下向焊接工藝在坦桑尼亞維多利亞湖供水工程中應用

摘要本文介紹了下向焊工藝技術特點及其在坦桑尼亞維多利亞湖供水工程中的應用，著重介紹了施工程序及操作工藝，焊接中易產生的缺陷及原因，并根據該項焊接技術的特點和坦桑尼亞的實際情況提出了防治措施。

關鍵詞下向焊工藝 高纖維素焊條 焊縫檢測 缺陷分析

1.工程概況

坦桑尼亞大湖地區屬于半干旱地區，缺水嚴重。維多利亞湖供水項目主要就是把坦桑尼亞境內的維多利亞湖水抽出經過凈化處理后送往位于Ihelele山頂水池，再通過該水池依靠自重輸送到城市Shinyanga和kahama。該工程是關系到坦桑人民的生存、生活大計的工程，因此工程質量被擺在了相當重要的位置。該工程分為四個標段，除第一標段管道工程較少外，其他三個標段主要是鋪設輸送水的管道，每個標段的管道數量和口徑略有差異，但總量都不小。以第四標段為例，主要是指從Solwa開始為城市Shinyanga及沿途村鎮供水。從Solwa到Old Shinyanga之間的主管道，采用的是直徑為700mm、壁厚為7.1mm鋼管，總長為64.922公里；從位于Old Shinyanga的山頂水池到Shinyanga的北區水塔支線，采用的是直徑為900mm、壁厚為8mm鋼管，總長為5.629公里；從Shinyanga的北區水塔到Shinyanga的南區水塔支線，采用的是直徑為700mm、壁厚為6.3mm鋼管，總長為11.391公里；從Shinyanga的北區水塔到Shinyanga的中區水塔支線，采用的是直徑為600mm、壁厚為5.0mm鋼管，總長為2.166公里；從Shinyanga的中區水塔到Shinyanga的東區水塔支線，采用的是直徑為600mm、壁厚為5.0mm鋼管，總長為8.314公里。此外，還有Shinyanga城區管網的5個區（老城區、南區、東區、中區、北區）采用的是直徑為300mm、壁厚為3.2mm的鋼管計20.664公里，直徑為400mm、壁厚為4.0mm的鋼管計7.386公里，直徑為500mm、壁厚為5.0mm的鋼管計7.961公里。要高質量、高效率地完成這么長距離管道的鋪設，作為管道施工主要工序之一的焊接，其質量問題是整個工程成敗的關鍵。

2.技術應用

在該項目的城市供水管網和水塔支線施工中，因為管道設計壓力為1.6MPa、管徑從300mm到900mm，管線強度級別相對低些，選用鋼管材質均為L235，所以采用普通上向焊技術施工即可滿足要求。而主管道全長64.922公里，設計壓力4.0MPa，采用L355雙面螺旋埋弧焊管，鋼管規格為φ711×7.1，三層PE防腐，這些都為下向焊的采用提供了條件；其次，下向焊技術在進行有上述特點的工程施工中，采用的焊縫間隙小，故填充金屬少，焊接速度快，使得與傳統上向焊工藝相比，顯得高效、節能；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；連續焊接，焊接接頭少，焊縫成型美觀；采用的多層多道焊接操作工藝，使得焊縫的內在質量好，無損檢測合格率高；此外，該方法操作技能單一、易于學習與掌握，也便于流水作業施工。結合坦桑尼亞的實際情況，本工程采用了高纖維素焊條下向焊工藝。

在該項目施工過程中，主管道的施工屬長輸管線的野外施工，要穿越沼澤地、灌木叢、農田、河流、公路、巖石區等，特別是雨季的沼澤地施工和巖石區的施工難度非常大。針對上述出現的問題，為保證工程質量，根據坦桑尼亞的氣候變化，分別制定了雨季和旱季施工焊接措施，位于沼澤地的管線盡量放在旱季施工，巖石區管線提前進行爆破，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，圍繞焊接質量從各個方面加以控制。

該項目中，選用的焊材為美國新順發有限公司生產的林肯Pipeliner 6P+3.2mm 和Pipeliner 6P+4.0mmE6010（AWS）焊條打底，國產的天津大橋牌J507 +3.2mmE7015（AWS ）焊條填充、罩面；焊接設備選用美國林肯公司的DC400纖維素向下焊機和唐山松下產業機器有限公司生產TIG/TSP300直流脈沖焊機和TIG/WP300交、直流脈沖焊機。

正式施工前，按BSEN 10224:2002《非合金鋼管及管件用于輸送與水有關的液體包括飲用水的技術規范》標準進行了焊接工藝評定，檢驗的項目有：外觀檢查、刻槽錘斷試驗、X射線探傷檢驗和力學性能試驗。力學性能試驗項目包括拉伸試驗、彎曲試驗。并在工藝評定后，制訂了相關的焊接工藝規程。由業主派駐的咨詢人員對上崗焊工進行了資格審查及現場考試，這些為工程的開工提供了前提條件。

