高钢级管道环焊缝断裂行为研究现状及探讨

任俊杰 ，马卫锋 ，惠文颖 ，罗金恒 ，王 珂 ，马秋荣 ，霍春勇

1.石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，陕西西安 710077

2.中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西西安 710077

3.中国石油天然气股份有限公司西部管道分公司，新疆乌鲁木齐 830013

油气管道长时间服役后，因为焊缝缺陷导致管道失效的案例屡见不鲜。根据美国管道安全办公室统计结果，1985—1996年，因管道焊缝问题导致输送危险液体管道和天然气管道失效的事故率分别占12%和8%[1-3]。在我国，焊缝导致管道失效的问题显得尤为突出，1986年10月至1996年12月，达卧线共发生30次爆管事故，其中27次发生于环焊缝，占比高达90%[4]。近10年来，随着高钢级大口径管道的大量建设和投产，在管道试压阶段和投产运行初期就发生了30余起环焊缝开裂和泄漏事故，70%以上是由于环焊缝缺陷引起的。此外，油气输送场站内管道及储运设施环焊缝失效事故也多有发生[5-6]。2011年，某天然气管道压气站内压缩机进出口工艺管道与法兰对接环焊缝试压时发生爆裂事故，整个车间几乎需要重建，经济损失严重。可见，环焊缝的服役安全和失效预防控制技术已经成为当前管道安全服役面临的重要工程问题。

管道环焊缝的失效模式主要为断裂，断裂行为研究是掌握其失效机理的关键。目前，多数研究集中在对环焊缝不同特征区域的强韧性分布规律的精确表征和掌握，本文从研究手段和研究热点问题两个角度总结分析了国内外环焊缝强韧性研究现状。

1 高钢级管道环焊缝研究手段

环焊缝研究常用的测试手段主要有强度、冲击韧性、断裂韧性等，由于显微组织和硬度又与力学性能密切相关，金相检验和硬度测试也是常用的表征手段。此外，焊接热模拟技术和有限元分析也在焊接接头的理论研究上发挥了重要作用。下面对几种常用的方法进行简要介绍。

1.1 基础力学性能测试

对环焊缝处基础力学性能的检测主要包括抗拉强度、夏比冲击韧性（CVN）、断裂韧性、弯曲、硬度等。检测技术主要参考质量控制、检测方法的国家或者企业标准，比如GB/T9711《石油天然气工业管线输送系统用钢管》、GB/T 2652《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》、GB/T 2650《焊接接头冲击试验方法》、GB/T 2653《焊接接头弯曲试验方法》、GB/T 2654《焊接接头硬度试验方法》、BS 7448“ Fracture mechanics toughness tests”等标准中，均有适用于焊接接头的检测方法，可以为相应检测的实施提供依据。

1.2 焊接热模拟技术

焊接热模拟技术是模拟焊接热循环及焊接应力-应变对焊接热影响区中某个区段性能的影响，侧重于热影响区的研究[7]，利用该技术可以研究金属的焊接热影响区的力学性能、焊接接头的高温强度、焊接接头的脆化及软化等。同时，还可以将焊接热影响区的范围放大，从而为研究某特定区域的性能特征提供便利[8]。但是，焊接热模拟技术是基于定量的热循环模拟，而现场应用的环焊缝焊接参数无法精准地测量，这就使得其与现场根据不同焊接工艺规程焊接的环焊缝有着本质的区别，不能完全反映现场实际环焊缝的性能指标。

1.3 显微组织和断口形貌分析

高钢级管道环焊缝所涉及的材质很多，包括低钢级管道和不同焊接工艺规程规定的焊材，但从物相上划分，均为常见的铁碳相，例如铁素体、粒状贝氏体、多边形铁素体、珠光体等。常见的显微组织分析手段包括金相显微镜观察、扫描电镜（SEM）观察、电子背散射衍射（EBSD）等。

