摘要：介紹了下向焊工藝技術(shù)特點(diǎn)及其在天津市外環(huán)線北半環(huán)城市管網(wǎng)工程中的應(yīng)用，著重介紹了施工程序及操作工藝，并結(jié)合焊縫檢測(cè)結(jié)果，對(duì)該工程中的常見(jiàn)焊接缺陷進(jìn)行了分析。
　　關(guān)鍵詞：下向焊工藝；工藝操作；焊縫檢測(cè)；缺陷分析

　　序言

　　隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，天然氣憑借高效、清潔、污染小的優(yōu)點(diǎn)，為藍(lán)天工程的實(shí)施創(chuàng)造了條件。近年來(lái)，天津市城市改燃項(xiàng)目的實(shí)施力度在不斷加大，原有的管線已不能滿足現(xiàn)有的需要。2003年，天津市燃?xì)饧瘓F(tuán)通過(guò)鋪設(shè)外環(huán)線高壓管線，與原有南半環(huán)管線形成環(huán)狀管網(wǎng)，解決了供氣需求緊張的問(wèn)題，也為周邊沿線企業(yè)的發(fā)展注入了動(dòng)力。

　　1. 技術(shù)應(yīng)用

　　目前，在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)施工中，因?yàn)楣艿涝O(shè)計(jì)壓力小（通常≤0.4MPa）、管徑也不大（通常≤DN300），管線強(qiáng)度級(jí)別相對(duì)較低（通常選用鋼管材質(zhì)為Q235B），所以采用普通上向焊技術(shù)施工即可滿足要求。而天津市外環(huán)線北半環(huán)工程全長(zhǎng)40多公里，設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，采用L360雙面螺旋埋弧焊管，鋼管規(guī)格為φ711×9.5，三層PE防腐，這些都為下向焊的采用提供了條件；其次，下向焊技術(shù)在進(jìn)行有上述特點(diǎn)的工程施工中，采用的焊縫間隙小，故填充金屬少，焊接速度快，使得與傳統(tǒng)上向焊工藝相比，顯得高效、節(jié)能；另外，選用的纖維素焊條，焊條電弧吹力大、抗外界干擾能力強(qiáng)；連續(xù)焊接，焊接接頭少，焊縫成型美觀；采用的多層多道焊操作工藝，使得焊縫的內(nèi)在質(zhì)量好，無(wú)損檢測(cè)合格率高；此外，該方法操作技能單一、易于學(xué)習(xí)與掌握，也便于流水作業(yè)施工。
　　但在該工程施工過(guò)程中，與長(zhǎng)輸管線的野外施工不同，受到諸多外界因素限制。城市地網(wǎng)中，河流、公路、和頻繁的地下障礙，都為施工帶來(lái)很大難度。在管道鋪設(shè)過(guò)程中，既有穿越工程，又有過(guò)河道明開(kāi)工程，還有沉管工程等；此外，因?yàn)橥猸h(huán)線兩側(cè)均為樹(shù)木，導(dǎo)致作業(yè)空間小，這些無(wú)疑都增加了施工的難度。針對(duì)上述出現(xiàn)的問(wèn)題，為保證工程質(zhì)量，施焊時(shí)，根據(jù)外部環(huán)境有的管段采用分段施工，分段下管，也有的管段采用溝下組焊，圍繞焊接質(zhì)量從各角度加以控制。
　　該工程中，選用的焊材為奧地利伯樂(lè)公司生產(chǎn)的FOXCEL E6010（AWS）焊條打底，國(guó)產(chǎn)E7010（AWS ）焊條填充、罩面；焊接設(shè)備選用美國(guó)米勒公司的XMT304焊機(jī)和國(guó)產(chǎn)ZX7-400B逆變焊機(jī)。
正式施工前，按SY4052—2002《石油天然氣金屬管道焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，檢驗(yàn)的項(xiàng)目有：外觀檢查、刻槽錘斷試驗(yàn)、X射線探傷檢驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)。力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目包括拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)。并在工藝評(píng)定后，制訂了相關(guān)的焊接工藝規(guī)程。由監(jiān)理人員對(duì)上崗焊工進(jìn)行了資格審查及現(xiàn)場(chǎng)考試，這些為工程的開(kāi)工提供了前提條件。
　　為保證工程質(zhì)量，在正式施工時(shí)，還應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)控制，具體施工控制工作如下：

