X80 直縫埋弧焊管焊縫表面橫向裂紋成因分析

張志明， 潘小燕， 何 勇， 李芳芳， 南 海， 汪 超

（1. 渤海裝備江蘇鋼管公司， 南京 210001；2. 河北華油一機圖博涂層有限公司， 河北青縣 062658；3. 中國石油大慶煉化公司， 黑龍江大慶 163411； 4. 遼陽石化分公司， 遼寧遼陽 111003）

0 前 言

焊接裂紋是管線鋼管危害較大的缺陷之一， 在管道服役過程的動載荷下， 裂紋尖端會產生應力集中， 且有很強的裂紋擴展趨勢， 給管線的安全運行帶來隱患。 焊接裂紋的分類方式很多， 可按照裂紋的走向或裂紋出現的位置進行分類， 也可按照裂紋的宏觀形態及其分布分類， 按照裂紋發生條件和時機可將其分為熱裂紋和冷裂紋。 熱裂紋是在焊縫金屬凝固結晶過程中， 低熔點共晶物富集于晶界， 形成 “液態薄膜”， 由于焊縫凝固收縮而受到拉應力，最終開裂形成裂紋， 這種裂紋也稱為結晶裂紋。 冷裂紋是相對熱裂紋而言的， 一般是指在較低溫度下產生的裂紋。 冷裂紋大都沿晶內擴展， 有時也可沿晶界擴展。 冷裂紋沿焊縫縱向和橫向都有發生， 焊趾裂紋、 焊道下裂紋和根部裂紋都是延遲裂紋的常見形式[1-4]。

生產國內某項目用X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 直縫埋弧焊管時， 在焊材檢驗、 烘干、輸送氣體等影響因素都嚴格執行質量控制程序要求的情況下， 仍偶爾出現焊縫橫向開裂， 由于缺陷批量小， 采用修補、 切除等方式進行處理， 但缺陷產生的具體原因和消除措施并沒有得到確認。 為了查明焊管在擴徑前出現焊縫橫向裂紋的原因， 進而找到合適的改進措施， 對發生焊縫橫向開裂的焊管進行破壞取樣， 探究裂紋產生的具體原因， 并提供改進措施。

1 試驗材料和工藝

1.1 試驗材料

Φ1 219 mm×22 mm 規格管線鋼鋼板采用低C、 控Mn 及Nb、 Ti 微合金化的成分設計， 并加入Ni、 Cr 和Cu 等合金元素。 為獲得良好的焊接性能和低溫韌性， w （C） 嚴格控制在0.06%以下， 加入適當的Mn 以達到所要求的強度， 加入適量的Ni、 Cu 和Cr 等合金元素降低合金化成本。 在煉鋼過程中， 采用鈣處理和潔凈鋼冶煉技術， 嚴格控制鋼中的S、 P、 N 和O 等元素含量， 連鑄全過程保護澆鑄， 防止發生鋼水增氮及二次氧化現象。 從橫裂件上截取母材試樣進行化學成分分析， 結果見表1， 橫裂焊管母材的化學成分符合CDP-S-NGP-PL-006—2019-4 《天然氣管道工程鋼管技術規格書》 要求， S、 P 等有害元素含量控制無異常。 強度及韌性等力學性能檢測結果見表2， 亦符合上述標準要求[5-7]。

表1 X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 鋼管母材化學成分%

表2 X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 鋼管母材力學性能

1.2 焊絲和焊劑

采用鍍銅H08MnMoTiB 焊絲 （絲徑3.98～4.01 mm） 和SJ101G 焊劑， 每采購批次按照相關標準進行焊絲外觀檢查及化學成分分析、 焊劑顆粒度、 含水量和機械夾雜物分析。 批量生產前進行焊接工藝評定和首批小批量試制， 合格后批量使用。 焊劑在使用前進行300～380 ℃烘干保溫2 h， 冷卻到120～150 ℃保溫待用。 焊絲化學成分見表3， 焊劑烘干工藝曲線如圖1 所示。

