常永乐，黄晓辉，权 勇

（1.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安710065；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；3.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008）

X100螺旋埋弧焊管反弯断裂失效分析

常永乐1,3，黄晓辉2,3，权 勇3

（1.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安710065；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；3.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008）

针对X100高钢级Φ1 219 mm×14.8 mm螺旋埋弧焊管试制过程中易出现的反弯不合格问题，借助金相显微镜、扫描电镜及能谱仪等试验手段，对3种典型反弯开裂试样失效原因进行了起裂断口形貌分析。研究结果表明：反弯失效主要起裂于热影响区、熔合区及焊缝，主要原因是由于焊接接头起裂部位出现异常粗大的M/A组织、夹杂和气孔等焊接缺陷，成为诱发断裂的裂纹源，导致反弯开裂。

螺旋埋弧焊管；X100管线钢；弯曲试验；断裂；失效

目前，高压大流量长距离油气输送已经成为国际石油天然气管线的技术发展方向。X100与X80钢级相比，高钢级钢管可有效减薄壁厚，降低钢管制造难度，而且可以节省用钢量，从而节约钢管采购成本[1-2]。

弯曲试验可检验钢管焊接接头塑性性能，X100钢管在X80钢管的基础上增加了一定的合金元素，从而确保了管体和焊缝强度[3-4]。但较高的合金元素极易导致X100埋弧焊管焊接接头在导向弯曲试验时出现裂纹、断裂而导致失效，其中绝大部分失效的裂纹或断裂都发生在反弯试验过程中，正弯试验比反弯试验焊接接头发生的塑性变形位移相对较少而失效的极少。反弯试验时，内焊焊接接头部位存在极大的残余拉应力和剪切应力，管体焊接接头内壁受拉应力弯曲变形角度较大，如果制管成型工艺控制不良、焊接线能量过大或过小、焊缝成形差或者焊缝及热影响区存在夹杂物或脆化等缺陷，极易造成反弯试验不合格[5-6]。本研究主要从X100螺旋埋弧焊管试制过程中，出现多种不合格试样中选取3种典型反弯试样，通过微观组织和能谱测试，分别进行了断裂失效分析。

1 反弯试验标准及失效试样形貌

在 X100钢级 Φ1 219 mm×14.8 mm螺旋埋弧焊管试制中，正、反弯曲试样均加工成垂直焊缝的14.8 mm×38.1 mm×300 mm矩形板样，焊缝位于中心，依据ASTM A370分别进行正、反弯曲试验，弯轴直径为90 mm，弯曲角度180°。反弯试验是将外焊缝表面接触弯心，内焊缝处于拉应力的状态，而正弯试样刚好相反[7]。通过大量X100钢级Φ1 219 mm×14.8 mm螺旋埋弧焊管试制，发现存在少数弯曲不合格试样，反弯不合格的居多，如图1所示。由图1可见，反弯不合格试样典型失效起裂部位主要分为3种，1#试样反弯起裂位置大概在热影响区的粗晶区附近，离熔合线约3 mm；2#试样反弯起裂位置为熔合线区域，为应力比较集中的焊趾部位；3#试样反弯起裂于内焊缝区域，裂纹沿着焊缝进行扩展。

图1 3种典型X100螺旋埋弧焊管反弯不合格试样宏观照片

焊接接头导向弯曲性能作为一项重要的力学性能指标，可快速检验焊接接头塑性和韧性匹配性及焊接是否存在质量缺陷。对于导向弯曲试样，API SPEC 5L（45版）标准认为，试样完全断裂或者在母材金属、焊缝金属、热影响区处出现任何长度大于3.2 mm的裂纹或断裂，无论深度如何，都应判为失效。

