张冰

大庆油田有限责任公司采油一厂油田管理部

随着我国天然气产量和需求的不断提升，我国天然气管道、压气站也逐步进入建设高峰期。压气站及管道作为天然气传输系统的重要环节，有着特别重要的作用[1-2]。其中，焊接接头由母材、焊缝和热影响区组成，各部分理化性能都存在一定的差异性和不确定性，同时由于焊接工艺、焊材、强度匹配、不等壁厚等因素的影响，造成焊接结构的不稳定性[3-5]。而钢制管道在出厂前已经进行了相应的质量检验，结构稳定性远高于环焊缝，因此，环焊缝是压气站内管线结构的薄弱环节。

某压气站在运行两年后的定期检验中，发现某环焊缝处有多个表面裂纹。通过对该压气站环焊缝及其裂纹的成因开展分析，为压气站内管道的安全稳定运行提供了技术支撑。

1 管道裂缝及检测

1.1 宏观分析

压气站内管道设计压力12.0 MPa，工作压力为8.6 MPa，环焊缝上游侧为Φ914 mm×30 mm X70直缝埋弧焊钢管，下游侧为36 in×30 in Class900 止回阀，阀体材质为A694F60。裂纹表面经过打磨去除焊缝余高后裂纹仍未消除，说明裂纹深度较深（图1）。另外，从环焊缝内表面可以发现环焊缝存在补焊痕迹（图2）。

图1 打磨后的部分裂纹宏观形貌Fig.1 Macro morphology of some cracks after grinding

图2 环焊缝内表面补焊Fig.2 Repair welding for inner surface of girth weld

1.2 磁粉检测

采用CJZ-212E 磁粉探伤仪，依据标准ASTM E709-2015《磁粉检验的标准指南》对环焊缝内、外表面进行磁粉检验[6]，仅从外表面检测出6 处裂纹，其中1#～3#裂纹位置位于焊缝中心，4#、5#裂纹位于阀门侧焊趾处，6#裂纹位于焊缝中心。裂纹具体尺寸见表1，裂纹位置和外观形貌如3、图4所示。

表1 环焊缝外表面磁粉检测结果Tab.1 Magnetic particle testing results of outer surface of girth weld

图3 裂纹位置示意图Fig.3 Schematic diagram of crack location

图4 环焊缝裂纹外观形貌Fig.4 Girth weld crack appearance

2 环焊缝性能检验

为分析环焊缝的整体性能，对不含裂纹的环焊缝区域进行化学成分、拉伸性能、弯曲性能、刻槽锤断、夏比冲击性能、金相分析等性能指标检测，具体取样位置如图5所示。

图5 环焊缝取样位置示意图Fig.5 Schematic diagram of girth weld sampling position

2.1 化学成分分析

采用ARL 4460 直读光谱仪，依据标准GB/T4336—2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》进行化学成分分析，测试位置为填充焊区域，分析结果见表2，满足标准要求[7]。

表2 环焊缝化学成分分析结果Tab.2 Analysis results of chemical composition of girth weld 质量分数/%

2.2 拉伸性能

采用UTM5305 材料试验机，依据标准ASTM A370—2018《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》对环焊缝进行拉伸性能检测，纵向拉伸试样的检测结果见表3。从表3 可以看出，环焊缝抗拉强度大于低钢级侧阀门母材的抗拉强度标准值下限，满足标准要求[8]。

表3 环焊缝拉伸性能试验结果Tab.3 Tensile property test results of girth weld

2.3 弯曲试验

采用WZW-1000 弯曲试验机，依据标准Q/SY GJX 0221—2012《某站场管道焊接技术规范》进行侧弯检测，环焊缝未出现裂纹。试验结果见表4，满足标准要求。

表4 环焊缝弯曲试验结果Tab.4 Results of girth weld bending test

2.4 刻槽锤断试验

采用SHT4106 材料试验机，依据标准Q/SY GJX 0221—2012《站场管道焊接技术规范》进行刻槽锤断检测，试验结果见表5，断口未出现超标缺陷，满足标准要求。

表5 刻槽锤断试验结果Tab.5 Results of grooving hammer breaking test

2.5 夏比冲击性能

采用ZBC2752-B冲击试验机，依据标准ASTM A370—2018《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》对环焊缝中心及热影响区进行夏比冲击试验，纵向冲击试样的试验结果见表6。从表6 可以看出，环焊缝及热影响区夏比冲击性能满足标准要求[4]。

