??? 通過(guò)化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)以及掃描電鏡分析等方法對(duì)某規(guī)格為457mm*7.1mm的X65級(jí)高頻(HFW)鋼管水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生爆裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:鋼管爆裂失效是由于其直焊縫上存在冷焊缺陷以及焊縫沖擊韌度不合格所致;焊縫中存在冷焊缺陷使其有效承載面積減小,原始裂紋在冷焊缺陷處萌生并擴(kuò)展,加之焊縫沖擊韌度低,抗裂紋擴(kuò)展能力差,在水壓試驗(yàn)壓力作用下最終導(dǎo)致該鋼管于焊縫處失穩(wěn)爆裂。
?? 高頻焊接(HFW)鋼管是無(wú)填充金屬的電阻焊鋼管,其外表面很光整,且從外表面不容易觀察到焊縫位置,因而易于防腐涂敷,且尺寸精度較高。制管工藝對(duì)HFW鋼管的質(zhì)量和規(guī)格有很大影響,受制管工藝的限制,HFW鋼管的外徑和壁厚一般都不能太大。焊縫質(zhì)量的好壞是影響HFW鋼管質(zhì)量的重要因素,目前在國(guó)內(nèi)已發(fā)生過(guò)多起HFW管道爆裂和泄漏事故,大多是因?yàn)楹缚p位置失效所致,造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。分析HFW鋼管失效的原因以及總結(jié)出合理有效的改進(jìn)方法對(duì)HFW鋼管的生產(chǎn)和安全使用有著重要的指導(dǎo)意義。
??? 某管線在現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生鋼管爆裂事故,爆裂鋼管是規(guī)格為457 mm*7.1 mm 的X65級(jí)高頻焊接直縫鋼管,爆裂口位于鋼管直焊縫上并沿著直焊縫擴(kuò)展開(kāi)裂, 管線設(shè)計(jì)壓力為 10MPa,爆裂點(diǎn)壓力按高差計(jì)算為12.62MPa。水壓試驗(yàn)依據(jù)GB50369-2006 油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范 進(jìn)行,該標(biāo)準(zhǔn)要求試壓環(huán)境溫度宜在5度以上,否則應(yīng)采取防凍措施,現(xiàn)場(chǎng)試壓環(huán)境溫度為25度左右,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。管道嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力為管線設(shè)計(jì)壓力,強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為1.25倍管線設(shè)計(jì) 壓力,故可以排除因試壓壓力過(guò)高而引起鋼管爆裂的情況。
??? 筆者采用宏觀分析、微觀分析以及材料質(zhì)量檢驗(yàn)等方法對(duì)該管線鋼管的失效原因進(jìn)行了分析,分析了HFW鋼管焊縫可能產(chǎn)生冷焊缺陷的原因,并提出了一些防止焊縫產(chǎn)生冷焊缺陷的建議。
1 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀分析
??? 爆裂HFW鋼管斷口的宏觀形貌,肉眼可見(jiàn),斷口表面腐蝕情況較為嚴(yán)重,說(shuō)明鋼管在爆裂后斷口與空氣和水接觸發(fā)生了氧化;將爆裂斷口清洗后再進(jìn)行觀察,可見(jiàn)明顯的人字紋;斷口表面平齊,無(wú)顯著塑性變形,為典型的脆性斷口。初步判斷鋼管在焊縫位置爆裂失效并沿焊縫方向擴(kuò)展與焊縫質(zhì)量有一定關(guān)系。
