L415直缝电阻焊管开裂原因分析
上半月出版Casting·Forging·Welding金属铸锻焊技术
●失效分析●
L415直缝电阻焊管开裂原因分析
刘强,上官丰收,路彩虹,张良
(中国石油集团石油管工程技术研究院,陕西西安710065)
摘
要:通过对发生泄漏失效的直缝电阻焊管进行宏观分析、化学成分分析、金相分析、力学性能及电子显微镜分析,结果
表明,该管发生泄漏失效的原因为焊接工艺不合理,焊缝冲击功较低,在熔合线内残留有大量的灰斑夹杂引发焊缝开裂。
关键词:电阻焊管;泄漏开裂;灰斑;焊接工艺中图分类号:TG453+.9;TG457.6
文献标识码:A
文章编号:1001-3814(2011)03-0185-04
AnalysisonReasonsforCrackofL415ERWPipe
LIUQiang,SHANGGUANFengshou,LUCaihong,ZHANGLiang
(CNPCTubularGoodsResearchCenter,Xi'an710065,China)
Abstract:AleakagefailureofERWpipewasinvestigatedbymacroscopicanalysis,chemicalcomposition,metallurgicalanalysistesting,mechanicalpropertytestingandSEMobservation.Basedonthesystematicanalysis,itcanbeconcludedthatthereasonsforERWpipecrackareunqualifiedweldingtechnology,thelowerimpactenergyofweldandlargenumbersofgrayspotinweldfusionline.
Keywords:ERWpipe;leakage;grayspot;weldingtechnology
2009年某油田使用的准457mm×7.1mmL415
直缝电阻焊钢管发生泄漏失效,给制造厂和用户造成了不可估量的损失。本文试验研究了失效部位的理化性能、分析了焊缝的流线和宏/微观断面,试图找出该次失效的原因。
1理化检验及电镜分析
发生开裂泄漏的直缝电阻焊钢管宏观形貌见图
Fig.2Morphologyofleakage
图2放大的泄漏口形貌
1.1宏观形貌
1,管壁上白色圆圈内为发生泄漏部位,管体没有发
现其他异常现象。对开裂口进一步放大见图2,在焊
缝上有一处明显裂口,沿管体纵向扩展,宽约0.5~1
mm,长约55mm。
沿泄漏裂口纵向截取5个试样,分别为金相试样2-2、2-3、2-4和金相样之间的试样A、B,如图3所示。通过对取下的5个试样观察发现:试样2-2、
A、2-3和2-4裂纹从外表面向内表面沿焊缝逐步深
入,但均未贯穿整个壁厚;试样B中裂纹已贯穿整
图1发生泄漏的直缝电阻焊管宏观形貌Fig.1Macro-morphologyofleakedERWpipe
2-2
收稿日期:2010-08-30
作者简介:刘强(1983-),男,陕西西安人,工程师,主要从事石油管
技术研究与应用相关工作;电话:029-88726372;
AC面
2-3BD面
2-4E面
E-mail:[email protected]
Fig.3Samplingschematicdiagramofleakagesection
图3泄漏部位取样示意图
《热加工工艺》2011年第40卷第3期185
金属铸锻焊技术Casting·Forging·Welding
个壁厚。将所有试样沿裂纹面打开,根据打开的原始泄漏断口形貌进行拼合,复原管壁原始断口形貌见图4所示。通过疵漏断口形貌可以看出,ERW管外壁断面较长,约为55mm,内壁断面较短,仅有7
裂为由外向内扩展。
2011年2月
1.2化学成分测试
从失效的管体上取样,用直读光谱仪和红外碳硫分析仪对试样进行化学成分分析,分析结果表明,钢管的化学成分满足技术规格书[1]要求。
mm,由于该钢管在加内压9MPa左右时发生疵漏,
此时管子外壁受环向拉应力,初步可以判断泄漏开
外壁
1.3金相组织观察分析
在失效管的管体、泄漏部位附近的焊缝及热影响区截取金相样,使用MEF4M金相显微镜及图像分析系统对其进行观察分析。母材组织为铁素体、粒状贝氏体和少量珠光体,晶粒度为11.6级,见图5。图6和图7分别为焊缝熔合线和热影响区的金相组织。从图中可以看出,焊缝及热影响区组织均为铁素体和珠光体,热影响区晶粒度为11级,焊缝处为10级。在焊缝内有沿熔合线方向呈梭形链状分布的灰
