測試結果

圖12 2#-2試樣斷口能譜分析位置

對4#試樣裂紋內的非金屬異物進行能譜分析。分析結果表明,4#試樣裂紋內非金屬異物含有Na、Mg、Al、Si、Ti和Mn等元素,測試位置如圖13所示,分析結果見表4。從表4可見,與2#-2斷口表面能譜分析的化學成分結果相似,說明4#試樣裂紋內非金屬異物與2#-2斷口上的物質相同。

表4 3#試樣裂紋內夾渣能譜測試結果

圖13 4#試樣能譜分析位置

5 環焊縫開裂原因綜合分析

X70 輸氣管線的環焊縫內表面0:00+70 mm～0:00+160 mm位置存在肉眼可見凹陷,凹陷寬度約為6 mm,最大深度約為2 mm,該位置存在一條環向長度為110 mm的裂紋。

管道開裂環焊縫的拉伸強度、夏比沖擊韌性、硬度和彎曲試驗等力學性能試驗結果均符合SY/T 0452-2021標準的要求,由此說明環焊縫焊接質量適用于符合X70管道的焊接質量要求。

4#試樣裂紋位置金相分析結果顯示,開裂環焊縫裂紋部位的金相組織正常,但裂紋尖端存在沿晶微裂紋,裂紋內存在非金屬異物,能譜分析發現該非金屬異物含有Na、Mg、Al、Si、Ti、Mn等元素。2#-2試樣斷口宏觀形貌分析表明,裂紋斷口表面呈黑褐色,且斷口表面黑褐色物質為致密形態,采用毛刷清理后沒有脫落。掃描電鏡結果顯示,開裂裂紋表面被腐蝕產物覆蓋,其主要成分為Fe的氧化物。開裂裂紋無明顯裂紋源,局部位置發現鑲嵌異物,能譜分析發現該異物含有與4#試樣裂紋內鑲嵌的非金屬異物相同的化學元素。

經調查,該環焊縫焊接方法為焊條電弧焊(根焊)+自保護藥芯半自動焊(填充焊、蓋面焊),根焊焊條型號為E6010型,該焊條為低氫纖維素焊條,焊條的藥皮成分為TiO2、纖維素和氧化物(如Fe3O4、MnO、Al2O3、SiO2和MgO等)、硅酸鹽/碳酸鹽(主要為Na和K類鹽)以及其他成分。

綜上所述,開裂裂紋表面腐蝕產物主要為鐵的氧化物,由于開裂裂紋表面呈黑褐色,且腐蝕產物為致密形態,而不是常溫下鐵被氧化腐蝕的黃棕色和質地疏松的三氧化二鐵,由此判斷開裂裂紋表面腐蝕產物為鐵在高溫狀態下氧化產生的四氧化三鐵。另外,4#試樣裂紋尖端附近發現沿晶微裂紋,因而該裂紋應是在焊接過程中形成,即為焊接熱裂紋。由該環焊縫的焊條藥皮成分可以判斷,裂紋中鑲嵌的非金屬異物為焊條藥皮燃燒后產生的焊渣。在焊接過程中,焊接藥皮不斷分解,熔化而生成氣體及熔渣,保護焊條端部、電弧、熔池及其附近區域,防止大氣對熔化金屬的有害污染。焊接藥皮產生的熔渣主要為Na、Mg、Al、Si、Ti和Mn等元素的氧化物。該類氧化物具有強度低和熔點高的特性。在焊接過程中,根焊處焊渣未完全排出,混合于焊縫金屬中,形成低強度的偏析條帶,在殘余應力的作用下,沿內焊趾處應力集中位置開裂。

6 結論及建議

1)管道開裂環焊縫的拉伸強度、夏比沖擊韌性、硬度和彎曲試驗等力學性能試驗結果均符合SY/T 0452-2021標準的要求,開裂環焊縫裂紋部位的金相組織正常。

2)該環焊縫裂紋缺陷符合熱裂紋特征,裂紋在焊接過程中形成,開裂的主要原因為焊縫金屬中存在焊接藥皮產生的焊渣,形成低強度的偏析條帶,在殘余應力的作用下,沿內焊趾處應力集中位置開裂。

3)建議結合內檢測信號和建設期底片對該條管線位于同一標段、同一時期和同一焊組焊接環焊縫進行排查,確定其他位置環焊縫缺陷情況。

4)若開挖檢測后發現類似危害性較大的裂紋缺陷,建議進行含缺陷環焊縫服役適用性評價,根據評價結果確定含缺陷環焊縫的處理方法。若評價結果顯示缺陷不可接受或接近不可接受,建議在具備換管條件下進行割口換管,并進一步對裂紋形成原因進行分析。