為確保工程質量，在正式施工時，還應對現場加強控制，具體施工控制 。

2.1 纖維素焊條藥皮成分和工藝特性

纖維素焊條立向下焊，電弧具有熔深大，穿透力強，根部打底焊單面焊雙面成形好，氣孔敏感性小，操作難度小，焊縫內外質量高，焊工易掌握，培訓周期短等工藝特點。

2.1.1 纖維素焊條藥皮的主要成分

a. 25~40%纖維素（木粉、淀粉、酚醛樹脂粉、微量纖維、表粉等）；

b. 8~16%碳酸鹽（碳酸鉀、鈣等）；

c. 8~20%鐵合金（SiO2、TiO2、MnO、FeO、MgO、Al2O3等）；

d. 10~15%金屬氧化物；

e. 20%其它成分。

2.1.2 藥皮的作用

藥皮中大量有機物分解，形成大量氣體（CO、CO2、H2、H2O等），對焊縫有很強的保護效果，并且電弧吹力大，熔滴過渡呈噴射狀。

2.1.3 在直流弧焊機電源正接和反接時，其熔滴過渡的形態不同。

直流正接時，焊條端部形成的熔融金屬體積小，電弧吹力大，氣流足以使焊條端頭熔化金屬飛離，實現小顆粒過渡。電弧穩定性強，度大，焊縫熔深大，一般適用于根部打底焊，單面焊雙面成形背面成形好。

由于正接電弧的飛濺大，熔深大，不易獲得滿意的表面成形，在熱焊、填充焊和蓋面焊不常使用。

直流反接時，焊條端部熔融金屬幾乎完全是塊狀的熔化金屬，表面吹力大，雖有這么大的造氣劑也很難將熔滴吹成小顆粒過渡形態。因此，直流反接時，其熔滴過渡為接觸式短路過渡。每次短路過渡后，由于焊條端部熔融金屬體積變小，在藥皮套筒和氣流的影響下，又出現顆粒過渡形態。所以，纖維素焊條直流反接時是短路過渡伴隨顆粒過渡的混合過渡形態。這是不同于其它焊條過渡形態的特殊形式，直流反接一般適用于熱焊、填充焊、蓋面焊層的施焊。

2.2 焊接前的準備。

2.2.1 坡口成型與組對

鋼管的組對和定位焊是保證焊接質量和焊縫背面成型良好的基礎。管道對接前必須用角磨機、電動鋼絲刷將坡口及內外壁20~25mm范圍內的油污、浮銹、水分、泥沙、氧化皮等雜物以及坡口內側機加工毛刺等清除干凈，使坡口及兩側各大于10mm范圍的內外表面露出金屬光澤。

采用E6010（AWS）纖維素焊條打底時，在包裝、保管良好的情況下，可不用烘干即可施焊，否則，應進行70℃~80℃烘干，保溫0.5~1h，焊條重復烘干次數不多于兩次。

定位焊縫因作為正式焊縫的一部分，通常要求焊縫長度≤20mm，為利于接頭，其兩側打磨成緩坡狀。

當管壁厚大于6mm時，纖維素型焊條的坡口角度一般為55°～65°，鈍邊為1.5～2.0mm，對口間隙為1.2～2.0mm，允許的最大錯邊量≤1.6mm。管口組對時，將鋼管的原有焊縫相互錯開，距離不得小于100mm。當管道壁厚小于20mm時，接頭形式如圖1所示，該工程中管徑600mm以上的管道壁厚為6.3~8mm，故采用該接頭形式。

2.2.2 電焊條選擇

下向焊時，焊條藥皮類型、強度級別的選擇與向上焊時相同。焊條直徑原則是盡量選取直徑大的焊條。在管壁厚度在6mm以下時，選用Φ3.2mm焊條；管壁厚度在6mm以上時，用Φ3.2焊條打底焊，必須用Φ4mm或Φ5mm焊條填充焊和蓋面焊；當管壁厚為8～10mm時，分為4層焊接，用Φ3.2mm焊條打底焊，用Φ4mm焊條填充焊和蓋面焊。根據工程實際，選用Φ3.2mm打底選用Φ4mm焊條填充和蓋面。

2.2.3 焊接電流選擇

焊接工藝參數直接影響焊縫成形和焊接質量。焊接電流過小時容易出現未焊透、未熔合、夾渣等缺陷；電流過大易產生咬邊、背面燒穿、焊瘤等缺陷。電弧電壓太高，會使空氣中氮侵入熔池，出現氮氣孔。焊接速度太大，會使結晶速度增加，使氣體殘留在焊縫中而出現氣孔。當直流反接時，氣孔產生的傾向性小。在焊接前應通過試驗和測試明確焊接工藝參數，常見的焊條直徑和電流如表1所示。