　　1.1 焊前準(zhǔn)備：
　　鋼管的組對(duì)及定位焊是保證焊接質(zhì)量和焊縫背面成型良好的基礎(chǔ)，依據(jù)《天津市外環(huán)線北半環(huán)高壓天然氣管道工程線路施工技術(shù)要求》規(guī)定，管材單邊坡口角度為28°-32°，鈍邊厚度1.0-1.5mm，對(duì)口間隙1.2-2.0mm，最大錯(cuò)邊量不大于管外徑的3‰，且≤2mm。要求管道端面切口平整，不得有裂紋，且切口面與管軸線垂直，不垂直的偏差不得大于1.5mm；焊前分別用角磨機(jī)、電動(dòng)鋼絲刷將坡口兩側(cè)表面各50mm的油污、浮銹、水分、泥沙、氣割后的熔渣、氧化皮等雜物以及坡口內(nèi)側(cè)機(jī)加工毛刺等清除干凈，使坡口及兩側(cè)各大于10mm范圍的內(nèi)外表面露出金屬光澤。
　　采用E6010（AWS）、E7010（AWS）纖維素焊條打底時(shí)，在包裝、保管良好的情況下，可不用烘干即可施焊，否則，應(yīng)進(jìn)行70℃~80℃烘干，保溫0.5~1h，焊條重復(fù)烘干次數(shù)不多于兩次。
定位焊縫因作為正式焊縫的一部分，通常要求焊縫長(zhǎng)度≤20mm，為利于接頭，其兩側(cè)打磨成緩坡?tīng)睢?/p>

　　1.2 焊接工藝參數(shù)的選擇：
　　采用纖維素焊條下向焊，可分為：根焊、熱焊、填充焊和罩面焊，每層焊縫均由兩名焊工對(duì)稱施焊，其焊接工藝參數(shù)（Welding Parameters）如表1：

表1 焊接工藝參數(shù)

　　1.3 下向焊操作方法：

　　1.3.1 根焊：
　　根焊是整個(gè)管接頭焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。操作時(shí)，要求焊工必須正確掌握運(yùn)條角度和運(yùn)條方法，并保持均勻的運(yùn)條速度。施焊時(shí)，一名焊工先從管接頭的12點(diǎn)往前10mm處引弧，采用短弧焊作直線運(yùn)條，也可有較小擺動(dòng)，但動(dòng)作要小，速度要快，要求均勻平穩(wěn)，做到“聽(tīng)、看、送”的統(tǒng)一，即既要“聽(tīng)”到電弧擊穿鋼管的“撲撲”聲，又要“看”到熔孔的大小，觀察判斷出熔池的溫度，還要準(zhǔn)確地將鐵水“送”至坡口根部。熄弧時(shí)，應(yīng)在熔池下方做一個(gè)熔孔，應(yīng)比正常焊接時(shí)的熔孔大些，然后還要迅速用角磨機(jī)將收弧處打磨成15~20mm的緩坡，以利于再次引弧。要求在根焊時(shí)，在根焊焊接超過(guò)50%后，撤掉外對(duì)口器，但對(duì)口支座或吊架應(yīng)至少在根焊完成后撤離。

　　1.3.2 熱焊：
　　熱焊與根焊時(shí)間間隔應(yīng)小于5min，目的是使焊縫保持較高溫度，以提高焊縫力學(xué)性能，防止裂紋產(chǎn)生。熱焊的速度要快，運(yùn)條角度也不可過(guò)大，以避免根部焊縫燒穿。

　　1.3.3 填充焊：
　　第三、四遍焊接為填充焊，具體工作中，可根據(jù)填充高度的不同，適當(dāng)加大焊接電流，稍做橫向或反月牙擺動(dòng)。同熱焊一樣，焊前須用角磨機(jī)對(duì)上一層焊縫進(jìn)行打磨，避免因清渣不干凈造成夾渣等缺陷。另外，合理掌握焊條角度、控制相應(yīng)弧長(zhǎng)也是防止缺陷產(chǎn)生的主要前提。

　　1.3.4 蓋面焊：
　　蓋面焊前的清渣及打磨處理應(yīng)有利于蓋面層的焊接，通過(guò)焊條的適當(dāng)擺動(dòng)，可將坡口兩側(cè)覆蓋，克服坡口未填滿及咬邊等缺陷，通常覆蓋寬度按相關(guān)規(guī)范及工藝執(zhí)。兩名焊工收弧時(shí)應(yīng)相互配合，一人須焊過(guò)6點(diǎn)位置5~10mm后熄弧。
　　在上述各層焊縫施焊中，應(yīng)注意焊接接頭不能重疊，應(yīng)彼此錯(cuò)開(kāi)20~30mm，用角磨機(jī)對(duì)各層焊縫進(jìn)行清理，清理的結(jié)果應(yīng)能有利于下道焊縫施焊的焊接質(zhì)量。

　　1.4 焊接環(huán)境：
　　因該工程施工跨度較大，焊接環(huán)境也隨季節(jié)的不同變化較大，所以，要求在雨、雪天氣；風(fēng)速超過(guò)8m/s或出現(xiàn)揚(yáng)沙天氣；相對(duì)濕度超過(guò)90%；環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)，采取有效措施后方可施焊。