断口形貌分析可以在破坏性测试过后对环焊缝的断裂行为进行分析，断口形貌分析根据观察尺度的不同分为宏观形貌分析和微观形貌分析，宏观形貌照片往往包含整个断裂面，反映与力学测试曲线对应的不同破坏阶段，而微观形貌照片可以反映晶粒尺寸大小、物相和韧窝等微观断裂形貌。

1.4 冲击韧性试验研究

对于管道而言，要避免脆性断裂。夏比冲击（CVN） 和落锤撕裂试验（DWTT） 是考察材料韧、脆性断裂较常用的手段。参考标准有ISO 148-1“Metallic materials—Charpy pendulum impact test— Part 1:Test method”、ASTMA370“Standard test methods and definitions for mechanical testing of steel products”、SY/T 6476《输送钢管落锤撕裂试验方法》等。CVN和DWTT测试具有实施方便快捷的特点，而且低温试验也较容易实现。但是CVN和DWTT测试前需要确定刻槽位置，按照GB/T9711[9]的要求，对于管体焊接接头，仅对熔合线处刻槽验证整个焊接接头的夏比冲击性能，GB/T 2650给出了刻槽的实施标准方法，并没有给出需要重点关注的区域[10]，事实上环焊缝的热影响区内又细分了多个不同的组织结构区域，这就给试验方案的制订和实施提出了更高的要求，而且对于结构和材质不同的焊接接头，其薄弱区域的位置并不相同。

1.5 裂纹尖端张开位移试验研究

裂纹尖端张开位移（CTOD）试验主要是用于考察管道启裂时的韧性和断裂行为，可以获得定量的抗断裂能力。参考标准有ISO 12135“Metallic materials—Unified method oftest for the determination of quasistatic fracture toughness”、 ASTM E1290“Standard test method for crack-tip opening displacement （CTOD） fracture toughness measurement”、GB/T 21143《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》等。相比夏比冲击韧性，CTOD更能有效准确地评价材料的抗脆断能力，并且可以为结构的安全评定提供试验依据。CTOD试样的缺口位置也面临与夏比冲击类似的问题，即环焊缝热影响区内的刻槽位置需要充分考虑组织结构的分布。

1.6 有限元仿真

有限元仿真是环焊缝断裂行为基础理论研究的另一个有效方法，试验成本低，可以在实物试验前预测结构材料的力学性能。目前，有限元计算主要用于高钢级管道环焊缝的应力-应变研究，如董俊慧等人[11]利用ADINA软件研究了环焊缝及附近的残余应力，帅健等人[12]模拟了裂纹尖端的应力分布及撕裂过程。也有学者利用有限元方法对管道环焊缝的缺陷进行了模拟，如罗福强等人[13]利用有限元仿真模型研究了不同尺寸缺陷的漏磁特征。Paredes等人[14]对带缺陷的强度错配环焊缝在弯曲载荷下进行了数值模拟。有限元计算的要点是合适的仿真建模与合适的计算模型，其中，由于环焊缝处微区范围内，尤其是热影响区的组织结构和力学性能的巨大差异，使得仿真建模的难度有所提高，并且对于各种不同组织结构材料的性能测定也是难点，所以目前鲜有将有限元仿真用于环焊缝韧性分布的研究。

2 高钢级管道环焊缝性能研究重点

2.1 高钢级管道环焊缝的性能设计

在进行焊接接头设计时，焊缝的承载能力是倍受关注的问题，近年来，已经有学者对高钢级管道环焊缝应力-应变能力进行了大量研究。帅健等[12]为了评价高钢级管道环焊缝的应变能力，建立了整个环焊缝的有限元模型，依据断裂韧性准则，研究了材料性能等因素与管道应变能力之间的关系。庄传晶等[15]研究了高强度管线钢环焊缝强度匹配对管道性能的影响。Hiroyuki等[16]研究了强度错配和应变强化容量对X80管线钢环焊缝断裂性能的影响。马朝晖[17]研究了基于应变设计X70管线钢管高强匹配环缝焊接性。性能设计研究多以环焊缝整体为研究对象，重点关注环焊缝区域的承载能力，为基于应力-应变的高钢级管道的设计和安全评价提供技术依据。

