对接环焊缝白点产生原因.pdf

47DOI:10.1197-wW1202309013质量控制与失效分析2023年第59 卷PTCA(PARTAPHYS.TEST.)9理化检验-物理分册对接环焊缝白点产生原因罗华权，刘文红，张益铭，张雪琴，杨力能，刘养勤（中国石油集团工程材料研究院有限公司，西安7 10 0 7 7）摘要：某钢管对接环焊缝处产生白点缺陷。采用宏观观察、力学性能测试、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法对白点产生的原因进行研究。结果表明：焊接前，焊缝坡口未进行充分干燥，焊缝中氢离子含量过高，导致氢离子聚集并产生了白点；焊接操作不当导致非金属夹杂物未及时析出，在白点内部产生了非金属夹杂物。关键词：对接环焊缝；白点；氢脆；非金属夹杂物中图分类号：TB31；T G 115.2文献标志码：B文章编号：10 0 1-40 12（2 0 2 3)0 9-0 0 47-0 4Causes of white dots in butt girth weldLUO Huaquan,LIU Wenhong,ZHANG Yiming,ZHANG Xueqin,YANG Lineng,LIU Yangqin(CNPC Tubular Goods Research Institute,Xian 710077,China)Abstract:The white dot defect occurred at the butt girth weld of a certain steel pipe.The causes of whitedots were studied by macroscopic observation,mechanical property testing,metallographic examination,scanningelectron microscopy and energy spectrum analysis.The results show that before welding,the weld groove was notfully dried and the hydrogen ion content in the weld was too high,led to the aggregation of hydrogen ions and theformation of white dots.Improper welding operation resulted in non-metallic inclusions not precipitated in time andnon-metallic inclusions were generated inside the white dots.Keywords:butt girth weld;white dot;hydrogen embrittlement;non-metallic inclusion采用钢制管道输送石油和天然气是最经济、高效的输送方式之一。生产钢制管道时，基于工厂设备和工艺的限制，每根钢管的长度仅约为10 m，因此需要采用焊接的方式把钢管连接起来，对接环焊缝的质量对管道的安全运行具有较大影响-3 。焊接参数选择不当、焊接材料不合格、焊接操作不当等因素会使对接环焊缝产生焊接缺陷，如气孔、裂纹、未熔合、白点等 4。白点是材料中肉眼可见的圆形或椭圆形白色小点 5,是氢元素在材料中的一种存在形式，其表明材料中产生了氢气孔。白点是一种细微裂纹缺陷，可产生相当大的内部应力。在碳钢和低合金钢焊缝金属的断裂面上会出现光亮圆形的脆性断裂点，为焊缝中的白点缺陷 6 。焊缝中的白点是收稿日期：2 0 2 2-0 9-16作者简介：罗华权（198 3 一），男，高级工程师，主要从事石油管材及装备试验技术的研究工作，材料内部的宏观缺陷，例如以夹杂、气孔为核心的银白色斑点，其形状多为圆形或椭圆形。在光亮圆形的缺陷中心有颜色较暗的物质，呈点状或长条状。在焊件服役过程中，在内部应力与外部应力的相互作用下，白点处的裂纹扩展，引起焊缝发生早期断裂，即氢脆。某钢管对接环焊缝两边的管道规格为7 11mmX19.1mm（外径X壁厚），根部焊采用钨极气体氩弧焊打底，填充和盖面焊采用药芯焊丝电弧焊。在使用过程中，发现该钢管对接环焊缝处出现白点。