关键词：下向焊工艺；工艺操作；焊缝检测；缺陷分析
序言
随着城市建设的迅猛发展，天然气凭借高效、清洁、污染小的优点，为蓝天工程的实施创造了条件。近年来，天津市城市改燃项目的实施力度在不断加大，原有的管线已不能满足现有的需要。 2003 年，天津市燃气集团通过铺设外环线高压管线，与原有南半环管线形成环状管网，解决了供气需求紧张的问题，也为周边沿线企业的发展注入了动力。
1. 技术应用
目前，在城市燃气管网施工中，因为管道设计压力小（通常≤ 0.4MPa ）、管径也不大（通常≤ DN300 ），管线强度级别相对较低（通常选用钢管材质为 Q235B ），所以采用普通上向焊技术施工即可满足要求。而天津市外环线北半环工程全长 40 多公里，设计压力 2.5MPa ，采用 L360 双面螺旋埋弧焊管，钢管规格为φ 711 × 9.5 ，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。
但在该工程施工过程中，与长输管线的野外施工不同，受到诸多外界因素限制。城市地网中，河流、公路、和频繁的地下障碍，都为施工带来很大难度。在管道铺设过程中，既有穿越工程，又有过河道明开工程，还有沉管工程等；此外，因为外环线两侧均为树木，导致作业空间小，这些无疑都增加了施工的难度。针对上述出现的问题，为保证工程质量，施焊时，根据外部环境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，围绕焊接质量从各角度加以控制。
该工程中，选用的焊材为奥地利伯乐公司生产的 FOXCEL E6010 （ AWS ）焊条打底，国产 E7010 （ AWS ）焊条填充、罩面；焊接设备选用美国米勒公司的 XMT304 焊机和国产 ZX7-400B 逆变焊机。
正式施工前，按 SY4052 — 2002 《石油天然气金属管道焊接工艺评定》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。由监理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。
为保证工程质量，在正式施工时，还应对现场加强控制，具体施工控制工作如下：
1.1 焊前准备：
钢管的组对及定位焊是保证焊接质量和焊缝背面成型良好的基础，依据《天津市外环线北半环高压天然气管道工程线路施工技术要求》规定，管材单边坡口角度为 28 ° -32 °，钝边厚度 1.0-1.5mm ，对口间隙 1.2-2.0mm ，最大错边量不大于管外径的 3 ‰，且≤ 2mm 。要求管道端面切口平整，不得有裂纹，且切口面与管轴线垂直，不垂直的偏差不得大于 1.5mm ；焊前分别用角磨机、电动钢丝刷将坡口两侧表面各 50mm 的油污、浮锈、水分、泥沙、气割后的熔渣、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 ）、 E7010 （ 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 70 ℃ ~80 ℃烘干，保温 0.5~1h ，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。
1.2 焊接工艺参数的选择：
采用纤维素焊条下向焊，可分为：根焊、热焊、填充焊和罩面焊，每层焊缝均由两名焊工对称施焊，其焊接工艺参数（ Welding Parameters ）如表 1 ：
表 1 焊接工艺参数
1.3 下向焊操作方法：
1.3.1 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 10mm 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 15~20mm 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。
1.3.2 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。
1.3.3 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。
1.3.4 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 5~10mm 后熄弧。
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 20~30mm ，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。
1.4 焊接环境：
因该工程施工跨度较大，焊接环境也随季节的不同变化较大，所以，要求在雨、雪天气；风速超过 8m/s 或出现扬沙天气；相对湿度超过 90% ；环境温度低于 -5 ℃时，采取有效措施后方可施焊。
1.5 焊缝检测：
1.5.1 焊缝表面质量要求：
施焊后的焊缝，按《管道下向焊焊接工艺规程》（ SY/T4071-93 ）规定，应清除熔渣、飞溅物等杂物，焊缝表面不得有裂纹、未熔合、气孔和夹渣等缺陷；咬边深度≤ 0.5mm ，在任何长 300mm 焊缝中两侧咬边累计长度≤ 50mm ；焊缝余高 0.5~2.0mm ，个别部位（管底部处于时钟 5~7 时位置）不超过 3mm ，且长度不超过 50mm ；焊缝宽度比坡口每侧增宽 0.5~2.0mm 为宜。
1.5.2 无损检验：
依据 SY4065-93 《石油天然气钢质管道对接焊缝超声波探伤质量分级》和 SY4056-93 《石油天然气钢质管道对接焊缝射线照相及质量分级》对焊缝进行 100% 超声波探伤和 100% 射线探伤，Ⅱ级为合格。
1.6 缺陷分析与控制：
本工程中，对 DN700 钢管共检测焊口 3801 道，以焊口计算，一次焊缝合格率在 93% 以上，与历年的检测工程相比，焊接质量明显提高。在该工程中，存在的缺陷种类主要有：未焊透、未熔合、内凹、夹渣、气孔、裂纹等缺陷，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
从上述表格中不难看出，在立焊与仰焊位置，裂纹、内凹的出现几率较多，尤其裂纹更集中地出现在仰焊位置，这与起初定位焊后过早撤除外对口器关系密切；而内凹则是因为根焊时，电弧吹力不够，另外铁水受重力作用而导致，这与焊工的技能水平有一定关系；多数的未焊透和未熔合与钢管组对时的错边、焊接时工艺参数的波动、操作者的水平、运条方法的选用、工作时急于求成等因素有一定关联；气孔和夹渣除去与环境、选用规范、母材和焊材的预处理有关外，焊缝的冷却速度对该缺陷的影响更大些。
在城市燃气地下管网施工中，地下环境复杂，势必造成固定口较多、管件较多。为避免产生较大的应力集中，选择从管道中间向两侧施焊，或先安装闸后，再从闸开始向两侧施工，尽量保持钢管的一侧为自由端；同时，通过观察地理状况，对钢管的坡度、是否能弹性敷设做到心中有数；进行管沟下组焊时，通过加大沟槽宽度，使焊工能在相对舒服的条件下施焊；另外，在钢管的选配上、操作工艺的控制上、对不利环境条件的控制措施上，均加强管理；对有连续出现缺陷和典型缺陷的状况，及时分析原因与纠正，从各方位加强焊接质量的管理工作。
在具体的工程施工中，由于参建人员较多，作业面较大，上岗焊工多，还从保证工程质量出发，在施工条件允许的前提下，尽量采用流水施工作业，对根焊、热焊、填充焊、盖面焊均由专门人员施工，实践证明，该部分焊缝合格率较其他部分合格率高，这也为以后的施工积累了经验。
2. 后记
下向焊技术在我市燃气管网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，在城市管网建设中推广使用。
