摘要：介紹了下向焊工藝技術特點及其在天津市外環線北半環城市管網工程中的應用，著重介紹了施工程序及操作工藝，并結合焊縫檢測結果，對該工程中的常見焊接缺陷進行了分析。
關鍵詞：下向焊工藝；工藝操作；焊縫檢測；缺陷分析
序言
隨著城市建設的迅猛發展，天然氣憑借高效、清潔、污染小的優點，為藍天工程的實施創造了條件。近年來，天津市城市改燃項目的實施力度在不斷加大，原有的管線已不能滿足現有的需要。 2003 年，天津市燃氣集團通過鋪設外環線高壓管線，與原有南半環管線形成環狀管網，解決了供氣需求緊張的問題，也為周邊沿線企業的發展注入了動力。
1. 技術應用
目前，在城市燃氣管網施工中，因為管道設計壓力小（通常≤ 0.4MPa ）、管徑也不大（通常≤ DN300 ），管線強度級別相對較低（通常選用鋼管材質為 Q235B ），所以采用普通上向焊技術施工即可滿足要求。而天津市外環線北半環工程全長 40 多公里，設計壓力 2.5MPa ，采用 L360 雙面螺旋埋弧焊管，鋼管規格為φ 711 × 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。
但在該工程施工過程中，與長輸管線的野外施工不同，受到諸多外界因素限制。城市地網中，河流、公路、和頻繁的地下障礙，都為施工帶來很大難度。在管道鋪設過程中，既有穿越工程，又有過河道明開工程，還有沉管工程等；此外，因為外環線兩側均為樹木，導致作業空間小，這些無疑都增加了施工的難度。針對上述出現的問題，為保證工程質量，施焊時，根據外部環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，圍繞焊接質量從各角度加以控制。
該工程中，選用的焊材為奧地利伯樂公司生產的 FOXCEL E6010 （ AWS ）焊條打底，國產 E7010 （ AWS ）焊條填充、罩面；焊接設備選用美國米勒公司的 XMT304 焊機和國產 ZX7-400B 逆變焊機。
正式施工前，按 SY4052 — 2002 《石油天然氣金屬管道焊接工藝評定》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。由監理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。
為保證工程質量，在正式施工時，還應對現場加強控制，具體施工控制工作如下：
1.1 焊前準備：
鋼管的組對及定位焊是保證焊接質量和焊縫背面成型良好的基礎，依據《天津市外環線北半環高壓天然氣管道工程線路施工技術要求》規定，管材單邊坡口角度為 28 ° -32 °，鈍邊厚度 1.0-1.5mm ，對口間隙 1.2-2.0mm ，最大錯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、電動鋼絲刷將坡口兩側表面各 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 ）、 E7010 （ 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。
1.2 焊接工藝參數的選擇：
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稱施焊，其焊接工藝參數（ Welding Parameters ）如表 1 ：
表 1 焊接工藝參數
1.3 下向焊操作方法：
1.3.1 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 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。
1.3.2 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。
1.3.3 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。
1.3.4 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。
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。
1.4 焊接環境：
因該工程施工跨度較大，焊接環境也隨季節的不同變化較大，所以，要求在雨、雪天氣；風速超過 8m/s 或出現揚沙天氣；相對濕度超過 90% ；環境溫度低于 -5 ℃時，采取有效措施后方可施焊。
1.5 焊縫檢測：
1.5.1 焊縫表面質量要求：