??? 經(jīng)測(cè)量，鋼管裂口撕裂長(zhǎng)度約為5000mm，A端止裂于母材，B端止裂于直焊縫，裂口有兩處爆點(diǎn)，爆口最大寬度為95mm。鋼管爆裂后均沿直焊縫撕裂,裂口長(zhǎng)度較長(zhǎng),而且裂口兩端未能完全止裂于直焊縫,說(shuō)明直焊縫為鋼管爆裂失效的薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)鋼管進(jìn)行壁厚測(cè)量,鋼管平均壁厚為7.22mm,裂口周?chē)骄诤駷?.11mm,說(shuō)明鋼管壁厚無(wú)明顯減薄,仍然符合公稱(chēng)壁厚要求。鋼管在無(wú)明顯壁厚減薄的情況下于焊縫位置發(fā)生爆裂失效,進(jìn)一步說(shuō)明該HFW鋼管焊縫質(zhì)量存在問(wèn)題。
1.2 化學(xué)成分分析
??? 鋼管的化學(xué)成分影響其焊接性能,并因此影響到焊接質(zhì)量的好壞。經(jīng)Baird Spectrovac 2000直讀光譜儀分析, 爆裂鋼管母材的化學(xué)成分符合GB/T9711.2-1999的技術(shù)要求。
1.3 力學(xué)性能測(cè)試
??? 焊縫的拉伸性能與夏比沖擊性能是衡量焊縫強(qiáng)度和韌性水平的重要指標(biāo)。對(duì)爆裂鋼管焊縫取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和夏比沖擊試驗(yàn)。該HFW鋼管生產(chǎn)技術(shù)規(guī)格書(shū)中要求在-20攝氏度下進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果須滿足GB/T 9711.2-1999的技術(shù)要求,故夏比沖擊試驗(yàn)溫度選擇-20攝氏度。由于受鋼管壁厚限制,不能取全尺寸(10mm*10mm*55mm)夏比沖擊試樣, 故選用1/2全尺寸試樣(5 mm*10mm*55mm)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)取全壁厚板狀試樣,規(guī)格為38.1mm*50mm(寬*標(biāo)距)。
1.4 金相檢驗(yàn)
??? 用MeF4M光學(xué)顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對(duì)爆裂HFW鋼管母材進(jìn)行非金屬夾雜物和晶粒度測(cè)定。非金屬夾雜物含量測(cè)定結(jié)果為:A0.5,B0.5,C0, D1.5,DS0;可以看出鋼管母材非金屬夾雜物很少。晶粒度測(cè)定結(jié)果為11.6級(jí),可見(jiàn)鋼管母材組織晶粒較細(xì),無(wú)明顯異常。
??? 光學(xué)顯微鏡下觀察爆裂HFW鋼管母材、熱影響區(qū)及焊縫的顯微組織,結(jié)果表明:母材顯微組織為鐵素體、少量珠光體和粒狀貝氏體,熱影響區(qū)顯微組織為鐵素體和珠光體,焊縫顯微組織為鐵素體和少量珠光體,焊縫熔合線上及熔合線周?chē)嬖谳^多細(xì)針狀?yuàn)A雜物。夾雜物的生成與冶煉方法和加工工藝有著密切的關(guān)系,焊縫中存在夾雜物對(duì)焊縫強(qiáng)度和韌性有一定影響,直接影響鋼管的質(zhì)量。
該鋼管母材非金屬夾雜物較少,而焊縫中卻存在較多針狀?yuàn)A雜物，說(shuō)明爆裂HFW 鋼管的焊接工藝參數(shù)存在一定問(wèn)題。
1.5 斷口分析
??? 在爆裂HFW 鋼管斷口表面人字紋收斂位置取樣，用TESCAN-VEGA2型掃描電鏡進(jìn)行觀察?？梢?jiàn)，開(kāi)裂源區(qū)為斷口表面人字紋收斂方向所指位置，源區(qū)位于斷口心部，距離鋼管外表面1.95mm，深度為2.7mm,達(dá)壁厚的38%，沿焊縫長(zhǎng)度達(dá)2.14mm。高倍觀察源區(qū)斷口形貌可見(jiàn)，源區(qū)中心呈現(xiàn)出表面不齊、無(wú)斷口特征的特點(diǎn)，為典型的冷焊形貌。斷口擴(kuò)展區(qū)為準(zhǔn)解理形貌?？梢?jiàn)整個(gè)斷口呈脆性斷裂特征。