图1中3种试样均发生完全断裂，均失效因而被判定为弯曲不合格。对试制的X100钢级Φ1219mm×14.8 mm螺旋埋弧焊管进行化学成分分析，其化学成分见表1。

表1 X100螺旋埋弧焊管化学成分 %

X100钢级螺旋埋弧焊管管体及焊缝主要力学性能全部符合API SPEC 5L（45版）标准要求，主要力学性能见表2。

表2 X100螺旋埋弧焊管力学性能

2 微观组织分析

对试制的X100钢级Φ1 219 mm×14.8 mm螺旋埋弧焊管的3个典型反弯不合格试样起裂位置进行微观组织分析，金相试样采用4%的硝酸酒精腐蚀，扫描电镜试样采用两步电解法腐蚀。试样的微观组织照片如图2所示。图2（a）中1#试样起裂于热影响区的粗晶区，在起裂边缘附近，存在粗大的白色粒状贝氏体（B）组织，裂纹的走向倾向于粒状贝氏体的边缘，一般粗大的粒状贝氏体之间结合较弱，在受到外界应力时容易沿粗晶晶界处断裂[8-10]。图2（d）中1#试样粗晶区中特别是靠近断裂边缘的部分，存在一些片状的或不规则的铁素体（F）基体，基体上分布有尺寸较大的M/A组元，较大尺寸的M/A组元偏聚形成M/A结构群，由于M/A组元为硬脆相，受到弯曲外力时不易变形[11]，而F基体本身容易发生较大变形，导致在两者的界面处，也就是粗晶区易于产生应力集中，进而反弯裂纹在粗晶区的M/A组元与基体的界面上起裂，导致1#试样反弯失效。

图2 3种典型反弯不合格试样起裂区微观组织分析

图2（b）中2#试样起裂的熔合区组织正常，为粒状贝氏体组织，未发现容易造成严重降低熔合区韧性及塑性的异常组织。图2（e）中2#试样靠近熔合线开裂边缘的焊缝分布着一些疏松“小孔”，这可能是焊接过程中较多的细小夹杂物聚集到熔合线区域，再加上熔合线开裂部位也是内焊趾区域，焊缝过渡角度大，应力集中，反弯从熔合线区域起裂断裂后，被腐蚀掉落的夹杂物形成一个个小孔的缘故。因此，焊接过程细小夹杂物聚集到熔合线区域是2#试样反弯断裂的主要原因。

图2（c）中3#试样起裂的焊缝区域分布着大量的粗大粒状贝氏体，而焊缝组织为较细密的针状铁素体（AF）。 图2（f）中 3#试样靠近焊缝开裂区域的组织较为粗大，基体上分布着少量白色或灰白色的M/A，很多M/A都带着尖角，断裂的边缘大多沿着原奥氏体的晶界，且断裂边缘上多分布着长条状的M/A[11-12]。可见，焊缝开裂区域的长条状M/A是导致3#试样反弯时断裂的原因之一。

3 能谱分析

对试制的X100钢级Φ1 219 mm×14.8 mm螺旋埋弧焊管的3个典型反弯不合试样起裂位置进行能谱（EDS）分析，如图3和图4所示。1#试样起裂于热影响区粗晶区，经过断口分析未见夹杂，2#试样起裂于熔合线区域。由图3和图4可以看出，2#试样反弯断裂起裂区发现3种夹杂物，夹杂主要集中在内焊缝的内焊趾附近。图3中黑色的球状夹杂物为铝硅酸盐，其直径约为35 μm。图4中脆断区中白色尖角块状主要为氧化硅和氧化钙夹杂，夹杂边缘锐利，氧化硅夹杂长度约为35 μm，氧化钙夹杂长度约为23 μm，可见这些夹杂尺寸都很大，图2（f）中的小孔就是夹杂脱落后形成的夹杂严重削弱了熔合线起裂附近晶粒之间的联系，破坏了基体的连续性[13-15]。在一定拉应力作用下，这些夹杂物的周围容易产生应力集中，且内焊趾区域本身应力集中，从而导致反弯在熔合线区域产生起裂。

3#试样起裂于焊缝区域，其熔合线区域的夹杂物分析如图5所示。由图5可以看出，3#试样起裂区焊缝部位未见大的夹杂物，对3#试样反弯起裂区的3个面进行EDS能谱扫描，3个面能谱扫描结果相似，都存在少量Na、K、Cl等夹杂物。这可能是焊接过程中焊剂中一些元素在焊缝金属凝固前未浮到焊缝表面，进而残留在焊缝中有关[14]。因此，这些夹杂成为试样反弯时的裂纹源。