笔者采用一系列理化检验方法分析了该对接环焊缝产生白点的原因，并提出了改进措施，以避免该类事故再次发生。1理化检验1.1宏观观察对钢管的对接环焊缝处进行宏观观察，结果如图1所示。由图1可知：对接环焊缝处可见圆形及椭圆形的银白色结晶斑点。48罗华权寸接环焊缝白点产生原因理化检验-物理分册图1对接环焊缝处的宏观形貌1.2力学性能测试1.2.1拉伸试验将对接环焊缝的截面分为4个区域（见图2），分别在4个区域处取横向拉伸试样，试样宽度为19mm，依据GB/T228.1一2 0 2 1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法对试样进行拉伸试验，结果如表1所示。由表1可知，4组试样均断裂于母材处，该对接环焊缝区域14的抗拉强度均满足GB/T310322014钢质管道焊接及验收的要求。1.2.2冲击试验分别在该对接环焊缝的平焊、立焊、仰焊位置的焊缝中心和熔合线处取样，依据GB/T2292020金属材料夏比摆锤冲击试验方法进行冲击试验，试样尺寸为10 mm10mm55mm（长度宽度X厚度），试验结果如表2 所示。由表2 可知：该对接环焊缝的平焊焊缝、立焊焊缝、仰焊焊缝的冲击吸收能量和剪切断面率均满足GB/T310322014的要求。区域1区域2管径大于3 2 3.9mm区域3区域4图2对接环焊缝截面区域划分示意表1双对接环焊缝区域1 4的拉伸试验结果MPa项目抗拉强度区域1实测值662区域2 实测值660区域3 实测值600区域4实测值597标准值508.25表2对接环焊缝的冲击试验结果冲击吸收能量/剪切断面率/%取样位置实测值平均值标准值实测值平均值标准值焊缝中心181,180,19118465,60,7567平焊位置熔合线330,334,351338100,100,100100焊缝中心195,198,26622070,70,10080立焊位置4050熔合线317,244,370310100,85,10095焊缝中心174,170,18517670,65,7570仰焊位置熔合线218,326,23025875,100,85871.2.3刻槽锤断试验在对接环焊缝的区域14处取样，依据GB/T31032一2 0 14对试样进行刻槽锤断试验，试样尺寸为3 0 0 mmX25mm22.2mm（长度宽度厚度），试验结果如表3 所示。由表3 可知：在区域1处未发现缺陷，在区域2 4处均发现白点缺陷，且白点的最大直径为4.92 mm，不满足GB/T310322014的要求。1.2.4导向弯曲试验在对接环焊缝的截面取侧弯试样和背弯试样，依据GB/T26532008焊接接头弯曲试验方法对试样进行导向弯曲试验，其中侧弯试样的尺寸为260mmX19.1mm13mm（长度宽度X厚度），背弯试样的尺寸为2 6 0 mm25mm12.7mm（长度宽度厚度），试验结果如表4所示。由表4可知：导向弯曲试验结果满足GB/T310322014的要求，未发现弯曲异常。1.2.5硬度测试分别在对接环焊缝的立焊和仰焊位置取样，依据标准为GB/T4340.12009金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法对试样进行硬度测试，测试结果如表5所示。由表5可知：该对接环焊缝的49罗华权，等：对接环焊缝白点产生原因理化检验-物理分册表3 对接环焊缝的刻槽锤断试验结果取样位置试验结果区域1断口未发现缺陷区域2断口发现白点，其最大直径为4.92 mm断口发现夹杂及白点，夹杂的最大直径为1.15mm，区域3白点的最大直径为3.2 4mm区域4断口发现白点，其最大直径为1.1mm表4对接环焊缝的导向弯曲试验结果试样弯曲方向弯轴直径/mm弯曲角度/（）试验结果侧弯90180未出现裂纹背弯90180未出现裂纹表5对接环焊缝的硬度测试结果HV测试位置实测值标准值立焊位置198258265仰焊位置176239立焊和仰焊位置的硬度均满足GB/T31032一2 0 14要求。1.3金相检验分别在对接环焊缝的平焊、立焊、仰焊位置取金相试样，依据GB/T132982015金属显微组织检验方法对试样进行低倍组织检验，结果如图3 所示。由图3 可知：该对接环焊缝未发现宏观焊接缺陷。a)平焊位置b)立焊位置c)仰焊位置图3对接环焊缝的低倍组织形貌1.4扫描电镜（SEM)及能谱分析对区域2 处的刻槽锤锻试样进行SEM分析，结果如图4所示。