静水压试验后直缝埋弧焊管鼓胀原因分析

张 骅，张 衡，马立新，刘鉴卫

（1.渤海石油装备制造有限公司，天津300457；2.巨龙钢管有限公司，河北 青县062650）

在焊管的所有检测与试验中，静水压试验可用来检查焊管是否有焊接缺陷，并能在一定程度上减少焊管的残余应力，由于其可准确地检出贯穿性缺陷而成为钢管制造工艺流程中必不可少的检验项目，在国内外管线项目中也是用户比较关注的重要工序之一［1-4］。2020年某公司在检测某工程项目用X80MΦ1 219 mm×27.5 mm直缝埋弧焊管的过程中，3根焊管在静水压试验后出现管体鼓胀现象，该3根焊管为同一A炉批钢板生产。为进一步查找静水压试验后Φ1 219 mm×27.5 mm直缝埋弧焊管管体鼓胀原因，笔者进行了调查分析。

1 生产和检验过程调查

焊管生产线采用的是JCOE直缝预精焊生产线，终焊采用埋弧自动焊接工艺［5-10］。工程项目技术标准以API Spec 5L—2018《管线钢管规范》（45版）为基础，对产品的外观尺寸、力学性能等质量指标要求进行了提升。静水压试验要求Φ1 219 mm×27.5 mm直缝埋弧焊管在23.4 MPa静水压试验压力下保压16 s，试验过程中整个焊缝或管体应无泄漏，试验后应目视检查无明显形变和管壁鼓起。

对于静水压试验时出现鼓胀的焊管，其进行静水压试验时，虽然压力可加压至23.4 MPa，但是在保压过程中封堵端漏水，焊管无法持续保压16 s，未获得合格水压曲线。目测静水压试验未通过的焊管，其局部区域鼓胀，而且在辊道运送过程中会出现跳动，不能正常传输。每间隔1 m测量焊管外周长，结果显示管体部分区域外周长超出技术要求。追溯静水压试验前焊管外周长信息，检验结果满足技术要求。鼓胀焊管静水压试验前后外周长变化见表1。由此可见，静水压试验后管端外周长增长了1.5 mm以上，管体外周长增长更为明显。

表1 Φ1 219 mm×27.5 mm直缝埋弧焊管静水压试验鼓胀前后外周长测量数值mm

原料壁厚是静水压试验的影响因素之一，核实钢板板厚，发现钢板板厚符合技术要求；从管头向管尾测量多点制管后母材壁厚，发现母材壁厚亦满足技术要求。鼓胀焊管相关尺寸见表2。

表2 Φ1 219 mm×27.5 mm直缝埋弧焊管发生鼓胀焊管相关尺寸mm

2 理化检验

2.1 化学成分

按照ASTM A 751—2014a《钢制品化学分析标准试验方法、实验操作和术语》，对鼓胀焊管母材（A炉批）的化学成分进行光谱分析，检验结果满足技术标准要求，而且与其他炉批的化学成分相比差别甚微。焊管母材化学成分（质量分数）检验结果见表3。

表3 Φ1 219 mm×27.5 mm X80发生鼓胀焊管母材化学成分（质量分数）检验结果%

2.2 拉伸性能

因焊管鼓胀区域为周向整体膨胀，笔者认为母材横向拉伸性能沿焊管周向分布较为均匀，后续试验结果也验证了这一推断。因静水压试验后焊管外周长变化存在较大差异，部分区域外周长超出了技术要求，母材拉伸强度均匀性有待确认。

选取1号鼓胀焊管，在管体外周长不合格区域沿周向截取母材横向拉伸试样，取样位置为1点钟、3点钟、6点钟、9点钟、11点钟（焊缝为12点钟位置）；在3根鼓胀焊管的头部、管体外周长合格区域、管体外周长不合格区域、尾部距焊缝180°取母材横向拉伸试样。因为管线钢的碳含量较低，在经过冷变形制成钢管以后，当受热温度在200℃以上就会产生应变时效［11］，故截取400 mm×400 mm试块。按照ASTM A 370—2019《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》要求，采用Φ12.7 mm圆棒试样进行母材横向拉伸试验。