图3 2#试样反弯断裂起裂于熔合线区域的黑色球状夹杂物

图4 2#试样反弯断裂起裂于熔合线区域的白色夹杂物

图5 3#试样反弯断裂起裂于熔合线区域的夹杂物分析

4 讨 论

焊接接头是X100钢级螺旋埋弧焊管的薄弱区域，导向弯曲试样反弯出现断裂失效的位置主要存在以下3种形式：

（1）反弯失效起裂于热影响区的粗晶区。由于反弯过程的塑性变形主要集中在热影响区，反弯变形曲率最大，热影响区部位的晶粒粗大，热影响区是焊缝和母材的过渡区域[16]，对1#试样母材进行金相组织观察，发现存在比较严重的偏析带，且边部存在粗大的晶粒，由于母材组织遗传及焊接热循环的特殊作用，导致粗晶区出现异常粗大的晶粒，且排列方向与母材的偏析带方向一致，使附近组织的塑性和韧性急剧降低，也使得不均匀组织的晶粒结合力变弱，再加上热影响区存在较大尺寸的M/A组元，导致在受到反弯外力作用下起裂于热影响区的粗晶区，试样起裂位置SEM图片如图6所示。由图6（a）可见，起裂于粗晶区的断口属于典型的粗大晶粒脆性断口形貌，断口主要为解理和二次裂纹。

（2）反弯失效起裂于熔合线，即内焊趾区域。焊缝表面过渡角度大，应力高度集中，是熔合线在受外力时容易产生裂纹的原因之一[17]。由图6（b）可见，起裂于熔合线区域的断口属于既有塑性断裂的韧窝，也有脆性断裂的层状准解理，反弯断裂失效主要另外一个主要原因为熔合线区域存在的铝硅酸盐、氧化硅、氧化钙等夹杂导致反弯失效产生。

图6 3种典型反弯不合格试样起裂位置SEM微观图

（3）反弯失效起裂于焊缝区域。焊缝断裂是焊接过程中焊缝中产生了少量Na、K、Cl夹杂，推断应为焊接工艺或焊材选择不当造成，在外力作用下，这些夹杂物周围容易产生应力集中，再加上焊缝区域存在带着尖角和长条状的M/A，M/A起初对变形起阻碍、拉拽作用，但随着变形的积累，M/A与板条铁素体基体间的界面产生较大的应力集中，当应力集中程度超过材料的抗拉强度时，焊缝区域粗大的M/A就成为裂纹源，导致试样反弯裂断。由图6（c）可见，起裂于焊缝区域的断口主要为塑性等轴韧窝状，且在韧窝上存在M/A产生的少量准解理。

5 结 论

（1）1#试样反弯失效起裂于热影响区。主要是由于母材严重带状组织的遗传和焊接热循环作用导致粗晶区出现异常粗大且定向排列的晶粒，再加上热影响区存在较大尺寸的M/A，导致X100焊接接头试样反弯断裂起裂于热影响区。

（2）2#试样反弯失效起裂于熔合线区。熔合线区的铝硅酸盐、氧化硅、氧化钙夹杂及熔合线内焊趾区域高度的应力集中，导致X100焊接接头试样反弯断裂起裂于熔合线区。

（3）3#试样反弯失效起裂于焊缝区。由于焊接工艺或焊材选择不当造成焊缝中夹杂物和焊缝起裂区域的M/A，导致X100焊接接头试样反弯断裂起裂于焊缝区。

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Analysis of Root Bend Fracture Failure for X100 SAWH Pipe

CHANG Yongle1,3,HUANG Xiaohui2,3,QUAN Yong3
（1.School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China;2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

Aiming at the unqualified root bend problem that occurred in trial production of X100 grade Φ1 219 mm×14.8 mm SAWH pipe,the fracture failure reason of three typical cracked specimens was carried out by the methods of metallographic microscope,scanning electron microscope and energy spectrometer tests.The results showed that the root bend failure mainly generate in heat affected zone,the weld fusion line area and the weld fusion line,the main reason is the abnormal massive M/A structure in crack initiation position of welded joint,as well as some welding defects,including inclusions,pores and so on,become the crack source induced fracture,leading to root bend and cracking.

SAWH pipe;X100 pipeline steel;guide bending test;fracture;failure

TG115.5

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.012

常永乐（1984—），男，工程师，西安石油大学材料科学与工程专业在读硕士研究生，主要从事SSAW钢管质量管理工作，研究方向为SSAW钢管的工艺控制与技术管理工作。

2016-04-12

罗 刚