表6 环焊缝及热影响区夏比冲击试验结果Tab.6 Charpy impact test results of girth weld and heat affected zone

2.6 金相分析

采用OLS 4100 激光共聚焦显微镜，依据标准GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》进行宏观低倍照片和微观金相组织分析[9]。结果表明，未开裂焊缝处存在多种组织，其中打底焊组织为多边形铁素体+珠光体（PF+P），盖面焊组织和填充焊组织均为针状铁素体+贝氏体+多边形铁素体（IAF+B粒+PF），熔合区组织为贝氏体（B粒），细晶区组织为多边形铁素体+马奥岛（PF+MA）。

未开裂焊缝处低倍金相照片如图6 所示[10]。从图6可以发现，环焊缝内表面存在错边，根焊处有咬边。阀门侧坡口约为22°，袖管侧坡口约为26°，总计为48°，即坡口角度约为48°，阀门侧外坡口处壁厚约55 mm。由于焊接工艺规程中规定坡口角度为60°±5°，因此与焊接工艺规程不符。

图6 未开裂焊缝处低倍金相照片Fig.6 Low magnification metallographic photos of uncracked welds

3 环焊缝裂纹分析

3.1 化学成分分析

采用ARL 4460 直读光谱仪，依据标准GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》对1#～6#裂纹处焊缝填充焊进行化学成分分析，结果见表7[11]。

表7 裂纹处焊缝化学成分分析结果Tab.7 Analysis results of chemical composition of weld at cracks 质量分数/%

3.2 裂纹处焊缝硬度分析

采用KB 30BVZ-FA 硬度计，依据标准ASTM E92—2017《金属材料维氏硬度和努氏硬度的标准试验方法》对1#～6#裂纹处环焊缝进行维氏硬度测试，测试位置如图7 所示，结果见表8[12]。硬度测试结果为166～306 HV10，其中1#、3#裂纹处根焊硬度相对较高，为299～306 HV10。

表8 裂纹处焊缝维氏硬度试验结果Tab.8 Vickers hardness test results of welds at cracks HV10

图7 焊缝区域维氏硬度测试位置Fig.7 Vickers hardness test position in weld area

3.3 裂纹金相形貌及扫描电镜分析

采用OLS 4100 激光共聚焦显微镜，依据标准GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》对1#～6#裂纹试样进行宏观形貌和金相组织分析[12]。焊缝低倍金相照片如图8 所示，可以看出，1#～6#裂纹处焊缝均存在返修痕迹。焊缝层数分析结果见表9，焊缝层数包括根焊、填充焊、盖面焊三个部分，1#～6#裂纹处焊缝层数与未开裂焊缝处一致，均满足焊接工艺规程要求。但填充焊层内焊道数存在差异，1#、4#、6#裂纹处填充焊层内焊道为1～2道，与未开裂焊缝处相似，2#、3#、5#裂纹处填充焊层内焊道为4～6 道，与未开裂焊缝处不同。此外，1#～6#裂纹处存在不同程度的错边，1#、6#裂纹处错边量超过焊接工艺规程要求。

表9 焊缝层数及错边分析结果Tab.9 Analysis results of weld layers and unfitness

图8 焊缝低倍金相照片Fig.8 Low magnification metallographic photos of welds

1#～6#裂纹按位置特征可分为两类，1#、2#、3#、6#裂纹位于焊缝中心，4#、5#位于阀门侧热影响区。裂纹处焊缝金相组织分析见表10，1#、2#、3#、6#裂纹处根焊位置组织与填充焊相同，是由补焊导致的。

表10 裂纹处环焊缝试样金相分析结果Tab.10 Metallographic analysis results of girth weld sample at cracks

3.4 焊缝中心裂纹分析

3.4.1 金相分析

由于1#、2#、3#、6#裂纹具有相似形貌特征，以1#裂纹为例进行分析，裂纹形貌如图9所示。裂纹宽度自外表面向壁厚中心逐渐减小，表明裂纹由外表面向内部扩展。裂纹多存在于粗大晶粒区域和柱状晶边界，局部可见明显的沿晶断裂特征（图10）。晶粒直径约在107～334 μm 区间（图9b）。柱状晶粒长度超过800 μm，表明焊接热输入量较大，焊接热影响现象明显（图9c）。裂纹末端存在疏松组织（图9d）。