2.2 高钢级管道环焊缝的缺陷安全评估

在缺陷安全评估方面，国外已经建立了管道完整性管理体系和相关技术标准和做法，如ASME B31G、CEGB R6、CEGB R5、API 579、BS 7910等。但是上述安全评估方法和标准主要是针对管道的体积型缺陷和裂纹型缺陷，对于焊缝缺陷，API 579[18]和BS 7910[19]给出了部分缺陷的评价方法，如环焊缝错边、直焊缝噘嘴等。也有国外学者进行了基于缺陷的安全计算研究，Hiroyuki等人[16]使用有限元方法对X80管线钢环焊缝错配进行了分析。Carlucci等人[20]也使用有限元方法对环焊缝裂纹的萌生和扩展进行模拟。

国内学者也对高钢级环焊缝的安全评估进行了大量研究。武明明等人[21]对西气东输X80管道环焊缝缺陷进行了研究，选择GB/T 19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》标准中的失效评定图法和U因子工程评定法进行对比分析。张世涛[22]根据BS 7910对国产高铌X80管线钢焊接接头焊趾处的表面裂纹、埋藏裂纹进行了二级安全评定。李明等人[23]基于BS 7910对X70钢环焊缝缺陷进行了了安全评定。熊庆人等人[24]对X80高钢级管道环焊缝的气孔和裂纹型缺陷容限尺寸进行了数值计算和失效评定研究。从目前研究可以看出，数值分析和失效评估图方法已经在环焊缝的适用性评价中获得了广泛认可。

但是，失效评估图和数值分析计算均基于环焊缝的力学性能指标，尤其是韧性指标。由于环焊缝内部存在根焊、填充焊、盖面焊、粗晶区、细晶区和熔合区等多种不同的组织结构，而且不同管道、管件的焊接工艺规程不同，使得环焊区域的性能特征复杂多样，给材料性能的获取造成了困难。例如Hiroyuki等[16]在对环焊缝性能进行赋值时，直接使用母材强度和错配比例来设定，没有考虑环焊缝处的性能不均匀分布和薄弱区域；CARLUCC A I等[20]在对材料性能进行赋值时指出，材料性能有很大的分散性。因此，为了环焊缝失效评定图和数值分析计算的可靠性，对环焊缝性能进行精确表征和掌握成为研究重点。

2.3 高钢级管道环焊缝的失效机理

从材料内因的角度看，焊接接头失效机理研究是对焊缝薄弱区域强韧性分布规律的研究，精确表征焊接接头内部各区域性能是研究重点，这方面的研究已经非常广泛。何沛[25]对摩擦焊钻杆的焊缝及其热影响区的冲击韧性分布规律进行了研究，发现焊缝区的晶粒度变化导致了冲击韧性、脆性转变温度的变化。王元良等[26]运用夏比冲击试验对62CF钢管焊接接头的焊缝区、熔合区、热影响区的韧性水平进行了试验研究，发现熔合区的韧性较低。Kenji等[27]采用夏比冲击试验和断口分析方法，研究了低碳钢焊接接头热影响区的冲击韧性。安丽君等[28]分析了焊接热循环对焊接接头热影响区组织和维氏硬度分布的影响，发现热影响区内维氏硬度分布变化梯度很大，维氏硬度峰值基本都出现在距熔合线约0.5 mm以内的过热区内。

近年来，对高钢级管道环焊缝的研究也逐渐开展。徐学利等[29]对X80管线钢及接头距离焊缝中心不同距离处的低温冲击韧性、硬度和金相组织进行了表征。翟战江等[30]、郝瑞辉等[31]、吕统全[32]、隋永莉[33]等利用热模拟技术分析了X80管线钢焊接HAZ的显微组织和冲击韧性分布规律。李为卫等[34]和熊庆人等[35]利用焊接热模拟技术研究了X80管线钢焊接HAZ的冲击韧性和CTOD性能分布规律。