施焊后的焊縫，按《管道下向焊焊接工藝規程》（ SY/T4071-93 ）規定，應清除熔渣、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 300mm 焊縫中兩側咬邊累計長度≤ 50mm ；焊縫余高 0.5~2.0mm ，個別部位（管底部處于時鐘 5~7 時位置）不超過 3mm ，且長度不超過 50mm ；焊縫寬度比坡口每側增寬 0.5~2.0mm 為宜。
1.5.2 無損檢驗：
依據 SY4065-93 《石油天然氣鋼質管道對接焊縫超聲波探傷質量分級》和 SY4056-93 《石油天然氣鋼質管道對接焊縫射線照相及質量分級》對焊縫進行 100% 超聲波探傷和 100% 射線探傷，Ⅱ級為合格。
1.6 缺陷分析與控制：
本工程中，對 DN700 鋼管共檢測焊口 3801 道，以焊口計算，一次焊縫合格率在 93% 以上，與歷年的檢測工程相比，焊接質量明顯提高。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、內凹的出現幾率較多，尤其裂紋更集中地出現在仰焊位置，這與起初定位焊后過早撤除外對口器關系密切；而內凹則是因為根焊時，電弧吹力不夠，另外鐵水受重力作用而導致，這與焊工的技能水平有一定關系；多數的未焊透和未熔合與鋼管組對時的錯邊、焊接時工藝參數的波動、操作者的水平、運條方法的選用、工作時急于求成等因素有一定關聯；氣孔和夾渣除去與環境、選用規范、母材和焊材的預處理有關外，焊縫的冷卻速度對該缺陷的影響更大些。
在城市燃氣地下管網施工中，地下環境復雜，勢必造成固定口較多、管件較多。為避免產生較大的應力集中，選擇從管道中間向兩側施焊，或先安裝閘后，再從閘開始向兩側施工，盡量保持鋼管的一側為自由端；同時，通過觀察地理狀況，對鋼管的坡度、是否能彈性敷設做到心中有數；進行管溝下組焊時，通過加大溝槽寬度，使焊工能在相對舒服的條件下施焊；另外，在鋼管的選配上、操作工藝的控制上、對不利環境條件的控制措施上，均加強管理；對有連續出現缺陷和典型缺陷的狀況，及時分析原因與糾正，從各方位加強焊接質量的管理工作。
在具體的工程施工中，由于參建人員較多，作業面較大，上崗焊工多，還從保證工程質量出發，在施工條件允許的前提下，盡量采用流水施工作業，對根焊、熱焊、填充焊、蓋面焊均由專門人員施工，實踐證明，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驗。
2. 后記
下向焊技術在我市燃氣管網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，在城市管網建設中推廣使用。
關鍵詞：下向焊工藝；工藝操作；焊縫檢測；缺陷分析
序言
隨著城市建設的迅猛發展，天然氣憑借高效、清潔、污染小的優點，為藍天工程的實施創造了條件。近年來，天津市城市改燃項目的實施力度在不斷加大，原有的管線已不能滿足現有的需要。 2003 年，天津市燃氣集團通過鋪設外環線高壓管線，與原有南半環管線形成環狀管網，解決了供氣需求緊張的問題，也為周邊沿線企業的發展注入了動力。
1. 技術應用
目前，在城市燃氣管網施工中，因為管道設計壓力小（通常≤ 0.4MPa ）、管徑也不大（通常≤ DN300 ），管線強度級別相對較低（通常選用鋼管材質為 Q235B ），所以采用普通上向焊技術施工即可滿足要求。而天津市外環線北半環工程全長 40 多公里，設計壓力 2.5MPa ，采用 L360 雙面螺旋埋弧焊管，鋼管規格為φ 711 × 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。
但在該工程施工過程中，與長輸管線的野外施工不同，受到諸多外界因素限制。城市地網中，河流、公路、和頻繁的地下障礙，都為施工帶來很大難度。在管道鋪設過程中，既有穿越工程，又有過河道明開工程，還有沉管工程等；此外，因為外環線兩側均為樹木，導致作業空間小，這些無疑都增加了施工的難度。針對上述出現的問題，為保證工程質量，施焊時，根據外部環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，圍繞焊接質量從各角度加以控制。
該工程中，選用的焊材為奧地利伯樂公司生產的 FOXCEL E6010 （ AWS ）焊條打底，國產 E7010 （ AWS ）焊條填充、罩面；焊接設備選用美國米勒公司的 XMT304 焊機和國產 ZX7-400B 逆變焊機。
正式施工前，按 SY4052 — 2002 《石油天然氣金屬管道焊接工藝評定》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。由監理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。
為保證工程質量，在正式施工時，還應對現場加強控制，具體施工控制工作如下：
1.1 焊前準備：
