某直缝埋弧焊管焊接缺陷原因分析

2020-03-21赵金兰李京川瞿婷婷

焊管 2020年2期

赵金兰，李京川，王康，瞿婷婷，仝柯

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安 710077；2.西安长立油气工程技术服务有限公司，西安 710065）

焊缝裂纹是长输管道焊接过程中危害较大的一种焊接缺陷。因为长输管道的性质，一般情况下都存在一定的延伸性[1]，这不仅降低了管道承载的截面积，而且容易产生应力集中，甚至可能诱发脆性断裂。尤其尖端存在缺口效应，很容易出现三向应力状态，导致裂纹失稳和扩展，致使结构断裂[2-5]。

焊接裂纹分为热裂纹、冷裂纹、层状撕裂和再热裂纹4 类[6-7]。冷裂纹一般指在室温附近出现的裂纹，冷裂纹可以在焊后立即出现，有时却要经过一段时间，如几小时、几天甚至更长时间才会出现。开始时少量出现，随着时间的推移逐渐增长和扩展。对于这类不是焊后立即出现的冷裂纹称为延迟裂纹，是冷裂纹中较为常见的一种形态[8]。本研究主要对某直缝埋弧焊管疑似焊接缺陷原因进行检测分析。

1 试验方案

本研究对某L415M 直缝埋弧焊管进行以下检测： ①钢管端部300 mm 内进行X 射线检测。②对直缝埋弧焊管外焊缝及热影响区进行磁粉检测。 ③对无损检测发现的疑似缺陷1#位置（距管端约20 mm）取1 个背弯试样；疑似缺陷2#位置（距管端约70 mm）取1 个金相试样；疑似缺陷3#位置（距管端约150 mm）取1 个面弯试样；正常4#位置取面弯、背弯各1 个，取样位置如图1 所示。 ④对金相检测试样进行能谱分析。

图1 取样位置示意图

2 试验过程及结果

2.1 X射线检测

试验设备为XT2005D 射线探伤机，采用单壁透照方式对直缝埋弧焊管管端300 mm 内进行X 射线无损检测，依据标准ASTM E94/E94M-17，检测条件见表1。在中心左80 mm 处发现1 mm 圆形缺陷，该缺陷为直径1 mm 气孔，属于标准范围内。

表1 X 射线检测条件

2.2 磁粉检测

试验设备为XDYY-ⅢA 磁粉探伤仪，采用磁轭法对直缝埋弧焊钢管外焊缝及热影响区进行磁粉无损检测，检测依据标准ASTM E709-15，检测条件见表2。检测发现3 处纵向线性相关磁痕，分别位于1#位置、 2#位置和3#位置的外焊缝熔合线附近，纵向线性磁痕如图2 所示。

表2 磁粉检测条件

图2 纵向线性磁痕

2.3 导向弯曲试验

采用WZW-1000 弯曲试验机，对1#位置试样进行背弯、 3#位置试样进行面弯、 4#位置试样进行面弯、背弯试验，试验标准为ASTM A370-17a。试验后试样均未出现裂纹，弯曲试验结果见表3。

表3 导向弯曲试验结果

2.4 金相分析

根据无损探伤得到的结果，在疑似缺陷位置（2#）取金相试样，采用 MEF4M 金相显微镜及图像分析系统、 OLS 4100 激光共聚焦显微镜进行金相分析。试样外表面热影响区附近裂纹形貌如图3 所示，从图3 可以看出，试样外表面热影响区内发现微裂纹，裂纹周围组织未见异常，裂纹深度为0.122 mm。焊缝、熔合区和细晶区组织如图4 所示。从图4 可以看出，焊缝区主要由AF+PF+B 粒+少量WF 组成，熔合区组织主要为B 粒，细晶区组织主要为PF+P。

2.5 能谱分析

针对金相检测发现的试样外表面热影响区微裂纹，采用TESCAN VEGAⅡ扫描电镜、 XFORD INCA350 能谱分析仪进行 SEM 检测分析。图5 为2#位置试样裂纹部位扫描电镜照片及能谱分析结果，结果表明，裂纹内主要为Fe 元素，无杂质。

图3 2#位置金相试样外表面热影响区附近裂纹形貌

图4 2#位置试样金相分析结果

图5 2#位置试样裂纹部位扫描电镜照片及能谱分析结果

3 分析与讨论

由金相、能谱分析结果可知，试样外表面热影响区存在细小裂纹，裂纹周围组织未见异常，裂纹深度为0.122 mm，裂纹内主要为Fe 元素，无杂质。这种焊接裂纹没有在焊后立即出现，而是在焊后几天甚至在更长时间后才出现，裂纹位于热影响区，属于典型的延迟冷裂纹。冷裂纹产生的主要原因有3 种： ①在埋弧自动焊内外焊热循环的作用下，热影响区生成了淬硬组织； ②焊缝中存有大量的扩散氢，且具有浓集的条件； ③焊接成型工艺不佳，导致焊接接头承受较大的拘束应力[9-10]。

本研究中金相检测未发现淬硬组织，能谱检测未发现有氢，且服役环境中不存在氢，因此本试样中的冷裂纹产生原因应是上述第3 种情况。