55
内壁
7
Fig.4Schematicdiagramoftheoriginalfracturesurface
图4管壁原始断口形貌示意图
色氧化物夹杂,即通常所说的“灰斑”[2],遍布整个焊缝熔合线中,长度约20~40μm。
(a)(b)
1.4力学性能测试
分别在失效管泄露部位附近的焊缝处取拉伸和冲击试样,使用MTS810-15拉伸试验机在室温下进行拉伸试验,使用JBN-300B冲击试验机在0℃进行冲击试验,结果见表1。测试结果表明,焊缝处力学性能不符合技术规格书[1]要求。
表1力学性能测试结果
400μm
100μm
图8裂纹形貌(a)及灰色氧化物(b)
Fig.8Crackmorphology(a)andgrayoxide(b)
项目流线角
试样
标准要求
Tab.1Testingresultsofmechanicalproperties
条件焊缝规格书要求
Rm/MPa≥535
AKV/J≥40
555,550,555,平均553,均断于焊缝8.2,6.9,57,平均24
/(°)
熔合线宽度
α1α2α3α4fofnfidhofnhiS
60.185.0107.953.6--0.1170.093.62.34.31.8
45~75△α≤10fo≈fi=1.3~3fnfn=0.02~0.14≤t/8(0.88)ho≈hi≈1.5~2.2hnhn=t/4~t/3≤t/10(0.71)
1.5裂纹及焊缝参数分析
对泄露部位裂纹及附近组织进行进一步放大观察分析,见图8,可以看出裂纹是沿焊缝熔合线由管壁外表面向内表面扩展,裂纹内有灰色氧化物。
依据标准Q/SY1192-2009[3]对泄露处的焊缝参数进行测量,如图9,其中fn、fo、fi为熔合线在几何
400μm
/mm
流线偏距
/mm
热影响区宽度/mm熔合线偏斜宽度/mm
Fig.9Weldstreamlinemorphology
图9焊缝处流线形貌
186
HotWorkingTechnology2011,Vol.40,No.3
上半月出版
中心线、管外、管内壁处测量的宽度;hn、ho、hi为热影响区(腰鼓形)在上述相应位置上的宽度;S为熔合线偏斜或弯曲宽度;α1、α2、α3、α4为在距内、外壁t/4(t为壁厚)处金属流线切线与水平线的夹角;d为金属流线偏离t/2的距离,结果表明,泄露处焊缝熔合线严重偏斜,流线角α2和α3较大,在试样外表面焊缝熔合线左侧还出现反卷形貌,见图9中箭头所示。
(a)
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(b)
500μm100μm
1.6电镜及能谱分析
使用TESCAN-VEGAⅡ扫描电镜和OX-
图12断口表面裂纹源
Fig.12Cracksourceoffracturesurface
(a)
(b)
FORD-INCA350能谱仪对试样焊缝熔合线进行观
察,可见沿焊缝熔合线链状分布的灰色氧化物夹杂,即图6中的“灰斑”,见图10。对此夹杂进一步放大观察,见图11(a),氧化物夹杂形貌呈枝晶状,并与焊缝基体界面分离,图11(b)的能谱分析结果显示夹杂物的成分主要为Fe和O。
25μm
FeC
Fe
25μm
Fig.13Morphologyofinclusionsincracksource
FeC
Fe
图13裂纹源内夹杂物进一步放大形貌
元素
CPS→
wt%5.1932.812.640.8158.55
at%11.8656.282.690.4028.77
COAlMn
CAl
Mn
Fe
24
Fig.10Theoxideinclusionsinweldfusionline
(a)
(b)元素
681012E/keV
图10焊缝熔合线中的氧化物夹杂
25μm
C
CPS→
Al
Mn
Fe
Fe
246
Fig.14EDSresultsofinclusions
wt%7.4138.781.111.0851.62100.00
at%15.3260.211.020.4922.96100.00
COAlMnFe
810121416总计100.00100.00E/keV
图14夹杂物能谱分析结果
2结果及分析
分析结果表明,该直缝电阻焊钢管的化学成分满
足技术规格书要求;从开裂形貌上来看,裂纹是沿焊缝熔合线由管壁外表面向内表面扩展,裂纹内有灰色氧化物,在焊缝内沿熔合线方向残留有大量的氧化铁夹杂,即“灰斑”缺陷;断口分析结果表明,失效管泄漏开裂的裂纹源就是熔合线中的“灰斑”夹杂。