　　1.5 焊縫檢測(cè)：
　　1.5.1焊縫表面質(zhì)量要求：
　　施焊后的焊縫，按《管道下向焊焊接工藝規(guī)程》（SY/T4071-93）規(guī)定，應(yīng)清除熔渣、飛濺物等雜物，焊縫表面不得有裂紋、未熔合、氣孔和夾渣等缺陷；咬邊深度≤0.5mm，在任何長(zhǎng)300mm 焊縫中兩側(cè)咬邊累計(jì)長(zhǎng)度≤50mm；焊縫余高0.5~2.0mm，個(gè)別部位（管底部處于時(shí)鐘5~7時(shí)位置）不超過(guò)3mm，且長(zhǎng)度不超過(guò)50mm；焊縫寬度比坡口每側(cè)增寬0.5~2.0mm為宜。

　　1.5.2無(wú)損檢驗(yàn)：
　　依據(jù)SY4065-93《石油天然氣鋼質(zhì)管道對(duì)接焊縫超聲波探傷質(zhì)量分級(jí)》和SY4056-93《石油天然氣鋼質(zhì)管道對(duì)接焊縫射線照相及質(zhì)量分級(jí)》對(duì)焊縫進(jìn)行100%超聲波探傷和100%射線探傷，Ⅱ級(jí)為合格。

　　1.6 缺陷分析與控制：
　　本工程中，對(duì)DN700鋼管共檢測(cè)焊口3801道，以焊口計(jì)算，一次焊縫合格率在93%以上，與歷年的檢測(cè)工程相比，焊接質(zhì)量明顯提高。在該工程中，存在的缺陷種類主要有：未焊透、未熔合、內(nèi)凹、夾渣、氣孔、裂紋等缺陷，其焊接缺陷位置分布(Distribution of Weld Defects)相片如表2：

表2 焊接缺陷位置分布

　　從上述表格中不難看出，在立焊與仰焊位置，裂紋、內(nèi)凹的出現(xiàn)幾率較多，尤其裂紋更集中地出現(xiàn)在仰焊位置，這與起初定位焊后過(guò)早撤除外對(duì)口器關(guān)系密切；而內(nèi)凹則是因?yàn)楦笗r(shí)，電弧吹力不夠，另外鐵水受重力作用而導(dǎo)致，這與焊工的技能水平有一定關(guān)系；多數(shù)的未焊透和未熔合與鋼管組對(duì)時(shí)的錯(cuò)邊、焊接時(shí)工藝參數(shù)的波動(dòng)、操作者的水平、運(yùn)條方法的選用、工作時(shí)急于求成等因素有一定關(guān)聯(lián)；氣孔和夾渣除去與環(huán)境、選用規(guī)范、母材和焊材的預(yù)處理有關(guān)外，焊縫的冷卻速度對(duì)該缺陷的影響更大些。
　　在城市燃?xì)獾叵鹿芫W(wǎng)施工中，地下環(huán)境復(fù)雜，勢(shì)必造成固定口較多、管件較多。為避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，選擇從管道中間向兩側(cè)施焊，或先安裝閘后，再?gòu)拈l開(kāi)始向兩側(cè)施工，盡量保持鋼管的一側(cè)為自由端；同時(shí)，通過(guò)觀察地理狀況，對(duì)鋼管的坡度、是否能彈性敷設(shè)做到心中有數(shù)；進(jìn)行管溝下組焊時(shí)，通過(guò)加大溝槽寬度，使焊工能在相對(duì)舒服的條件下施焊；另外，在鋼管的選配上、操作工藝的控制上、對(duì)不利環(huán)境條件的控制措施上，均加強(qiáng)管理；對(duì)有連續(xù)出現(xiàn)缺陷和典型缺陷的狀況，及時(shí)分析原因與糾正，從各方位加強(qiáng)焊接質(zhì)量的管理工作。
　　在具體的工程施工中，由于參建人員較多，作業(yè)面較大，上崗焊工多，還從保證工程質(zhì)量出發(fā)，在施工條件允許的前提下，盡量采用流水施工作業(yè)，對(duì)根焊、熱焊、填充焊、蓋面焊均由專門人員施工，實(shí)踐證明，該部分焊縫合格率較其他部分合格率高，這也為以后的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

　　2. 后記

　　下向焊技術(shù)在我市燃?xì)夤芫W(wǎng)施工中的應(yīng)用為該技術(shù)的普及邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。實(shí)踐證明，該方法不僅能有效提高工程進(jìn)度，工程質(zhì)量也能得到有效保證，且該方法易于掌握，可在條件許可情況下，在城市管網(wǎng)建設(shè)中推廣使用