長距離高壓力輸水管道鋼管焊接質(zhì)量控制

(甘肅水投天水供水有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741000)

1 工程概況

天水市城區(qū)引洮供水工程是甘肅省第一個采用市場化融資模式運作的重大水資源配置項目，是天水市水利建設(shè)史上最大的水資源調(diào)配項目，也是甘肅省水利建設(shè)史上第一條長距離、大口徑、高壓力輸水管道。輸水管道設(shè)計采用地埋式單管輸水，流量2.1m3/s，全線采用重力流輸水。其中武山、甘谷縣境內(nèi)長42.11km的大倒虹吸最大設(shè)計壓力達4.5MPa，采用Q345C螺旋縫埋弧焊涂塑復(fù)合鋼管。

2 鋼管材料

根據(jù)管道工作壓力的不同，工程采用直徑為1220mm，壁厚為12mm、14mm、16mm、18mm、20mm的五種規(guī)格的Q345C螺旋縫埋弧焊涂塑復(fù)合鋼管。管材內(nèi)壁防腐采用熔結(jié)環(huán)氧樹脂粉末熱噴涂，涂層厚度不小于400μm，外防腐使用熔結(jié)纏繞三層聚乙烯防腐涂層(3PE)，涂層厚度不小于3.0mm，內(nèi)外防腐要求一條防腐線完成，同步進行。鋼管化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1和表2。

表1 Q345C卷板化學(xué)成分 (單位：%)

表2 Q345C卷板力學(xué)性能

3 焊接施工

鋼管焊接前依據(jù)《承壓設(shè)備焊接工藝評定》(NB-T47014—2011)進行焊接工藝試驗、焊接工藝評定，通過工藝試驗確定焊接施工中使用焊材、電焊機型號、焊接電流、焊接電壓、焊接速度等，試焊完成后對焊縫部位切割30cm×30cm試件，進行焊縫材質(zhì)、硬度、拉伸、沖擊、彎曲檢測。經(jīng)檢測合格后編制并報批《管道焊接專項施工方案》用于指導(dǎo)施工過程。

3.1 焊接工藝及焊接方法的確定

根據(jù)管材材質(zhì)、壁厚，及現(xiàn)場通過對不同焊接方式試焊后對焊件進行拉伸性能、彎曲性能、硬度、沖擊試驗、金相分析、無損檢測，選定采用纖維素焊條電弧焊+藥芯焊絲自保焊的焊接工藝，參數(shù)見表3，焊接接頭型式、坡口型式與尺寸、焊層、焊道布置及順序見圖1。

表3 焊接工藝參數(shù)

圖1 焊接坡口及焊層、焊道布置

為確保焊接質(zhì)量，根據(jù)管徑、現(xiàn)場施工條件及其他類似工程經(jīng)驗，選擇大口徑野外管線焊接中常用的半自動下向焊方法，該方法具有焊縫質(zhì)量好、焊接速度快、焊接技術(shù)易掌握、效率高的特點。

3.2 焊接前準(zhǔn)備

3.2.1 原材料檢驗

鋼管管材進場后由監(jiān)理單位組織建設(shè)單位、管材供應(yīng)單位檢查管材出廠檢驗合格證，進行圓度、內(nèi)外防腐層質(zhì)量等外觀質(zhì)量驗收，并填寫檢查驗收記錄表。對于焊絲、焊條等材料要經(jīng)過報驗程序，焊接材料進行抽樣檢查，經(jīng)檢測合格才可依據(jù)說明書的要求使用；保管焊條的倉庫要保持干燥、通風(fēng)，焊條撤掉包裝后要烘干再用，使用中需放入保溫桶中。

3.2.2 主要設(shè)備及工具檢查

檢查纖維素電焊機、半自動電焊機、吊車、對口器、烘箱、恒溫箱等設(shè)備完好，性能可靠，計量儀表正常并經(jīng)標(biāo)定合格；便攜式焊條保溫桶、角向磨光機、鋼絲刷、銼刀、榔頭等工具配備齊全；移動式防風(fēng)(雨)棚、保溫石棉被等防護設(shè)施到位。

3.2.3 焊工培訓(xùn)及技術(shù)交底

焊工應(yīng)按照《水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》(SL432—2008)要求考試合格并持有相應(yīng)主管部門簽發(fā)的有效焊工證書。在焊接前依據(jù)工藝評定結(jié)果進行技術(shù)交底，焊接前焊工應(yīng)熟悉焊接設(shè)備及操作程序、了解電源特性和安全防護措施，并了解各部位焊接控制要點及控制方法。

