高频焊管水压失效分析与质量控制

常海锋，王 晰，赵 坤，陈佳遥，常永乐

（1.西安石油大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710065；2.宝鸡住金石油钢管有限公司，陕西 宝鸡 721008；3.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡 721008）

直缝高频电阻焊（HFW）管是一种利用高频电流的集肤效应和临近效应，将管坯边缘迅速加热到焊接温度后，通过挤压辊挤压使钢带焊接在一起的制管方法［1-2］。由于HFW焊管外形美观，生产效率高，制造成本低、尺寸精度高等优点，已广泛应用于油气输送管线工程［3-5］。

静水压试验是HFW焊管制造过程中较全面的质量检测手段，通过打压测试，可以在不破坏试样的情况下测试每根钢管母材、焊缝的强度与韧性指标是否满足管线项目设计规范。本文通过对水压失效爆口进行断口形貌、金相组织、电镜扫描分析，总结出一套水压失效后的分析方法，以查找失效原因，并提出有效地整批钢管生产质量控制对策。

1 水压失效处理流程

油气输送用HFW焊管行业标准要求每根钢管应进行静水压试验，试验过程中整个焊缝或管体无泄漏，试验后无形状的变化和管壁鼓起。静水压试验压力 P 由公式（1）确定，稳压时间为5～15 s［6-8］。

式中 δ——环向应力，其数值等于钢管规定最小屈服强度SMYS的百分数，取85%～95%（按内控标准），MPa；

t——壁厚，mm；

D——钢管外径，mm。

在HFW焊管制造过程中，出现水压失效的表现形式主要分为压爆和泄漏两类。HFW焊管水压失效处理流程如图1所示。

图1 HFW焊管水压失效处理流程

2 案例分析

2.1 爆口断面形貌

某成品管线管规格为Φ323.9 mm×7.1mm，钢级为L360M，静水压失效后，从最大断口处（起裂点）的金相形貌可以判断爆口发生在焊缝边缘的母材上，开裂长度940 mm，开裂最大宽度62 mm，距钢管一端2 050 mm。爆破管所属熔炼批共有4卷原料，水压试验后焊缝全长超声波探伤判降级共计35根钢管。爆口形貌如图2～3所示，从断口情况来看，断裂前发生显著的塑性变形，断面为斜断口，呈纤维状撕裂，壁厚有减薄，色泽灰暗，断口边缘有剪切唇，壁厚中部存在疑似分层缺陷，属于管线钢韧性断裂。

图2 爆口宏观形貌

图3 最大断口形貌

2.2 金相分析

采用Nikon EPIPHOT200光学显微镜进行组织观察，沿着横向观察（与轧向垂直）金相组织。观察结果为：最大爆口处母材的金相组织为铁素体+珠光体，为正常组织，如图4所示；热影响区组织也为铁素体+珠光体，但晶粒略粗大，局部存在脱碳现象，为正常组织。最大爆口壁厚中部存在大量密集分布的夹杂物，夹杂物分布与形貌如图5所示。根据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》标准［9］进行夹杂物评定，结果为B类，即夹杂物主要为氧化物夹杂。由于金相试样是垂直于轧制方向取样，理论上是不易观察到夹杂物，尤其是带状夹杂物，因此初步判断横向观察到的带状杂质为夹渣。从起裂口金相宏观照片看，焊缝外表面延伸至壁厚中部断裂，焊缝流线、组织晶粒均无异样。起裂口与爆破延伸线上的金相都能看到平行分布的夹杂物，部分部位聚集分布。同时，探伤检测金相试样均存在大量密集分布的B类夹杂物，其最高达到3.0级。

图4 最大爆口处金相形貌

图5 最大爆口处壁厚中部微观形貌

取爆口处试样做化学分析，结果见表1。起裂口试样各项化学元素均在正常范围内，满足管线标准要求，无异常元素波动；金相组织为铁素体+珠光体，为L360M材质HFW焊管的正常组织。

表1 爆口处材料的化学成分（质量分数） %

高频焊接时，通过测量金属流线升角大小以及熔合线宽度，能够很好地判断焊接过程热输入、挤压力和焊接速度等参数控制的稳定性，从而达到分析焊缝质量的目的［10］。测量熔合线两侧壁厚1/4处金属流线升角分别为 57°、64°、66°、67°，说明熔合线两侧金属流线对称性良好，且符合国内焊管行业提出的 50°～70°控制范围［11］。壁厚中部熔合线宽度、内壁侧熔合线宽度、外壁侧熔合线宽度分别为62.2，78.3，83.5μm，满足熔合线宽度控制范围。合理的金属流线升角和熔合线宽度控制，说明焊接过程工艺参数稳定，焊接质量良好。

