天然气输送管道环焊缝泄漏失效分析

胡美娟，刘迎来，朱丽霞，齐丽华，杨 放

（中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077）

0 前 言

在某管道工程投产升压过程中，接到天然气疑似泄漏的报告。通过对可能泄漏点的现场确认和开挖，发现泄漏位置为天然气输送管道环焊缝连接处。管材X80钢级，规格为φ1 016 mm×15.3 mm，根焊焊丝为E80C-Ni1，填充焊焊丝为E81T8-Ni2。对泄漏断口进行射线检测，发现泄漏点位于环焊缝6点位置，裂纹总长度约70 mm。

通过断口宏观形貌、金相分析以及力学性能检测等方法对泄漏裂纹产生的原因进行了分析，为该管线以及相关管线的顺利建设投产提供一定的参考。

1 试验及结果

1.1 断口形貌

裂纹位于X80管线钢环焊缝6点位置内表面根焊处，原始形貌如图1所示。由图1可知，环焊缝内表面根焊道的原始形貌被打磨破坏，裂纹位于打磨凹陷区域的最低位置，可见长度为66 mm。图2为裂纹源区的宏观形貌，由图2可知，裂纹起裂于根焊焊趾附近的凹陷区域，此区域由于位置较低，未被打磨破坏。

图1 裂纹宏观形貌

图2 裂纹源区宏观形貌

1.2 金相分析

正常区域焊接接头的横截面低倍形貌如图3所示，整个环焊缝由1道次根焊和4道次填充盖面焊组成。图4为裂纹扩展区域焊接接头的低倍形貌，不同于正常的焊接接头形貌，填充焊区域有明显的被加热特征，根焊的热影响区痕迹在填充焊接之上，这表明根焊是在填充盖面焊完成后进行的。裂纹区域整个根焊由3道次焊接完成。由图4测量可知，根焊焊缝横向宽度约14 mm，厚度方向深约7 mm。正常环焊缝焊接接头根焊宽度仅约6 mm，深2.5 mm。

图3 正常区域环焊缝焊接接头横截面形貌

图4 裂纹区域环焊缝焊接接头横截面形貌

图5和图6分别为正常区域和裂纹区域根焊组织形貌。对比图5和图6可知，正常区域根焊组织为B粒+PF+IAF+P，裂纹区域根焊组织中出现了魏氏体组织，同时晶粒内铁素体的含量也明显增大，主要为IAF+WF+B粒+PF+P，这说明裂纹区域补焊时焊接热输入量较大。

图5 正常区域环焊缝根焊组织

图6 裂纹区域环焊缝根焊组织

图7为裂纹源区断口横截面低倍形貌，通过图7可知，主裂纹扩展路径平直，裂纹尖端沿着根焊焊缝熔合线扩展，裂纹扩展方向在根焊和填充焊接交界处发生改变，沿着填充盖面焊熔合线区域平直扩展成穿透型宏观裂纹。

图7 裂纹源区断口横截面形貌

图8为裂纹源区断口组织形貌，由图8可知，裂纹源区断面平坦，呈解理形貌。裂纹起裂组织主要为IAF+WF+B粒+PF+P，断裂方式以穿晶断裂为主。在起裂区域还存在大量的二次裂纹、夹渣和未熔合等焊接缺陷。

图8 裂纹源区断口组织形貌

图9为裂纹起裂区域组织形貌，由图9可知，在主裂纹附近熔合区B粒组织中出现了许多二次穿晶和沿晶微小裂纹，部分二次裂纹内部有灰色的非金属物质。

1.3 力学性能

对环焊缝焊接接头的拉伸性能进行检测，结果见表1。环焊缝焊接接头拉伸性能符合Q/SY GJX 0110-2007《西气东输二线管道工程线路焊接技术规范》要求。对环焊缝焊接接头的冲击性能进行了检测，结果见表2，正常区域和裂纹区域焊缝的冲击韧性值均低于标准要求。

图9 裂纹起裂区域组织形貌

表1 环焊缝焊接接头拉伸性能试验结果

表2 环焊缝焊接接头冲击性能试验结果

2 试验结果分析

环焊缝6点位置焊接接头横截面的低倍形貌表明，环焊缝根焊曾经实施过内补焊作业，且应是在填充盖面焊接完成后作业的。根据金相组织分析结果可知，补焊的根焊焊缝中存在大量的魏氏组织，属于高温转变产物，另外焊缝与母材熔合区存在粗大的B粒组织，这与补焊作业中热输入量偏大有关。不良的组织使得材料抗脆性起裂及抗扩展能力下降，这也是焊缝断口电镜扫描表现为解理形貌的原因。另外，根焊基体中存在大量夹杂，根焊焊缝与母材存在局部未熔合缺陷，这些缺陷破坏了材料组织和力学性能的连续性。在附加载荷作用下，焊缝焊趾区域的焊接缺陷处易萌生裂纹，甚至发生低应力脆断。该环焊缝贯穿全壁厚裂纹就是由环焊缝内表面补焊焊缝的焊接缺陷引起，并在现场加压过程中起裂并扩展。

3 结论

X80天然气输送管道环焊缝焊接接头的拉伸性能符合Q/SY GJX 0110-2007《西气东输二线管道工程线路焊接技术规范》要求，但焊缝和热影响区的冲击韧性值未达到焊接技术规范的要求，环焊6点泄露位置根焊为补焊焊缝，补焊焊缝焊趾处存在的缺陷是环焊缝开裂泄露的主要原因。

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