吳錦強1 趙康1 楊鋒平2 鄒斌1 方衛林1

1.西部管道分公司； 2.中國石油集團石油管工程技術研究院

 

摘  要：某在役X80輸氣管道發現螺旋焊縫內表面存在裂紋。切取樣品后，對其進行水壓試驗、宏觀檢測、無損檢測、電鏡分析、金相分析。結果表明：該裂紋為焊縫內表面裂紋，長64 mm、深15 mm，含裂紋管的承載能力為22 MPa；該裂紋由焊接原始缺陷引起，在工廠水壓試驗或現場水壓試驗時擴展形成；焊接原始缺陷為熔合不良或焊接熱裂紋，在工廠進行了外補焊，但未能徹底消除原始缺陷。建議工廠生產鋼管時嚴格執行焊縫補焊和無損檢測控制程序。

關鍵詞：X80鋼管；螺旋焊縫；補焊；裂紋

 

 

目前，西氣東輸二線、西氣東輸三線、中俄東線等重大油氣管道工程已大規模采用國產X80螺旋焊管，其服役長度超過5 000公里，規模為世界之最，服役時間超過10年，至今未發生因鋼管質量引起的災難性事故[1-2]，這與鋼管質量控制息息相關[3-4]。

X80螺旋焊管生產程序為：原料入廠檢驗、開卷矯平、銑邊、成型、內/外焊、水壓前X射線檢測（逐根， 100%全焊縫）、焊縫補焊（如有缺陷）、水壓試驗（逐根）、理化試驗（規定批次）、水壓后超聲波檢測（逐根， 100%全焊縫自動檢測、母材管端自動檢測、盲區及補焊縫手動檢測）、管端擴徑、水壓后X射線檢測（逐根， 100%全焊縫檢測，管端、補焊縫抓圖或拍片）、管端坡口加工、管端手動超聲波檢測（逐根， 100%管端端面，如有要求可用其他表面缺陷檢測方法[5]）、成品檢驗（逐根，外觀、幾何尺寸等）、噴標、入庫。

除此之外，業主單位還引入第三方駐廠監造機構按監造程序對鋼管生產進行監督檢驗，包括審核工廠資質、人員資質、設備計量校準情況、工藝文件、質量體系等；監督檢查原材料入廠復驗、焊接工藝評定、首批檢驗；監督檢查上料、成型、焊接、管端擴徑等生產步驟；監督檢查射線檢測、超聲波檢測、水壓試驗、理化試驗、成品檢驗等質量檢驗步驟，并形成見證記錄[6]。

由此可見， X80螺旋焊管有嚴格的生產程序、質量控制和第三方監督檢驗，基本不會出現質量問題。筆者介紹一起罕見的國產X80鋼管螺旋焊縫裂紋缺陷，并通過缺陷成因分析，提出鋼管質量控制建議，供業內參考。

1 缺陷概況

某在役輸氣管線內檢測時發現了多處異常，開挖后經超聲檢測、射線檢測確定，該管線某處螺旋焊縫存在內部裂紋型缺陷。為確保安全，業主對該處進行了斷管換管作業。切割后通過管道內表面觀察發現，該處確實存在長度約55 mm的裂紋，如圖 1所示。含缺陷鋼管為X80螺旋焊縫鋼管，規格為Φ 1 219×18.4 mm，出廠前記錄顯示其各項指標合 格，但存在2處補焊。

2 承載能力試驗

為檢驗含缺陷鋼管承載能力，參考SY/T 5992―2012《輸送鋼管靜水壓爆破試驗方法》，對切取的管段進行水壓爆破試驗。水壓試驗管段（試樣）全長9.99 m，帶有部分防腐層，裂紋距離管端3.15 m，如圖 2所示。

2.1 試樣檢驗

試驗前對試樣進行外觀、壁厚、周長抽檢，均滿足要求。以缺陷為中心，在缺陷附近400×400 mm范圍內進行5×5點壁厚測試，結果也滿足標準要求。對含缺陷處分別進行射線檢測、相控陣檢測、常規超聲波檢測等無損檢測，相控陣和射線檢測確定的外表面缺陷長度約為60 mm，超聲波檢測確定其長度約為120 mm，如圖 3所示。

2.2 水壓試驗

試樣在3.6 MPa、 7.2 MPa、 12.0 MPa（設計壓力）、 13.2 MPa（管道現場水壓試驗壓力值）和16.0 MPa（鋼管出廠時的水壓壓力）標準靜水壓條件下分別保壓900 s、 900 s、 1 800 s、 900 s和900 s，未發生泄漏；繼續加壓至23.5 MPa時，焊縫裂紋處泄漏，爆口內表面長度約為55 mm、外表面長度約為16 mm，泄漏缺陷處內外形貌如圖 4所示。