2.3 操作要領

2.3.1 根焊

根焊是整個管接頭焊接質量的關鍵。操作時，要求焊工必須正確掌握運條角度和運條方法，并保持均勻的運條速度。施焊時，一名焊工先從管接頭的12點往前5~10mm處引弧，采用短弧焊作直線運條，也可有較小擺動，但動作要小，速度要快，要求均勻平穩，做到“聽、看、送”的統一，即既要“聽”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，還要準確地將鐵水“送”至坡口根部。熄弧時，應在熔池下方做一個熔孔，應比正常焊接時的熔孔大些，然后還要迅速用角磨機將收弧處打磨成15~20mm的緩坡，以利于再次引弧。要求在根焊時，在根焊焊接超過50%后，撤掉外對口器，但對口支座或吊架應至少在根焊完成后撤離。

2.3.2 熱焊

熱焊與根焊時間間隔應小于5min，目的是使焊縫保持較高溫度，以提高焊縫力學性能，防止裂紋產生。熱焊的速度要快，運條角度也不可過大，以避免根部焊縫燒穿。

2.3.3 填充焊

第三、四遍焊接為填充焊，具體工作中，可根據填充高度的不同，適當加大焊接電流，稍做橫向或反月牙擺動。同熱焊一樣，焊前須用角磨機對上一層焊縫進行打磨，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、控制相應弧長也是防止缺陷產生的主要前提。

2.3.4 蓋面焊

蓋面焊前的清渣及打磨處理應有利于蓋面層的焊接，通過焊條的適當擺動，可將坡口兩側覆蓋，克服坡口未填滿及咬邊等缺陷，通常覆蓋寬度按相關規范及工藝執。兩名焊工收弧時應相互配合，一人須焊過6點位置5~10mm后熄弧。蓋面焊時焊條的操作傾角與其它焊道略不同，變化情況如圖2、3。

在上述各層焊縫施焊中，應注意焊接接頭不能重疊，應彼此錯開20~30mm，用角磨機對各層焊縫進行清理，清理的結果應能有利于下道焊縫施焊的焊接質量。

3. 焊接缺陷分析及預防措施

此工程管線長，都是野外作業，環境因素復雜，焊接工序繁多，因此焊縫存在不完美的地方是難免的。根據目前已經完成打壓試驗的56km管道來看，質量是過關的，但本工程仍然相當重視焊接質量問題，力圖把焊縫的缺陷降低到最小程度。

焊縫的主要缺陷是氣孔、夾渣和未熔合三個方面，除此之外，還有少量未焊透、內凹、焊瘤等缺陷。現在進行各個方面的原因分析。

氣孔缺陷產生原因主要有：①管口有鐵銹、油類和水分等雜質。鐵銹中含有較多Fe2O3和結晶水，對熔池金屬一方面有氧化作用，另一方面析出大量氫氣，因而易產生氣孔；②焊接工藝參數的影響，包括焊接電流、電壓和焊接速度等；③焊條藥皮的含水量過低（生產日期長）或過高（開封后長期暴露在空氣中）；④焊接時焊條波形前進寬度過大或焊工技術發揮不穩定；⑤焊接熔敷金屬時延遲了脫氧過程；⑥母材過熱。

根據工程實際情況，采取了以下預防措施：①施工中嚴格清理管口、坡口的雜物；②嚴格控制焊接工藝參數，確保施工中直流電的穩定；③加強焊條的保管和發放工作，隨用隨取，剩余焊條存放在密閉容器內，每位焊工配備專用焊條筒；④施焊中密切注視熔池的冷卻，發生氣孔馬上停弧處理；⑤嚴格控制焊接時層間溫度，不一味追求焊接速度。

焊縫中夾渣主要有氧化物、氮化物和硫化物。氧化物夾渣主要是SiO2，一般多以硅酸鹽形式存在。在焊接過程中熔池的脫氧越完全，焊縫中的氧化物夾渣越少。在熔池進行冶金反應時，只有少量氧化物由于操作不當進入焊縫中。氮化物夾渣主要是Fe4N，它是焊縫在時效過程中由飽和固溶體中析出的，并以針狀分布在晶粒上或貫穿晶界。一般情況只有在保護不好時才可能發生。硫化物夾渣主要來源于焊條藥皮，經冶金反應轉入熔池的，主要為MnS和FeS兩種。MnS影響比較小，而FeS沿晶界析出，并與Fe或FeO形成低熔共晶（988℃），是引起熱裂紋的主要原因之一。

防止焊縫中產生夾渣最重要的是注意工藝操作。選用合適的焊接工藝參數，適當提高焊接電流強度，以利于熔渣的浮出。兩層焊道之間使用電動鋼絲刷或動力角向砂輪機清理焊道。避免被熔金屬的過渡傾斜，以降低熔渣產生的可能性。

未熔合缺陷產生的主要原因是：①電流不穩定或電流過大；②焊接速度過快；③管道對口存在錯邊現象；④坡口表面受污染或被氧化；⑤坡口表面溶化程度不足。

產生缺陷的原因有類似的地方，預防措施除了認真做好管口級配合管口矯圓工作，調節好對口器，避免管口錯邊外，其他的和前述預防措施類似。

4.結束語

下向焊技術在坦桑尼亞維多利亞湖供水項目施工中的應用為該技術的普及邁出了堅實的一步。實踐證明，該方法不僅能有效提高工程進度，工程質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，在城市供水管網建設中推廣使用。

參考文獻

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