表3 鍍銅H08MnMoTiB 焊絲化學成分%

圖1 焊劑烘干工藝曲線

1.3 焊接工藝

X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 焊管焊接參數見表4。 此規范下焊管的理化性能良好， 焊接缺陷率較低， 焊縫成形良好， 熔深2～4 mm， 余高＜2 mm。

表4 X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 焊管焊接參數

2 試驗結果與分析

2.1 無損探傷

對X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 焊管橫向裂紋進行無損探傷。 依據CDP-S-NGP-PL-006—2019-4 《天然氣管道工程鋼管技術規格書》 要求進行超聲波自動檢測， 檢測評定標準為Φ1.6 mm豎通孔， 100%波高作為驗收極限， 圖2 為檢測結果。 其中， 超聲波自動檢測波形如圖2 （a）所示。 按照檢測要求對報警處應進行手探復檢，超聲波手探復檢波形圖如圖2 （b） 所示。 經手探復檢該位置， 檢測結果與自動檢測結果一致，為橫向超標缺陷， 不滿足該項目的技術規格書的要求。 為了驗證該缺陷是否為表面缺陷， 對報警處進行熒光磁粉檢測， 出現明顯線性磁痕， 表面裂紋磁痕如圖2 （c） 所示， 檢測結果與超聲波檢測結果一致。 為了更進一步確定該缺陷的位置和性質， 采用相控陣超聲技術 （PAUT） 進行檢測， 如圖2 （d） 所示， 檢測結果與常規超聲波和磁粉檢測結果一致。 通過以上常規超聲波檢測、 磁粉檢測、 相控陣超聲檢測， 確定該類缺陷為表面橫向裂紋缺陷[9-10]。

圖2 X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 焊管橫向裂紋無損探傷結果

2.2 力學性能

在焊縫處取橫向全壁厚板狀拉伸試樣， 規格為38.1 mm×50 mm （寬度×標距）。 采用206DP微機控制電液伺服拉伸試驗機， 依據標準ASTM A370 進行拉伸性能測試。 焊縫處取橫向試樣，加工為55 mm×10 mm×10 mm 全尺寸試樣， 在ZBC2752-4 型沖擊試驗機上， 按照ASTM E45 標準進行CVN 試驗， 試驗溫度為-10 ℃。 力學性能檢測結果見表5。

在焊接接頭上取橫向硬度試樣， 在FV-700SB 型硬度計上， 按照ASTM E92 標準要求進行10 kg 載荷維氏硬度試驗， 測試點位置如圖3所示， 試驗結果見表6。

圖3 鋼管硬度測試位置分布

由表5 和表6 可知， 此根鋼管焊縫拉伸性能、 焊縫沖擊性能及焊縫硬度均可滿足項目標準要求， 且與同批次鋼管焊縫檢驗結果比對，無明顯差異[8]。

表5 X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 規格焊管焊縫力學性能

表6 X80 鋼級Φ1 219 mm×22 mm 規格焊管焊縫硬度

2.3 顯微組織

2.3.1 缺陷附近母材金相組織

從焊管母材取金相試樣， 在BX51RF 奧林巴斯金相顯微鏡上進行金相組織觀察。 其中母材的晶粒度為10.5 級， 金相組織為粒狀貝氏體、 多邊形鐵素體及珠光體， 母材1/4 壁厚處組織如圖4 所示， 該組織未見異常。