2.3 断口电镜扫描

对断口宏观显示为疑似分层（图3）区域放大后观察发现：中部断面平坦，边部存在韧窝；有条状分布的夹杂物，微观上存在韧窝和河流花样，形似准解理裂纹［12-13］，如图6所示。对断口处存在的夹杂物进行能谱分析，如图7所示，其主要成分为Ca、Al、Mg、Na等元素，说明杂质相既有来源于保护渣卷入的夹渣，又含有炼钢过程中产生的Ca、Al等氧化物夹杂。

图6 断口形貌局部放大

图7 夹杂物能谱分析结果

3 分析结果及对策

3.1 分析结果

根据以上分析，水压爆破HFW焊管焊缝附近母材存在大量夹杂物，在爆口处有一较大条带状夹杂物，导致钢管在水压试验时爆破。母材夹杂物、缺陷层状分布是导致钢管水压试验时爆破的主要原因。所取分析试样表明原料组织中存在超标的B类夹杂物，且存在夹渣。形成的原因是：钢在冶炼过程中，脱氧反应会产生氧化物等产物，若在钢液凝固前未浮出，则将留在钢中；连铸过程中保护渣也可能卷入铸坯中；经轧制后，这些非金属夹杂（渣）物颗粒沿轧制方向延长，呈条状或颗粒状分布于轧制后的钢板中，由于夹杂物熔点较高，属脆性夹杂［14］。因此，在HFW焊管水压试验中，大量密集分布、呈条带状的夹杂（渣）附近是试样中残余应力聚集位置，易成为裂纹源，裂纹扩展容易造成爆管开裂。

3.2 对 策

（1）将该熔炼批卷板制成的成品钢管全部留置复查。

（2）对留置复查的钢管采取更严格的水压试验，水压压力值计算采用（95%～98%）SMYS，但前提是钢管管径与周长不得超差。

（3）加强水压试验前在线超声波的检验监控力度，出现探伤报警时应做好标记，然后集中下线复查。同时，水压试验后离线超声波探伤时，在基准探伤灵敏度基础上提高3 dB，采用手动低速探伤，扩大焊缝区域母材的扫查范围，保证钢管焊缝周围分层、夹杂物能够有效检出。

（4）对于钢管水压试验的盲区部分，钢管管端分层检测采用超声波纵波直探头探伤。探头采用盲区小、大声束交区（深度10 mm）的联合双晶片直探头，晶片尺寸8mm×12mm，频率为5 MHz，探头隔声层垂直于探头移动方向的扫查方式来保证分层缺陷不漏检。

4 结 语

HFW焊管静水压试验失效涉及到焊缝和原料两方面质量因素，一旦出现水压失效，首先要有针对性地查找原因，借助断口形貌、金相、电镜分析及机械性能试验（拉伸、硬度、夏比冲击）对存在失效可能性的方面要逐一找到证据消除，最终定性失效源头。其次，由失效原因及分布情况来决定复检范围。若是冷焊、模糊焊等焊接原因造成，可确定焊管一次开机范围内的钢管复查；若是原料分层、夹杂物、带钢边缘不良等母材缺陷造成，可针对具体卷板熔炼批和上料卷数确定复查范围；若失效原因严重地涉及到整卷或整熔炼批钢管，可考虑整批降级。最终，通过有效的检验机制，保证投入油气输送管网中的HFW钢管安全运行。

［1］李景学.HFW焊管焊接质量的影响因素分析及应对措施［J］.焊管，2011，34（2）：54-57，62.

［2］介升旗.高频焊管常见焊接缺陷分析［J］.焊管，2003，26（4）：47-51.

［3］王旭.油气输送管线钢管制造与装备技术的现状与展望［J］.钢管，2012，41（1）：7-13.

［4］胡松林.中直径管线管用HFW焊管的开发及进展［J］.钢管，2013，42（5）：9-13.

［5］史宏德，田青超，丁维军，等.宝钢HFW石油套管的研发现状和前景［J］.钢管，2013，42（6）：5-8.

［6］GB/T 9711—2011石油天然气工业管线输送系统用钢管［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［7］CDP-S-NGP-PL-006-2011-2天然气管道工程钢管通用技术条件［S］.2011.

［8］ American Petroleum Institute.APISpec 5L ∶2012 Specification for line pipe［S］.45th.Washington，D.C：API Publishing，2012.

［9］GB/T 10561—2005钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法［S］.北京：中国标准出版社，2005.

［10］毕洪运，陆明和.HFW直缝焊管焊缝形态与金相检验评价［J］.宝钢技术，2006（3）：23-26.

［11］黄有阳.高频焊管金属流线的形成形态与分析［J］.钢管，2000，29（6）：31-36.

［12］中国机械工程学会无损检测分会.超声波检测［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［13］高惠临.管线钢与管线钢管［M］.北京：中国石化出版社，2012.

［14］张莉萍，葛建国，赵爱军.浅谈钢中夹杂物的控制对钢质量的影响［J］.包钢科技，2002，28（4）：85-88.