坦桑尼亚维多利亚湖 下向焊接工艺在坦桑尼亚维多利亚湖供水工程中应用

坦桑尼亚维多利亚湖 下向焊接工艺在坦桑尼亚维多利亚湖供水工程中应用 摘要本文介绍了下向焊工艺技术特点及其在坦桑尼亚维多利亚湖供水工程中的应用，着重介绍了施工程序及操作工艺，焊接中易产生的缺陷及原因，并根据该项焊接技术的特点和坦桑尼亚的实际情况提出了防治措施。 关键词下向焊工艺 高纤维素焊条 焊缝检测 缺陷分析 1.工程概况 坦桑尼亚大湖地区属于半干旱地区，缺水严重。维多利亚湖供水项目主要就是把坦桑尼亚境内的维多利亚湖水抽出经过净化处理后送往位于Ihelele山顶水池，再通过该水池依靠自重输送到城市Shinyanga和kahama。该工程是关系到坦桑人民的生存、生活大计的工程，因此工程质量被摆在了相当重要的位置。该工程分为四个标段，除第一标段管道工程较少外，其他三个标段主要是铺设输送水的管道，每个标段的管道数量和口径略有差异，但总量都不小。以第四标段为例，主要是指从Solwa开始为城市Shinyanga及沿途村镇供水。从Solwa到Old Shinyanga之间的主管道,采用的是直径为700mm、壁厚为7.1mm钢管，总长为64.922公里；从位于Old Shinyanga的山顶水池到Shinyanga的北区水塔支线，采用的是直径为900mm、壁厚为8mm钢管，总长为5.629公里；从Shinyanga的北区水塔到Shinyanga的南区水塔支线，采用的是直径为700mm、壁厚为6.3mm钢管，总长为11.391公里；从Shinyanga的北区水塔到Shinyanga的中区水塔支线，采用的是直径为600mm、壁厚为5.0mm钢管，总长为2.166公里；从Shinyanga的中区水塔到Shinyanga的东区水塔支线，采用的是直径为600mm、壁厚为5.0mm钢管，总长为8.314公里。此外，还有Shinyanga城区管网的5个区（老城区、南区、东区、中区、北区）采用的是直径为300mm、壁厚为3.2mm的钢管计20.664公里，直径为400mm、壁厚为4.0mm的钢管计7.386公里，直径为500mm、壁厚为5.0mm的钢管计7.961公里。要高质量、高效率地完成这么长距离管道的铺设，作为管道施工主要工序之一的焊接，其质量问题是整个工程成败的关键。 2.技术应用 在该项目的城市供水管网和水塔支线施工中，因为管道设计压力为1.6MPa、管径从300mm到900mm，管线强度级别相对低些，选用钢管材质均为L235，所以采用普通上向焊技术施工即可满足要求。而主管道全长64.922公里，设计压力4.0MPa，采用L355双面螺旋埋弧焊管，钢管规格为7117.1，三层PE防腐，这些都为下向焊的采用提供了条件；其次，下向焊技术在进行有上述特点的工程施工中，采用的焊缝间隙小，故填充金属少，焊接速度快，使得与传统上向焊工艺相比，显得高效、节能；另外，选用的纤维素焊条，焊条电弧吹力大、抗外界干扰能力强；连续焊接，焊接接头少，焊缝成型美观；采用的多层多道焊接操作工艺，使得焊缝的内在质量好，无损检测合格率高；此外，该方法操作技能单一、易于学习与掌握，也便于流水作业施工。结合坦桑尼亚的实际情况，本工程采用了高纤维素焊条下向焊工艺。 在该项目施工过程中，主管道的施工属长输管线的野外施工，要穿越沼泽地、灌木丛、农田、河流、公路、岩石区等，特别是雨季的沼泽地施工和岩石区的施工难度非常大。针对上述出现的问题，为保证工程质量，根据坦桑尼亚的气候变化，分别制定了雨季和旱季施工焊接措施，位于沼泽地的管线尽量放在旱季施工，岩石区管线提前进行爆破，有的管段采用分段施工，分段下管，也有的管段采用沟下组焊，围绕焊接质量从各个方面加以控制。 该项目中，选用的焊材为美国新顺发有限公司生产的林肯Pipeliner 6P+3.2mm 和Pipeliner 6P+4.0mmE6010（AWS）焊条打底，国产的天津大桥牌J507 +3.2mmE7015（AWS ）焊条填充、罩面；焊接设备选用美国林肯公司的DC400纤维素向下焊机和唐山松下产业机器有限公司生产TIGWP300交、直流脉冲焊机。 正式施工前，按BSEN 10224:2002非合金钢管及管件用于输送与水有关的液体包括饮用水的技术规范标准进行了焊接工艺评定，检验的项目有：外观检查、刻槽锤断试验、X射线探伤检验和力学性能试验。