圖4 母材1/4 壁厚處組織形貌

2.3.2 焊縫裂紋顯微組織

從內焊縫裂紋處取金相試樣觀察發現， 裂紋處組織主要為晶內成核先共析IAF 和粒狀貝氏體，以及少量多邊形PF 和珠光體的混合組織， 如圖5所示。 缺陷橫向截面金相視圖顯示， 裂紋基本沿焊縫柱狀晶晶界分布， 部分裂紋被金色物質填充。 可初步判斷， 該缺陷是在焊縫金屬凝固結晶過程中，低熔點共晶物富集于晶界， 形成“液態薄膜”， 由于焊縫凝固收縮而受到拉應力， 最終開裂形成裂紋。 結晶裂紋一般沿焊縫中心長度方向開裂， 有時也產生在焊縫內部兩個柱狀晶之間， 沿焊縫橫向開裂， 形成橫向裂紋。 通常結晶裂紋斷口上可以看到氧化的色彩， 與上述金相完全吻合[11-12]。

圖5 焊縫裂紋顯微組織形貌

2.3.3 SEM 及能譜分析

對裂紋斷口進行能譜分析， 結果見圖6 及表7。由圖6 可見， 裂紋光滑平直， 斷口呈典型的沿晶形貌， 這表明裂紋所在區域的晶界結合力較弱。 斷口微觀形貌表明該裂紋屬于焊接熱裂紋。 該區域元素主要為Fe 和Mn， 同時夾雜了Mg、 Ca、 Co、 Cu 元素。 其中Mg、 Ca 主要是高溫裂紋形成時， F 堿性燒結焊劑冷卻后殘留在附近所致。 結合EDS 分析結果（如圖7 所示）， 從鋼管的生產線可產生銅污染的區域入手查找單質銅來源， 一是埋弧焊絲表層鍍銅， 二是埋弧焊接用銅導電嘴、 導電桿[12-15]。

圖6 裂紋端口SEM 形貌

表7 裂紋附近能譜分析結果

圖7 裂紋EDS 掃描結果

3 低熔點物質的來源及解決措施

3.1 低熔點物質的來源

如前所述， 缺陷橫向截面金相形貌顯示， 裂紋主要沿焊縫柱狀晶晶界分布， 金相顯微鏡下可觀察到部分裂紋被金色物質填充， 經EDS 圖譜對比分析， 金色物質為單質銅， 裂紋為典型的結晶熱裂紋。 從鋼管生產線可產生銅污染的區域入手查找了單質銅來源可以確定為： ①該批次埋弧焊絲鍍層顏色不一致， 存在鍍銅不均勻， 且在焊絲輸送過程中鍍層部分脫落， 清理銅屑不及時，導致焊接過程中經由導電嘴內孔進入焊接區域；②檢查焊槍部分送絲系統， 導電桿內部白管磨損，焊絲與導電桿內壁摩擦會有銅屑產生， 銅屑剝離堆積， 隨著焊絲的輸送， 經導電嘴落入焊劑中。上述產生的銅屑與焊劑混合， 進入熔池參與焊接熔池反應。

3.2 解決措施

（1） 減少銅單質來源， 更換為非鍍銅焊絲。

（2） 加強焊接崗位設備自檢頻次， 定期清理焊絲輸送系統， 定期檢查導電桿內部白管、 導電嘴等磨損情況， 確保送絲電機扭矩無異常。

（3） 若更換為非鍍銅焊絲， 因導電性能及潤滑性能略有下降， 應重點關注導電桿和導電嘴合金耐磨性， 選用銅鋯合金導電嘴。

4 結 論

（1） 焊管焊縫橫向裂紋是結晶熱裂紋， 在Ar3～Ar1溫度區間焊縫冷卻過程中因先共析鐵素體和奧氏體冷卻收縮發生不同程度的變形而產生拉應力， 此時低熔點單質銅在晶界仍以液態存在，是造成焊縫開裂的直接原因。

（2） 焊絲鍍銅厚度不均勻以及導電嘴、 導電桿耐磨性差， 共同產生銅或者銅合金粉末，經送絲機構進入焊接熔池， 是造成焊縫裂紋的根本原因。

（3） 焊接規程應建立對送絲電機、 矯直機構、 硬管、 白管、 導電嘴及扭矩等的自檢清理頻次， 確保焊絲輸送系統長時間工作產生的污染物無法造成實質危害。