“灰斑”与焊缝基体分离,在焊缝内易形成微裂纹,并呈链状分布,同时还将大大降低焊缝金属的韧性,增加低温脆性,也增加了热裂纹和层状撕裂的倾向。泄露处焊缝的冲击功远低于该管线技术规范要求。焊缝冲击性能是衡量直缝电阻焊钢管焊缝性能的关键指标之一,焊缝冲击功越高,抗裂纹萌生和扩展的能力越高。泄漏钢管焊缝冲击功很低,必然降低抗裂纹萌生和扩展的能力,当管壁在试压过程受到
10μm总计
Fig.11Theoxideinclusionsmorphology(a)andEDSresults(b)
图11氧化物夹杂放大形貌(a)及其能谱结果(b)
将焊管沿泄漏处打开,并用醋酸纤维多次覆膜除锈后,对断口表面进行观察和分析,发现在断口靠近外表面部位有多处微裂纹源,裂纹源中心存在夹杂物,见图12(a)、(b)中箭头所指处。对图12(a)中裂纹源内夹杂物进一步放大分析,发现夹杂物与基体分离,并且内部呈枝晶形貌,见图13。能谱分析结果表明,此夹杂物和焊缝中“灰斑”夹杂成分相同,均为氧化铁,见图14。
《热加工工艺》2011年第40卷第3期
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金属铸锻焊技术Casting·Forging·Welding
环向拉应力时,焊缝上这些微裂纹就会扩展并且相互连接,最终引发爆裂泄漏事故。
泄漏失效管的焊缝冲击功低并且存在“灰斑”缺陷,主要是由于焊接工艺不当所致[4]。焊接工艺参数是否合适可以通过焊缝参数反应出来,从该管泄漏部位测量的焊缝参数可以看出,焊缝熔合线倾斜较大。金属流线是焊缝部位在一定高温条件下局部熔化或半熔化的金属,在压力作用下所形成的一种特殊形状的结晶组织,是焊接挤压力大小与方向、线能量与焊接速度的综合体现,当板边平行度不合理,如边部呈“波浪”形或者板边不平整有多余毛刺时,容易在焊缝上产生错边,形成焊缝金属单向流失和应力集中,造成焊缝熔合线倾斜和流线上升角偏大、不对称[5]。如图9中流线形貌,局部焊点热效应降低,出现低温焊接状况,板边被氧化的金属表面层未能有效地挤出,金属骤冷后便形成点状、直链状、线状等氧化物夹杂,被滞留在熔合线中[6]。焊缝中“灰斑”或氧化物夹杂的大量存在,常常成为焊缝开裂的裂纹源。
[5][6][2][3][4]
2011年2月
3结论及建议
(1)该直缝电阻焊钢管发生泄漏失效的原因为
焊接工艺不合格,焊缝冲击功较低,在焊缝熔合线内残留有大量的氧化铁夹杂。
(2)建议提高焊接时板边的平行度,避免发生
错边,同时加强对焊接后的金属流线形态的分析检查,及时改进焊接工艺,确保获得最佳的产品质量。参考文献:
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.
(上接第184页)熔融,并逐渐推进到缺陷内,电弧下方
的焊缝已经平整了,可以将焊炬移到图中另一端凸起的金属颗粒进行熔融,最终平整全部缺陷区域。图3(b)是送丝焊处理的过程,通过计算的送丝量,可以很好的配合缺陷补偿情况,对缺陷进行平整。图3(c)是缺陷补偿后金属体中间层截面图像,从图中可看出气孔现象明显比不进行缺陷补偿的金属体少。
图4(a)是缺陷补偿之前的金属体表面,可以看到在焊缝的接合处,有一些明显的缺陷存在,金属体平面平均高度偏差达到12%,偏差还会随着金属体不断堆焊而增大。图4(b)是进行缺陷补偿之后的金属体表面,从图中可以看到,原本的焊缝接合处的缺陷基本都被平整了,金属体平面平均高度偏差降低到5%,而
且由于金属体每层的堆焊都会进行缺陷补偿,金属体平面平均高度偏差始终维持在5%左右。
4结论
本文提出了对于金属体缺陷的无送丝焊处理和
送丝焊处理两种补偿方法,并给出了对缺陷所需焊丝量的数学模型及计算公式。从实验结果可以看出,对于TIG焊快速制造金属体每层表面焊缝缺陷的补偿,可以使得金属体的表面更为平整,金属体每层的缺陷明显减少,金属体在堆积过程中的变形问题也得到了很好的解决,整体金属性能得到了很好的改善。参考文献:
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[3]
(b)缺陷补偿后的金属表面
李玉龙,张华,张光云,等.基于TIG堆焊技术的低碳钢零件精密快速成形[J].焊接学报,2009,30(9):37-40.
Fig.4Defectrepairresults
图4缺陷补偿结果
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188
HotWorkingTechnology2011,Vol.40,No.3