力学性能试验项目包括拉伸试验、弯曲试验。并在工艺评定后，制订了相关的焊接工艺规程。由业主派驻的咨询人员对上岗焊工进行了资格审查及现场考试，这些为工程的开工提供了前提条件。 为确保工程质量，在正式施工时，还应对现场加强控制，具体施工控制 。 2.1 纤维素焊条药皮成分和工艺特性 纤维素焊条立向下焊，电弧具有熔深大，穿透力强，根部打底焊单面焊双面成形好，气孔敏感性小，操作难度小，焊缝内外质量高，焊工易掌握，培训周期短等工艺特点。 2.1.1 纤维素焊条药皮的主要成分 a. 2540%纤维素（木粉、淀粉、酚醛树脂粉、微量纤维、表粉等）； b. 816%碳酸盐（碳酸钾、钙等）； c. 820%铁合金（SiO2、TiO2、MnO、FeO、MgO、Al2O3等）； d. 1015%金属氧化物； e. 20%其它成分。 2.1.2 药皮的作用 药皮中大量有机物分解，形成大量气体（CO、CO2、H2、H2O等），对焊缝有很强的保护效果，并且电弧吹力大，熔滴过渡呈喷射状。 2.1.3 在直流弧焊机电源正接和反接时，其熔滴过渡的形态不同。 直流正接时，焊条端部形成的熔融金属体积小，电弧吹力大，气流足以使焊条端头熔化金属飞离，实现小颗粒过渡。电弧稳定性强，度大，焊缝熔深大，一般适用于根部打底焊，单面焊双面成形背面成形好。 由于正接电弧的飞溅大，熔深大，不易获得满意的表面成形，在热焊、填充焊和盖面焊不常使用。 直流反接时，焊条端部熔融金属几乎完全是块状的熔化金属，表面吹力大，虽有这么大的造气剂也很难将熔滴吹成小颗粒过渡形态。因此，直流反接时，其熔滴过渡为接触式短路过渡。每次短路过渡后，由于焊条端部熔融金属体积变小，在药皮套筒和气流的影响下，又出现颗粒过渡形态。所以，纤维素焊条直流反接时是短路过渡伴随颗粒过渡的混合过渡形态。这是不同于其它焊条过渡形态的特殊形式，直流反接一般适用于热焊、填充焊、盖面焊层的施焊。 2.2 焊接前的准备。 2.2.1 坡口成型与组对 钢管的组对和定位焊是保证焊接质量和焊缝背面成型良好的基础。管道对接前必须用角磨机、电动钢丝刷将坡口及内外壁2025mm范围内的油污、浮锈、水分、泥沙、氧化皮等杂物以及坡口内侧机加工毛刺等清除干净，使坡口及两侧各大于10mm范围的内外表面露出金属光泽。 采用E6010（AWS）纤维素焊条打底时，在包装、保管良好的情况下，可不用烘干即可施焊，否则，应进行7080烘干，保温0.51h，焊条重复烘干次数不多于两次。 定位焊缝因作为正式焊缝的一部分，通常要求焊缝长度20mm，为利于接头，其两侧打磨成缓坡状。 当管壁厚大于6mm时，纤维素型焊条的坡口角度一般为5565，钝边为1.52.0mm，对口间隙为1.22.0mm，允许的最大错边量1.6mm。管口组对时，将钢管的原有焊缝相互错开，距离不得小于100mm。当管道壁厚小于20mm时，接头形式如图1所示，该工程中管径600mm以上的管道壁厚为6.38mm，故采用该接头形式。 2.2.2 电焊条选择 下向焊时，焊条药皮类型、强度级别的选择与向上焊时相同。焊条直径原则是尽量选取直径大的焊条。在管壁厚度在6mm以下时，选用3.2mm焊条；管壁厚度在6mm以上时，用3.2焊条打底焊，必须用4mm或5mm焊条填充焊和盖面焊；当管壁厚为810mm时，分为4层焊接，用3.2mm焊条打底焊，用4mm焊条填充焊和盖面焊。根据工程实际，选用3.2mm打底选用4mm焊条填充和盖面。 2.2.3 焊接电流选择 焊接工艺参数直接影响焊缝成形和焊接质量。焊接电流过小时容易出现未焊透、未熔合、夹渣等缺陷；电流过大易产生咬边、背面烧穿、焊瘤等缺陷。电弧电压太高，会使空气中氮侵入熔池，出现氮气孔。焊接速度太大，会使结晶速度增加，使气体残留在焊缝中而出现气孔。当直流反接时，气孔产生的倾向性小。在焊接前应通过试验和测试明确焊接工艺参数，常见的焊条直径和电流如表1所示。 2.3 操作要领 2.3.1 根焊 根焊是整个管接头焊接质量的关键。操作时，要求焊工必须正确掌握运条角度和运条方法，并保持均匀的运条速度。施焊时，一名焊工先从管接头的12点往前510mm处引弧，采用短弧焊作直线运条，也可有较小摆动，但动作要小，速度要快，要求均匀平稳，做到“听、看、送”的统一，即既要“听”到电弧击穿钢管的“扑扑”声，又要“看”到熔孔的大小，观察判断出熔池的温度，还要准确地将铁水“送”至坡口根部。