3.3 焊接工藝和要求

焊接工藝流程見圖2。

圖2 焊接工藝流程

3.3.1 對口、點焊固定

鋼管組對前將焊接面上、坡口及其內(nèi)外側(cè)表面20mm范圍內(nèi)雜質(zhì)、污物、毛刺等清理干凈，鋼管組對采用與管徑相匹配的對口器，其內(nèi)壁錯邊量不應(yīng)超過接頭母材厚度的10%，且不大于2mm，對口間隙不大于3mm。

為防止管道焊接時出現(xiàn)錯臺，需進行點焊連接固定，點焊固定長度控制在5～10cm，點間距在20cm左右，點焊固定后保證管體不發(fā)生偏移或擺動。點焊固定采用纖維素焊條電弧焊，焊條采用纖維素焊條E6010φ4.0,焊接時控制好速度，以保證管道焊縫平順連接。

3.3.2 纖維素打底焊

焊接前將點焊固定兩端部位進行打磨、清理焊渣，采用E6010φ4.0焊條電弧焊,選擇從12點方向左右向6點方向依次順序由兩人同時下向連續(xù)焊接，焊接電流控制在75～90A、電弧電壓26～30V、速度控制在15～30cm/min，根據(jù)管道壁厚每層焊厚度不得超過3mm。打底焊接完成后必須清根徹底，對肉眼發(fā)現(xiàn)的部位要及時補焊并進行輕度打磨。

3.3.3 填充及蓋面焊

焊接前將打底層焊接面用角磨機進行打磨、清除焊渣，焊渣清理要徹底，每道焊縫均采用4人同時進行焊接，焊接過程要連續(xù)進行，若有斷弧或起弧時，注意起弧時焊接電流控制在180～240A、電壓控制在19～20V，避免出現(xiàn)未融合及咬邊現(xiàn)象，基層焊縫必須有0.5～2mm的余高，焊接過程要逐層檢驗且不能存在咬邊和焊不透等缺陷，收弧弧坑必須填滿，不得出現(xiàn)凹坑。

3.3.4 焊后處理

焊接完成后仔細清理焊件表面的焊渣、焊瘤飛濺物及其他污物，必要時對焊縫進行局部修整。焊接及打磨完成后若自然氣溫較低時，采取管道焊口外包石棉被的緩冷措施。天氣降雨時還要采取焊口外包塑模防雨，以防雨水滲入焊縫產(chǎn)生裂紋。

3.4 焊縫檢測

焊接完成24h后進行外觀檢查，外觀符合《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》(DL5017—2007)要求。為保證焊接質(zhì)量，所有焊縫委托具有相應(yīng)資質(zhì)單位進行100%超聲波無損檢測和100%X射線檢測。

3.5 焊縫返修

經(jīng)檢驗，焊縫內(nèi)部或表面有裂紋或其他影響管道焊縫質(zhì)量的找出原因，確定其長度、深度后進行補焊。

經(jīng)檢測為焊縫內(nèi)部裂紋時，先用碳弧刨將缺陷清除并用砂輪磨成便于焊接的凹槽。焊補前要認真檢查，確認裂紋已清除后方可進行焊補。

返修后的焊縫用射線探傷復(fù)查，同一部位的返修次數(shù)不得超過2次，第3次時應(yīng)將焊口及焊縫熱影響區(qū)全部切除后重新焊接，焊補的焊口應(yīng)作出補焊記錄。

4 常見問題及原因分析

4.1 咬邊

咬邊是焊接時熔敷金屬無法按照要求蓋住母材坡口，從而在焊道邊緣留有缺口。通常產(chǎn)生咬邊的原因是焊接電流過大，電弧過長無法集中，致使熔池熔敷不到位；或者是施焊時焊條傾角不準(zhǔn)確，出現(xiàn)偏吹，以及焊接手法不正確、擺動不到位等。咬邊如果比較淺短即使不做處理也無大礙。

4.2 夾渣

所謂夾渣是指在焊縫中留有雜質(zhì)，通常在焊層間最容易出現(xiàn)夾渣現(xiàn)象，夾渣的形態(tài)大小不同，其中尖銳的夾渣會對焊道的塑形產(chǎn)生影響，特別是在焊道受到拉應(yīng)力時，會出現(xiàn)嚴重的應(yīng)力集中，嚴重影響焊縫質(zhì)量。產(chǎn)生夾渣的原因也有很多，比如進行多層焊接時未將熔渣清理干凈，造成焊道中埋有熔渣；焊接電流過小，不足以將熔渣充分融化使其浮出熔池；坡口過小或者坡口和上層焊道形成一個夾角導(dǎo)致熔渣無法充分融化而浮出熔池等。