2 綜合分析
???? 上述理化檢驗(yàn)結(jié)果表明,爆裂HFW鋼管直焊縫中存在冷焊缺陷和焊縫沖擊韌度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求是導(dǎo)致鋼管爆裂失效的主要原因。在現(xiàn)場(chǎng)試壓壓力下,由于鋼管直焊縫中存在冷缺陷,造成焊縫金屬的有效承載面積減少,焊縫承壓能力降低;加之焊縫沖擊韌度差,抗裂紋擴(kuò)展能力降低,最終導(dǎo)致鋼管在
試壓壓力作用下于焊縫位置爆裂失效。
??? 焊縫夏比沖擊性能測(cè)試是檢驗(yàn)鋼管焊縫韌性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。焊縫沖擊韌度越高,抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力也越高;反之,裂紋越容易萌生和擴(kuò)展。焊縫沖擊韌度的高低由焊接工藝決定。爆裂鋼管的焊縫沖擊功不符合標(biāo)準(zhǔn)要求、焊縫熔合線附近存在較多夾雜物以及焊縫中存在分層現(xiàn)象等焊縫質(zhì)量問(wèn)題,都與鋼管焊接工藝不當(dāng)有一定關(guān)系。
??? HFW鋼管焊縫中存在冷焊缺陷是由于鋼管在生產(chǎn)過(guò)程中焊縫經(jīng)過(guò)高頻加熱成型后,基體金屬與基體金屬之間仍存在局部未完全熔化的現(xiàn)象,致使冷卻后焊縫內(nèi)部局部未熔合 。焊接時(shí)施加于管筒的擠壓力、焊接速度和焊接時(shí)輸入的熱量都是影響HFW鋼管焊縫存在冷焊缺陷的重要因素。擠壓力過(guò)小會(huì)減少基體金屬與基體金屬之間形成共晶體的數(shù)量,易造成焊縫未熔合的缺陷,導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度降低;同時(shí),焊縫中的非金屬夾雜物和氧化物未被擠出,殘留在焊縫中也會(huì)降低焊縫的強(qiáng)度。而擠壓力過(guò)大又會(huì)將達(dá)到焊接溫度的金屬全部擠出,易形成低溫焊接缺陷,也會(huì)降低焊縫強(qiáng)度。焊接速度和輸入熱量的變化會(huì)影響熱影響區(qū)寬度和熔合線寬度,直接影響著焊接質(zhì)量,焊接速度過(guò)快、輸入熱量不足時(shí),管筒兩邊緣端面沒(méi)有被加熱到足以熔化的狀態(tài), 故易形成冷焊缺陷或其他低溫焊接缺陷。
???? HFW鋼管焊縫的冷焊缺陷在掃描電子顯微鏡下觀察有兩種情況,一種是缺陷表面平齊,并且缺陷表面無(wú)顯著斷裂特征,本文爆裂失效HFW鋼管焊縫缺陷屬于此種情況。形成這種情況的原因是由于焊接時(shí)擠壓力過(guò)大使達(dá)到焊接溫度的焊縫金屬全部被擠出,而剩下的焊縫金屬未達(dá)到焊接溫度,導(dǎo)致焊 縫未熔合,或是由于焊接時(shí)輸入熱量不足,管筒內(nèi)、外表面棱角處的溫度比內(nèi)部高,首先結(jié)合,而中間部位溫度較低，難以結(jié)合，故容易在中部形成未熔合缺陷另一種情況是缺陷表面具有熔融狀態(tài)的特征, 這是由于擠壓力過(guò)小使達(dá)到焊接溫度的焊縫金屬未充分熔合,從而形成未熔合缺陷。
3 結(jié)論及建議
(1) X65級(jí)高頻焊接鋼管試壓爆裂的原因是由于直焊縫上存在冷焊缺陷以及焊縫沖擊韌度不合格所致;焊縫中存在冷焊缺陷使焊縫有效承載面積減小,原始裂紋在冷焊缺陷處萌生并擴(kuò)展,加之焊縫沖擊韌度低,抗裂紋擴(kuò)展能力差,最終導(dǎo)致該管線鋼管在試壓壓力作用下失穩(wěn)爆裂。
(2) 建議鋼管在生產(chǎn)過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)管筒擠壓 力、焊接速率和輸入溫度等焊接工藝參數(shù)的調(diào)整和 控制; 另外,加強(qiáng)對(duì)焊縫的無(wú)損檢測(cè)是排除焊縫缺 陷的有效手段。