可见，高钢级管道环焊缝的研究主要是利用焊接热模拟技术，其研究对象为距离熔合线不同距离处组织、冲击韧性、CTOD等性能的分布规律。在对不同距离分段时，通常采用热影响温度或者毫米为单位的距离进行划分，这种划分偏重理论研究。而工程上对HAZ强韧性进行实物测试时往往是参考某个特征区域，这类理论研究对于HAZ内特征区域的细分并没有进行重点关注。

也有研究对热影响内不同特征区域进行了重点关注，将HAZ按晶粒度及焊接特征划分为熔合线、粗晶区、细晶区和两相区，以获得HAZ的薄弱区域。WU X F等[36]在对核级钢焊缝进行研究时划分了母材、焊缝和HAZ几个不同部位。WANG H T等[37]对异种金属焊接接头不同部位的组织及性能进行了系统研究。丁润江[38]在研究X70管线钢焊接接头的硬度时进行了焊缝区、HAZ区的划分，硬度打点以毫米为单位间隔。刘博维[39]在对S355J2W耐候钢焊接接头进行研究时，将HAZ划分为过热区、正火区和不完全正火区。胡梦佳等[40]在研究厚壁焊接接头时将HAZ分为粗晶区、细晶区和两相区，并发现不同刻槽位置的冲击断口主要沿粗晶区扩展。黄卫锋等[41]将HAZ划分为熔合线、粗晶区、细晶区和部分组织转变区，并研究了不同区域的金相组织和冲击性能。可见，依照金相组织进行了划分区域的方法在对HAZ进行研究时也被采用，但是在高钢级管道环焊缝研究中的应用仍然较少。因此，在对高钢级管道环焊缝强韧性分布规律进行研究时，细分特征区域并进行强韧性的精确表征和掌握应该得到重点关注。

3 结束语

本文对高钢级管道环焊缝研究手段和研究关注点的现状进行了概述，并指出了研究的一些重点问题。此外，环焊缝类型和研究手段方面还有一些问题值得关注。

首先，与管道环焊缝相同材质、相等壁厚、单一结构对接的特点相比，油气站场内储运设施环焊缝情况更加复杂，站内对接环焊缝两端多数存在不同材质、不等壁厚和结构不同等特点。如某站场内异径三通与直管段对接时，材质搭配为WPHY-70和L245对接、WPHY-80和L415MB对接；异径三通（壁厚54 mm）与直管段（壁厚27.5 mm）壁厚差异近一倍；并且站场设施中多以弯头、三通（等径、异径）、封头、大小头（偏心、同心）、法兰（带颈平焊、带颈对焊、承插焊接等）与直管段的对接结构为主，对接两端结构差别大。这就使得站场设施对接环焊缝的焊接组对条件、服役工况、承载环境等问题更加复杂。然而，相对于长输管道对接环焊缝而言，对站场设施对接环焊缝断裂行为和失效机理的研究较少。因此，应尽快开展针对站场设施环焊缝的损伤失效研究，特别是对不同材质、不等壁厚对接环焊缝韧性分布规律、损伤容限和失效控制措施的研究，为站场设施环焊缝安全服役奠定理论基础。

其次，在环焊缝研究手段方面，常规拉伸、冲击等小试样测试方法虽然实施方便，但只能反映某个区域材料在特定方向上的性能，并不能完全仿真环焊缝的服役工况。因此，有必要引入大尺寸实物试验来模拟其力学行为，例如宽板拉伸试验、整管拉伸试验等，大尺寸实物试验可以更真实地反映环焊缝的力学服役行为。此外，由于环焊缝存在微小区域内组织结构变化大的特点，微观表征手段的运用也十分重要，可以将纳米压痕测试、原位X射线应力分析、原位疲劳等微观表征手段引入环焊缝组织结构的表征中，为其服役行为研究提供支持。