鋼管的組對及定位焊是保證焊接質量和焊縫背面成型良好的基礎，依據《天津市外環線北半環高壓天然氣管道工程線路施工技術要求》規定，管材單邊坡口角度為 28 ° -32 °，鈍邊厚度 1.0-1.5mm ，對口間隙 1.2-2.0mm ，最大錯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、電動鋼絲刷將坡口兩側表面各 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 ）、 E7010 （ 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。
1.2 焊接工藝參數的選擇：
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稱施焊，其焊接工藝參數（ Welding Parameters ）如表 1 ：
表 1 焊接工藝參數
1.3 下向焊操作方法：
1.3.1 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 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。
1.3.2 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。
1.3.3 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。
1.3.4 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。
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。
1.4 焊接環境：
因該工程施工跨度較大，焊接環境也隨季節的不同變化較大，所以，要求在雨、雪天氣；風速超過 8m/s 或出現揚沙天氣；相對濕度超過 90% ；環境溫度低于 -5 ℃時，采取有效措施后方可施焊。
1.5 焊縫檢測：
1.5.1 焊縫表面質量要求：
施焊后的焊縫，按《管道下向焊焊接工藝規程》（ SY/T4071-93 ）規定，應清除熔渣、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 300mm 焊縫中兩側咬邊累計長度≤ 50mm ；焊縫余高 0.5~2.0mm ，個別部位（管底部處于時鐘 5~7 時位置）不超過 3mm ，且長度不超過 50mm ；焊縫寬度比坡口每側增寬 0.5~2.0mm 為宜。
1.5.2 無損檢驗：
依據 SY4065-93 《石油天然氣鋼質管道對接焊縫超聲波探傷質量分級》和 SY4056-93 《石油天然氣鋼質管道對接焊縫射線照相及質量分級》對焊縫進行 100% 超聲波探傷和 100% 射線探傷，Ⅱ級為合格。
1.6 缺陷分析與控制：
本工程中，對 DN700 鋼管共檢測焊口 3801 道，以焊口計算，一次焊縫合格率在 93% 以上，與歷年的檢測工程相比，焊接質量明顯提高。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、內凹的出現幾率較多，尤其裂紋更集中地出現在仰焊位置，這與起初定位焊后過早撤除外對口器關系密切；而內凹則是因為根焊時，電弧吹力不夠，另外鐵水受重力作用而導致，這與焊工的技能水平有一定關系；多數的未焊透和未熔合與鋼管組對時的錯邊、焊接時工藝參數的波動、操作者的水平、運條方法的選用、工作時急于求成等因素有一定關聯；氣孔和夾渣除去與環境、選用規范、母材和焊材的預處理有關外，焊縫的冷卻速度對該缺陷的影響更大些。
在城市燃氣地下管網施工中，地下環境復雜，勢必造成固定口較多、管件較多。為避免產生較大的應力集中，選擇從管道中間向兩側施焊，或先安裝閘后，再從閘開始向兩側施工，盡量保持鋼管的一側為自由端；同時，通過觀察地理狀況，對鋼管的坡度、是否能彈性敷設做到心中有數；進行管溝下組焊時，通過加大溝槽寬度，使焊工能在相對舒服的條件下施焊；另外，在鋼管的選配上、操作工藝的控制上、對不利環境條件的控制措施上，均加強管理；對有連續出現缺陷和典型缺陷的狀況，及時分析原因與糾正，從各方位加強焊接質量的管理工作。
在具體的工程施工中，由于參建人員較多，作業面較大，上崗焊工多，還從保證工程質量出發，在施工條件允許的前提下，盡量采用流水施工作業，對根焊、熱焊、填充焊、蓋面焊均由專門人員施工，實踐證明，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驗。
2. 后記
下向焊技術在我市燃氣管網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，在城市管網建設中推廣使用。