1号鼓胀焊管各周向位置母材拉伸试验结果见表4，1号鼓胀焊管长度方向屈服强度和抗拉强度分布如图1所示。试验结果显示：①母材横向拉伸性能沿焊管周向分布较为均匀，屈服强度极差为27 MPa，抗拉强度极差为37 MPa；②沿焊管长度方向不同区域母材拉伸性能分布亦较为均匀，屈服强度极差小于30 MPa，抗拉强度极差小于15 MPa，但是试验结果均不满足焊管技术要求，即便形变最大区域屈服强度仍然低于555 MPa，母材强度自焊管头端至尾端呈降低趋势。

表4 1号鼓胀焊管各周向位置母材拉伸试验结果

图1 1号鼓胀焊管长度方向屈服强度和抗拉强度分布

同时，对比A炉批钢管与其他炉批钢管母材的拉伸性能发现，该炉批屈服强度平均值低于其他炉批37 MPa，抗拉强度平均值低于其他炉批50 MPa，拉伸试验结果不满足技术要求，而且其他炉批焊管的拉伸强度整体偏下限。焊管母材横向拉伸试验结果见表5。

表5 Φ1 219 mm×27.5 mm X80M直缝埋弧焊管母材横向拉伸试验结果

对A炉批剩余钢板头部、尾部在宽度1/2处取母材横向拉伸试样，按照ASTM A 370—2019要求，采用全壁厚矩形试样，钢板拉伸强度整体偏低，个别钢板抗拉强度低于标准下限；且头尾两端强度相当，极差均在10 MPa范围内。钢板母材横向拉伸试验结果见表6，A炉批钢板屈服强度平均值低于其余炉批钢板24 MPa，抗拉强度平均值低于其余炉批25 MPa，伸长率及屈强比两者相当。

表6 X80M钢板母材横向拉伸试验结果

此外，A炉批钢板拉伸曲线存在较明显的屈服平台，其余炉批钢板拉伸曲线为典型的X80M管线钢圆拱形曲线，两者差异明显。钢板及其焊管的拉伸曲线如图2所示。

图2 X80M钢板及其焊管的拉伸曲线

2.3 母材硬度

按照ASTM E 384—2011《材料显微硬度测试方法》检验母材硬度，检测结果见表7。3根焊管母材的硬度满足技术要求（要求硬度≤280 HV10），但与合格炉批相比，A炉批焊管母材的硬度偏低。

表7 X80M焊管母材硬度检测结果HV10

2.4 母材金相

按照ASTM E 112—2013《平均晶粒度测定的试验方法》、GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定》、技术要求对母材的晶粒度、非金属夹杂物及带状组织进行检测。焊管母材夹杂物等级D细为0.5，其余为0；带状组织A炉批2级，其他炉批1级，均满足技术要求。与其余炉批晶粒度12级相比，A炉批的晶粒度10.6～11.0级，较粗大。

A炉批和其余炉批母材金相组织如图3～4所示。目测母材试样，A炉批母材的金相试样表面存在类似划痕状条纹，在光学显微镜下观察时发现这些条纹不是机械划痕，为未形成常规带状的块状铁素体；母材金相组织为多边形铁素体+粒状贝氏体，壁厚中心较表层多边形铁素体比例增多，晶粒度较表层粗大，中心组织中MA组元为黑块状，且主要沿晶界分布。其他炉批母材的金相显微组织为针状铁素体+粒状贝氏体，且组织、晶粒度分布均匀，表层组织中MA组元多为点状，弥散性分布于基体上，中心组织MA组元变为小岛状。