3 斷口分析

3.1 宏觀分析

裂紋位于焊縫中心，其中內表面長度為55 mm，外表面長度為16 mm，缺陷最長為64 mm。去掉本次水壓試驗造成的泄漏區，裂紋缺陷由內往外深度為15 mm，只剩4 mm壁厚，用于承受運行壓力。如圖 5所示，裂紋缺陷細分為兩部分，靠近內表面部分為焊接缺陷區，為螺旋焊縫焊接時形成，長度為55 mm，最深約為7 mm（圖 6紅色實線部分）；中間扇形部分為擴展區，長度為42 mm，自身高度約為11 mm（圖 5黑色虛線部分），可能由鋼管生產時工廠水壓試驗或管道建設時現場水壓試驗造成。

                  

如圖 6所示，斷口的另一個明顯特征是環氧樹脂減阻劑已經進入了缺陷內部，證明該缺陷在鋼管出廠前已經存在。

3.2 斷口電鏡分析

焊接缺陷區深度約為6.4 mm，存在自由表面、最深為2 mm，如圖 7所示，考慮為熔合不良。焊接缺陷區上部有斷裂痕跡，且斷面不平整，考慮為焊接熱裂紋，即由于低熔點夾雜存在，導致夾雜凝固時被焊接拉應力拉開。

3.3 金相分析

如圖 8所示，在裂紋缺陷區域切取一個金相截面進行觀察，與正常的螺旋焊縫金相低倍照片相比可知：裂紋處進行了補焊；根據補焊焊道情況，確認補焊為外補焊，但補焊深度沒有達到內表面。結合斷面上發現的內表面原始缺陷，說明補焊沒有消除內表面焊接原始缺陷。

4 裂紋成因

根據工廠記錄，該缺陷進行了補焊，補焊后射線檢測合格。之后進行16 MPa工廠水壓試驗合格，水壓試驗后超聲檢測、射線檢測合格。

根據斷口金相低倍形貌，證實該處確實進行了補焊，但補焊并沒有消除螺旋焊縫內焊道缺陷。內表面焊接原始缺陷凹凸不平，符合焊接熱裂紋特征，應為焊接時熔合不良導致，扇形區斷口平整，無疲勞臺階，并存在明顯收斂痕跡，考慮為工廠試壓或者現場試壓時一次擴展導致，且由于工廠水壓壓力值遠大于現場水壓壓力值，故工廠水壓擴展的可能性更高。由分析可知，水壓試驗后工廠的缺陷檢測技術或質量控制程序的落實存在缺陷[7-9]。

5 結論及建議

（1）缺陷屬于螺旋焊縫裂紋型缺陷，缺陷長為64 mm，其中內表面長度為55 mm，擴展深度達15 mm。

（2）缺陷區域存在外補焊，但外補焊未能消除內表面原始焊接缺陷。

（3）原始焊接缺陷判斷為熔合不良或焊接熱裂紋引起，形成于工廠制管階段。

（4）建議完善焊縫補焊標記方法、程序和控制措施；嚴格執行鋼管無損檢測質量控制程序，防止類似事件再次發生。

 

參考文獻：

[1] 莊法坤，謝國山，劉文，等.基于有限元的螺栓法蘭接頭密封影響因素分析[J].全面腐蝕控制，2018， 10(32)： 1-7.

[2] 羅金恒，楊鋒平，王珂，等.油氣管道失效頻率及失效案例分析[J].金屬熱處理， 2015， 40(10)： 470-474.

[3] 李鶴林.油氣管道失效控制技術[J].油氣儲運，2001， 30(6)： 401-410.

[4] 孫杰，陸曉峰，朱曉磊.某法蘭結構更換保溫層層后的泄漏失效分析[J].潤滑與密封， 2017，42(12)： 110-125.

[5] 姚力，范呂慧，胡學知.承壓設備磁粉檢測技術發展現狀[J].無損檢測， 2014， 36(11)： 28-34.

[6] 張毅，黃小平，崔維成，等.對接接頭焊趾應力集中有限元分析[J].船舶力學， 2004， 8(5)： 91-99.

[7] 姜愛華，陳亮，師紅旗，等.螺栓疲勞斷裂失效分析[J].熱加工工藝， 2013， 42(2)： 222-223.

[8] 丁毅，錢發，陳剛.電機軸疲勞斷裂失效分析[J].金屬熱處理， 2001， 26(12)： 48-49.

[9] 嚴正峰，李蓋華，夏建新.拖拉機離合器蝶形彈簧疲勞斷裂失效分析[J].金屬熱處理， 2014， 39(10)： 148-150.

 

    作者簡介：吳錦強，工學學士，高級工程師�，F任西部管道分公司安全副總監、總經理助理兼管道處處長，主要從事管道完整性管理工作。聯系方式：趙康0991-7561396，421162147@qq.com。