X52管线钢焊缝金属裂纹分析

李 硕,李永春,易斐宁,吴林恩,宋 薇,靳海成

1.中国石油天然气管道科学研究院有限公司,河北廊坊 065000

2.中国石油管道局工程有限公司第一分公司,河北廊坊 065000

3.国家管网集团北方管道有限责任公司,河北廊坊 065000

焊接是长输管道工程施工中最重要的工序之一，焊接接头的质量直接影响到整条管道的安全。裂纹是焊接结构中最危险的一种缺陷，它不仅直接降低了焊接接头的有效承载面积，而且还会在裂纹尖端形成强烈的应力集中，使焊接接头容易产生突然的脆性破坏，可能引发严重的后果[1-3]。

某X52管线钢管焊接后，在无损检测中发现环焊接头出现了横向裂纹。环焊接头采用焊条电弧焊根焊（SMAW）+自保药芯半自动焊（FACW）填充盖面的方式进行焊接。为了分析裂纹产生的原因，本文将该含裂纹焊口作为研究对象，对管体母材、焊材及焊缝金属进行化学成分分析、金相组织、断口形貌和能谱分析，分析产生裂纹的原因。

1 检验分析

1.1 化学成分分析

对母材、焊材和焊缝金属的化学成分进行分析，结果如表1所示。母材的化学成分满足GB/T 9711—2017标准的要求。焊材的化学成分也满足相关标准的要求。标准未对焊缝金属的化学成分进行要求，测试数据仅用于参考。

表1 母材、焊缝金属和焊材的化学成分分析结果（质量分数） 单位：%

1.2 裂纹位置和形貌

裂纹位于仰焊收弧位置（6点位），与焊缝垂直，且未扩展到热影响区，裂纹全貌如图1所示。将裂纹扳开，在打开的断口上，裂纹部位呈黄色。裂纹部位断口呈放射状形貌，裂纹位于盖面焊道，如图2所示。

图1 裂纹宏观形貌

图2 断口形貌

1.3 金相分析

将试样沿图3所示红线位置切开。采用金相显微镜对焊接接头的组织进行了分析，断口附近可观察到裂纹，如图4（a）所示。裂纹周围组织无变形现象，组织为粒状贝氏体（GB）+板条贝氏体(BF)，未发现异常组织，裂纹形貌显示为沿晶开裂，如图4（b）所示。对焊缝两侧的钢管组织进行了观察，组织为铁素体（F）+珠光体（P），如图4（c）所示，是典型的X52管线钢的组织。

图3 金相试样切割方向

图4 试样金相显微组织

1.4 扫描电镜和能谱仪分析

采用扫描电镜对试样断口形貌进行观察，如图5所示。

图5 试样断口形貌

裂纹处的断口为沿晶界开裂，呈柱状晶形貌，表面光滑，断口上存在细小的白色颗粒。选取2个位置的颗粒物进行能谱分析，分析结果见图6和表2。

图6 断口能谱分析位置及图谱

表2 能谱仪分析结果（质量分数） 单位：%

从图6和表2可以看出，颗粒主要由C、Ni、Mn、Cr、Fe、S等元素组成，S元素含量明显高于基体的S元素含量，说明S元素在晶界上发生了偏析。

采用扫描电镜对裂纹附近的组织进行观察，可以看到裂纹沿晶界扩展（见图7），与断口观察的结果一致。

图7 裂纹附近扫描电镜照片

2 成因分析

采用扫描电镜对裂纹断口进行观察，可以看到一排排柱状晶形貌，为沿晶开裂。断口表面上有一些球状的颗粒，能谱分析显示，该颗粒的主要成分为C、Ni、Mn、Cr、Fe、S等元素，且S元素含量明显高于基体的S元素含量，说明S元素在断口上发生了偏析。S与金属形成低熔点相或共晶（如生成熔点1 190℃的FeS，进而与Fe形成Fe-FeS，熔点只有985℃）[3-9]，它的熔点比钢的熔点要低得多。同时，裂纹位于焊缝仰焊位置，是两名焊工收弧交汇的区域，存在收弧点重合的可能。收弧点是低熔点杂质聚集最多的区域，在焊缝凝固过程中形成了低熔点共晶[1，5]。低熔点的共晶聚集在柱状晶的晶间形成所谓“液态薄膜”，凝固后期在焊缝金属冷却收缩产生的拉伸应力作用下，仍处于液态的晶界金属被拉开，形成沿柱状晶开裂的热裂纹[6-9]。

3 结论

（1）X52管线钢焊缝裂纹断口形貌为沿晶开裂，且断口上存在S元素的偏析，可以确定该焊接接头裂纹为热裂纹。

（2）裂纹位于盖面焊道的收弧位置。焊缝中的S杂质元素在收弧位置偏析产生了低熔点共晶，在焊接拉伸应力的作用下形成了裂纹。