熄弧时，应在熔池下方做一个熔孔，应比正常焊接时的熔孔大些，然后还要迅速用角磨机将收弧处打磨成1520mm的缓坡，以利于再次引弧。要求在根焊时，在根焊焊接超过50%后，撤掉外对口器，但对口支座或吊架应至少在根焊完成后撤离。 2.3.2 热焊 热焊与根焊时间间隔应小于5min，目的是使焊缝保持较高温度，以提高焊缝力学性能，防止裂纹产生。热焊的速度要快，运条角度也不可过大，以避免根部焊缝烧穿。 2.3.3 填充焊 第三、四遍焊接为填充焊，具体工作中，可根据填充高度的不同，适当加大焊接电流，稍做横向或反月牙摆动。同热焊一样，焊前须用角磨机对上一层焊缝进行打磨，避免因清渣不干净造成夹渣等缺陷。另外，合理掌握焊条角度、控制相应弧长也是防止缺陷产生的主要前提。 2.3.4 盖面焊 盖面焊前的清渣及打磨处理应有利于盖面层的焊接，通过焊条的适当摆动，可将坡口两侧覆盖，克服坡口未填满及咬边等缺陷，通常覆盖宽度按相关规范及工艺执。两名焊工收弧时应相互配合，一人须焊过6点位置510mm后熄弧。盖面焊时焊条的操作倾角与其它焊道略不同，变化情况如图2、3。 在上述各层焊缝施焊中，应注意焊接接头不能重叠，应彼此错开2030mm，用角磨机对各层焊缝进行清理，清理的结果应能有利于下道焊缝施焊的焊接质量。 3. 焊接缺陷分析及预防措施 此工程管线长，都是野外作业，环境因素复杂，焊接工序繁多，因此焊缝存在不完美的地方是难免的。根据目前已经完成打压试验的56km管道来看，质量是过关的，但本工程仍然相当重视焊接质量问题，力图把焊缝的缺陷降低到最小程度。 焊缝的主要缺陷是气孔、夹渣和未熔合三个方面，除此之外，还有少量未焊透、内凹、焊瘤等缺陷。现在进行各个方面的原因分析。 气孔缺陷产生原因主要有：管口有铁锈、油类和水分等杂质。铁锈中含有较多Fe2O3和结晶水，对熔池金属一方面有氧化作用，另一方面析出大量氢气，因而易产生气孔；焊接工艺参数的影响，包括焊接电流、电压和焊接速度等；焊条药皮的含水量过低（生产日期长）或过高（开封后长期暴露在空气中）；焊接时焊条波形前进宽度过大或焊工技术发挥不稳定；焊接熔敷金属时延迟了脱氧过程；母材过热。 根据工程实际情况，采取了以下预防措施：施工中严格清理管口、坡口的杂物；严格控制焊接工艺参数，确保施工中直流电的稳定；加强焊条的保管和发放工作，随用随取，剩余焊条存放在密闭容器内，每位焊工配备专用焊条筒；施焊中密切注视熔池的冷却，发生气孔马上停弧处理；严格控制焊接时层间温度，不一味追求焊接速度。 焊缝中夹渣主要有氧化物、氮化物和硫化物。氧化物夹渣主要是SiO2，一般多以硅酸盐形式存在。在焊接过程中熔池的脱氧越完全，焊缝中的氧化物夹渣越少。在熔池进行冶金反应时，只有少量氧化物由于操作不当进入焊缝中。氮化物夹渣主要是Fe4N，它是焊缝在时效过程中由饱和固溶体中析出的，并以针状分布在晶粒上或贯穿晶界。一般情况只有在保护不好时才可能发生。硫化物夹渣主要来源于焊条药皮，经冶金反应转入熔池的，主要为MnS和FeS两种。MnS影响比较小，而FeS沿晶界析出，并与Fe或FeO形成低熔共晶（988），是引起热裂纹的主要原因之一。 防止焊缝中产生夹渣最重要的是注意工艺操作。选用合适的焊接工艺参数，适当提高焊接电流强度，以利于熔渣的浮出。两层焊道之间使用电动钢丝刷或动力角向砂轮机清理焊道。避免被熔金属的过渡倾斜，以降低熔渣产生的可能性。 未熔合缺陷产生的主要原因是：电流不稳定或电流过大；焊接速度过快；管道对口存在错边现象；坡口表面受污染或被氧化；坡口表面溶化程度不足。 产生缺陷的原因有类似的地方，预防措施除了认真做好管口级配合管口矫圆工作，调节好对口器，避免管口错边外，其他的和前述预防措施类似。 4.结束语 下向焊技术在坦桑尼亚维多利亚湖供水项目施工中的应用为该技术的普及迈出了坚实的一步。实践证明，该方法不仅能有效提高工程进度，工程质量也能得到有效保证，且该方法易于掌握，可在条件许可情况下，在城市供水管网建设中推广使用。 参考文献 1.顾纪清，阳代军.管道焊接技术.化学工业出版社,x年8月。 2.孙国夫.管道焊接用E6010与E8010-G纤维素焊条研究.全国焊接冶金及材料学术会议论文集,1998。 3.曾乐.现代焊接技术手册M.上海科学技术出版社,1993。 4.道厚.下向焊焊接技术缺陷产生原因及预防.焊接,2000。