图3 A炉批母材金相组织

3 分析及讨论

3.1 静水压试验的影响

API Spec 5L规定：如果在静水压试验中采用了产生轴向压应力的端面密封堵头，当规定试验压力产生的环向应力超过规定最小屈服强度的90%（该批次钢管取值95%），静水压试验压力P用公式（1）确定［12-14］。将X80MΦ1 219 mm×27.5 mm直缝埋弧焊管的各参数代入公式（1），可计算出该焊管的静水压试验压力为23.4 MPa。

图4 其余炉批X80M母材金相组织

如果不考虑端面密封环向应力对焊管的影响，静水压试验压力P用公式（2）确定，环向应力取该材料最小屈服强度555 MPa的95%，D与t分别为1 219 mm、27.5 mm，计算结果为23.8 MPa。

因此，所采用的静水压试验压力值23.4 MPa已考虑端封夹紧力所产生的轴向压应力这一影响因素，确认管体鼓胀变形与静水压试验本身无关。

3.2 理化性能分析

统计近两年数据发现，该钢厂X80M厚壁钢板具有连续的屈服行为，其拉伸曲线为圆拱形，且金相显微组织为均匀的粒状贝氏体+针状铁素体。钢板拉伸强度数据分布较集中，屈服强度580～620 MPa，抗拉强度670～690 MPa；制管后屈服强度会上升20 MPa左右，抗拉强度会上升10 MPa左右。

此次发生鼓胀的焊管，其母材的拉伸性能及显微组织均异常：钢板拉伸曲线出现了较明显的屈服平台；母材晶粒度较大，为10.6～11.0级；显微组织中的多边形铁素体较多，约占30%。

X80M管线钢的组织多为针状铁素体+粒状贝氏体。针状铁素体板条中高密度可移动位错的存在使得多滑移易于实现，该组织钢具有连续的屈服行为和高的形变强化能力。粒状贝氏体亚结构位错密度高，在管线钢中，由于MA组元细小，有较好的强韧特性，以该组织为主的钢的应力-应变曲线表现为连续的屈服形态，形变强化能力较好。对于无需考虑包申格效应的X80M管线钢而言，焊管JCO成型过程中形变强化起主导作用，制管后管体强度升高，而上升的多少取决于显微组织类型。

多边形铁素体亚结构位错密度低、没有明显的亚结构，导致材料强度较低、塑性较大，其应力-应变曲线具有明显的屈服平台，形变强化能力差。

由此可见，较多量的多边形铁素体的存在导致了该X80M直缝埋弧焊管拉伸性能的异常，致使静水压试验失效，管体变形鼓胀。钢板性能产生差异的根本原因为：轧制过程中钢板在高温停留时段过长，喷淋水冷不及时，形成了大量的多边形铁素体。

4 结 论

此次X80MΦ1 219 mm×27.5 mm直缝埋弧焊管在静水压试验后发生鼓胀的原因是母材显微组织异常。X80M管线钢中多边形铁素体较大比例的出现，导致管线钢强度低，拉伸曲线出现了较明显的屈服平台，管材形变强化能力降低，从而造成焊管在静水压试验后出现鼓胀现象。

焊管发生鼓胀后，焊管制造公司与原料厂家进行了沟通，钢厂反馈的原因与笔者分析相一致，钢厂在质量追溯过程中发现钢板高温控时较长、冷却不及时，导致了A炉批钢板性能出现异常。

为防止类似鼓胀问题再次发生，原料厂家及焊管制造公司可采取以下措施：①原料厂家加强钢板质量控制，严控钢板轧制参数；②在钢板订货协议中增加X80钢级管线钢拉伸曲线形态的要求，要求拉伸曲线应为圆拱形；明确X80钢级管线钢显微组织要求，如组织类型、多边形铁素体占比等；③焊管制造公司应加强钢板入厂检验环节控制，适量增加钢板抽检比例，严格控制原料质量。