4.3 未融合和未焊透

未融合是指在焊接過程中，焊道母材坡口中上、下層焊道之間未完全融化結(jié)合，形成缺陷。相對而言，由于未焊透導(dǎo)致焊道的有效面積減小，而且因為屬于開口性缺陷，會導(dǎo)致嚴重的應(yīng)力集中。因此，未焊透對焊縫的危害較大，如果有比較深的未焊透現(xiàn)象，在管道承壓比較高的條件下，焊道有可能會沿著未焊透處撕裂。通常，產(chǎn)生未融合與未焊透的原因主要是因為坡口的加工不夠規(guī)范、角度過大、鈍邊過厚，未留下足夠的間隙；過度進行層間清理導(dǎo)致坡口被打?qū)捫纬蓽喜?；或者焊接手法不穩(wěn)定，電流過小，線能量輸入過小等。

4.4 氣孔

通常氣孔是因為熔化金屬凝固時，未將熔池中的氣體溢出而形成。通常氣孔缺陷對于管道危害都比較小，在某種情況下還會起到止裂的作用，但是一些很深的柱狀孔或者面積比較大的圓形孔則危害比較大。焊接中氣孔產(chǎn)生的主要原因是焊材或坡口清潔度不夠，存在鐵銹油污等雜質(zhì)，或者焊材受潮，焊接時電源電壓、電流值不穩(wěn)定；焊接速度過快；保護方法不合理等。

4.5 裂紋

就管道焊接過程來說，危害性最大的缺陷就是裂紋。裂紋具有一定的延展，在管道內(nèi)應(yīng)力的作用下，裂紋會一直擴展、延伸，從而破壞整個焊縫，同時由于裂紋不可返修，一旦出現(xiàn)裂紋則要割口重焊，所以在高壓力、長距離輸水管道中堅決不允許出現(xiàn)裂紋。通常產(chǎn)生裂紋主要是由于工藝規(guī)程未執(zhí)行到位，或外部應(yīng)力過大造成的。

4.5.1 結(jié)晶裂紋

結(jié)晶裂紋是比較常見的一種熱裂紋，在焊縫凝固過程中會形成結(jié)晶裂紋。結(jié)晶裂紋主要是由于多次返工后造成熔池中雜質(zhì)過多引起的，或者在管道對口中強行組對應(yīng)力過大造成的。

4.5.2 液化裂紋

液化裂紋是因為液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時存在冷卻收縮，從而在晶粒邊界出現(xiàn)裂紋，一般在多層焊時母材多次受熱后晶間層重新融化形成。所以液化裂紋最容易出現(xiàn)在母材坡口邊緣處。

4.5.3 延遲裂紋

在管道焊接中，延遲裂紋是比較常見的一種裂紋缺陷，屬于冷裂紋，通常在焊后幾小時甚至幾天后才會出現(xiàn)，而且時間越長，延遲裂紋會越長。一般延遲裂紋主要由焊接接頭承受的應(yīng)力和焊縫氫含量來決定的。延遲裂紋主要從以下幾個方面進行控制：?降低焊縫冷卻速度，焊接完成后采取覆蓋保溫等緩冷措施； ?降低焊接應(yīng)力，組對時盡量不采用外對口器強行組對，禁止使用千斤頂、吊車上提或挖掘機下壓等強外力對口；?合理選擇鋼材材料及焊材，嚴格按照工藝要求施焊，保證焊縫組織結(jié)構(gòu)的韌性與塑性。

5 結(jié) 語

天水市城區(qū)引洮供水工程壓力高、管徑大、輸水線路長，管線多處穿越高速公路、鐵路、輸油(氣)管道等重要工程設(shè)施及村鎮(zhèn)人口密集區(qū)，鋼管焊接質(zhì)量尤為重要。在鋼管焊接前與相關(guān)科研單位及石油天燃氣管道施工單位展開技術(shù)探討及交流；在鋼管焊接中嚴格按照工藝規(guī)程施焊，嚴格把控焊接質(zhì)量，全線所有焊縫經(jīng)過“雙百”(100%超聲波、100%X射線)檢測，一次合格率達95%以上，為工程安全運行提供了堅實的基礎(chǔ)。

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