图9 1#裂纹金相形貌图Fig.9 1#crack metallographic morphology

图10 1#裂纹局部沿晶断裂Fig.10 1#crack local intergranular fracture

3.4.2 扫描电镜

采用TESCAN VEGAⅡ扫描电镜对1#裂纹形貌进行观察，裂纹曲折传播，裂纹中部和裂纹末端疏松组织均存在表面光滑、颗粒状枝晶间断裂形貌，是典型的焊接热裂纹特征，为焊接过程中产生的焊接缺陷。裂纹中的其他部位宽度较小，为扩展裂纹（图11）。

图11 1#焊缝外表面裂纹电镜扫描形貌Fig.11 1#SEM appearance of cracks on the outer surface of welds

3.4.3 断口分析

将1#试样沿裂纹打开，其形貌如图12所示。

图12 1#裂纹断面宏观形貌Fig.12 Macro morphology of 1#crack fracture

对断面进行扫描电镜观察和能谱分析（图13），断面存在两种断口特征，一种为河流花样的解理（图13b）和准解理（图13c）形貌，主要由Fe、O元素组成；另一种是位于裂纹端部的颗粒状枝晶间断裂形貌（图13d），主要由Fe、O、C元素组成。

图13 裂纹断口扫描电镜和能谱分析Fig.13 SEM and energy spectnum analysis of crack fracture

3.5 阀门侧焊趾处裂纹分析

3.5.1 金相分析

4#、5#裂纹具有相似的形貌特征，以4#裂纹为例进行分析（图14a），裂纹位于阀门侧热影响区近外表面，沿热影响区扩展。裂纹深入母材端呈尖端形貌（图14b），因此推断盖面焊处为裂纹源，向内部扩展。热影响区存在马氏体组织（图14c），马氏体组织的出现表明焊接冷速较快。此外，4#、5#裂纹处热影响区均存在魏氏组织（WF），魏氏组织的出现表明该区域焊接热输入量较大（图15）。

图14 4#裂纹金相形貌Fig.14 4#crack metallographic appearance

图15 4#、5#裂纹处焊缝热影响区组织Fig.15 4#and 5#crack HAZ structure

3.5.2 硬度分析

对马氏体组织进行硬度检测，测试位置如图16 所示，两处硬度分别为385 HV10、389 HV10，硬度较高。

3.5.3 断口分析

对4#裂纹断口形貌进行扫描电镜观察（图17）可以看出，断口平齐，呈存在少量韧窝准解理断裂形貌。

图17 4#裂纹断口形貌Fig.17 4#crack fracture morphology

4 检测结果分析

1#、2#、3#、6#裂纹均位于焊缝中心，具有相似的形貌特征，裂纹中部和裂纹末端存在疏松组织和颗粒状枝晶间断裂形貌，是典型的焊接热裂纹特征，为焊接过程中产生的焊接缺陷。断口呈解理和准解理断口特征。经过能谱分析发现，裂纹表面颗粒状物质主要由Fe、O元素组成。开裂处焊缝填充层金相组织特征不同于未开裂焊缝，存在明显多道次返修痕迹，造成焊接热输入量较大和不连续焊接热裂纹，焊接热裂纹破坏了焊缝金属的连续性，且坡口角度、坡口形式与焊接工艺规程不符，存在明显应力集中，在内压、焊接残余应力等载荷作用下连接贯通。

4#、5#裂纹均位于阀门侧焊趾处，具有相似的形貌特征，裂纹均由外表面向焊缝内部扩展，裂纹附近存在马氏体，硬度较高，断口表面平齐，为典型的准解理脆性断口，马氏体等组织是4#、5#裂纹产生的主要原因。

5 结论及建议

（1）该压气站管道环焊缝坡口角度、坡口形式与焊接工艺规程不符，开裂处焊缝存在多道次返修痕迹，破坏了焊缝金属连续性，造成此处金属较为薄弱。因此，现场进行大壁厚、多层、多道次焊接时，应严格按照焊接工艺规程执行。

（2）部分裂纹是由外表面向焊缝内部扩展，裂纹附近存在马氏体等硬脆组织，在内压、焊接残余应力等载荷作用下开裂并扩展。后续应重点排查该压气站其他阀门对接环焊缝外表面裂纹。