由图4可知：区域2 处的刻槽锤锻试样断口上有两个比较明显的白点，一个白点的直径为4.92 mm，另一个白点的直径为1mm；直径为1mm白点的断裂扩展区呈解理断裂特征，白点与焊缝基体之间有韧窝过渡带。5mm500um20um20uma)整体b）直径为4.92 mm的白点c）直径为1mm的白点d)韧窝过渡带图4区域2 处刻槽锤锻试样的SEM形貌对直径为4.92 mm的白点进行能谱分析，结果如图5所示。由图5可知：直径为4.92 mm的白点主要含有Mg、A l、O 等元素，其主要含有MgO、Al2O3、Si O 2、M g F2、Ba F,等物质。对直径为1mm的白点进行能谱分析，结果如图6 所示。由图6 可知：直径为1mm的白点主要含有Cl、S、K、O 等元素，其主要含有CaCO3、Si O 2、FeS2、K C l 等物质。2综合分析上述理化检验结果表明：在刻槽锤断试验中发现该对接环焊缝存在白点，但材料的力学性能测试结果均满足标准要求，且低倍组织形貌中也未见白点缺陷；白点的断裂扩展区呈解理断裂特征，白点内部含有MgO、A l,O：、Si O 2、M g F2、Ba F2、K C l 等物质，说明白点内部含有非金属夹杂物 7，在刻槽锤断试验中，非金属夹杂物成为裂纹源，导致试样发生准解理断裂。在焊接过程中，焊缝母材清理不干净，焊接电流过小，会使焊接产生的热量不足，熔化金属的凝固时间过短，导致焊缝中存在非金属夹杂物。对焊接参数和施焊记录进行核查，未发现焊接参数选择不当的情况。焊接原材料化学成分不纯，焊接时熔池内有O、N、S、P、Si 等元素，易形成夹杂物。对焊接50罗华权针接环焊缝白点产生原因理化检验-物理分册FeMgBaA7BaFe12 34567891011500umE/keVa)分析位置b)能谱图图5直径为4.92 mm白点的能谱分析结果0FeFeSiClKCaFe八Mn人1F23567T4891011200umE/keVa)分析位置b)能谱图图6直径为1mm白点的能谱分析结果母材及焊条原材料的入厂复验记录进行核查，发现其化学成分满足标准要求。白点缺陷产生的主要原因是材料中的氢元素含量过高。焊缝中氢元素含量过高的主要原因为：电弧区的水分过多，在施焊过程中，这些水分分解出氢离子，进而在焊缝中形成氢气孔 8 。电弧区的水主要来源于施焊的潮湿环境，以及切削加工过程中的冷却介质水。该对接环焊缝的焊接坡口采用水冷却的方式，未对坡口进行充分预热、干燥，导致坡口存在水分，水分解出的氢离子聚集，最终导致焊缝中产生白点。焊接操作不当，导致熔渣和铁水混合在一起，阻碍了熔渣的上浮，是焊缝中产生非金属夹杂物的主要原因。经调查，在焊接时，未适当摆动焊条使熔渣不能及时上浮，造成熔渣残留在焊缝中。3结论及建议3.1结论该钢管对接环焊缝中产生白点的原因是：焊接前，焊缝坡口未进行充分干燥，导致焊缝中氢离子的含量过高，氢离子聚集导致焊缝中产生白点；焊接操作不当，导致非金属夹杂物未及时析出，在白点内部产生了非金属夹杂物。3.2建议（1）焊接前充分打磨坡口，清除待焊部位及两侧的油污、锈迹等杂物，检查焊枪导电嘴是否完好，检查CO2气体压力是否符合要求，确保焊丝表面镀铜均匀、无锈，整体外形无明显折弯等。（2）在坡口加工后，增加一次充分干燥工艺，采用液化石油气火焰加热，加热温度为10 0 2 0 0。（3）在焊后进行保温，使其缓慢冷却，以避免产生非金属夹杂物。使用碱性焊条焊立角缝时，需采用短弧焊接，同时适当摆动焊条，以使熔渣浮出表面。参考文献：1胡耀蕾，胡德宁.中外油气管道运输发展的差异及对策 J.对外经贸实务，2 0 17（7）：2 5-2 8.2曾惠林，杨明新，桂汉杰，等.长输管道焊接与检测技术综述 J.石油工程建设，2 0 2 1，47（增刊1：10 7-112.3王建华.长输管道焊接施工常见的焊接缺陷及防治要点JJ.化工管理，2 0 2 1（17）：17 9-18 0.4刘光云，王义.长输管线环焊缝焊接缺陷的产生及防止 J.焊接技术，2 0 10，3 9（9）：6 5-6 6.5宁静，田兆富，谢金鹏，等.超高强度钢大型锻件白点缺陷分析 J.物理测试，2 0 2 0，3 8（6）：53-56.6蔡泽高，陈雅珍，曾振鹏，等.焊缝白点形成机理及其对破断过程的影响J.上海金属，198 1，3（3）：2 0-2 8.7霍振全。锻钢冷轧辊工作层夹渣缺陷研究及工艺实践J.大型铸锻件，2 0 2 1（6）：44-46.8薄鑫涛.氢脆发生的主要原因和防止措施.热处理,2 0 2 2,3 7(1)：7.