南水北調(diào)中線干線PCCP 換管項目鋼管焊接工藝試驗

石 菊

（北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，102206，北京）

南水北調(diào)中線干線北京段工程西甘池隧洞出口PCCP 換管項目，增設(shè)調(diào)壓塔優(yōu)化下游PCCP 管道運行條件，從而提高南水北調(diào)向北京市供水的安全性。主要建設(shè)內(nèi)容為雙線85m 長PCCP管道換成DN4000 壓力鋼管。

本項目開工日期為2019 年12 月16 日，合同工期為一年，DN4000 主干線通水節(jié)點工期為2020 年6 月1 日。

一、確定焊接方法

1.確定鋼管安裝施工方案

DN4000 鋼管雙線布置， 每節(jié)鋼管按照 5 m 至 7.5 m 加工訂做， 包括彎頭4 個、 帶法蘭短管和湊合節(jié)各2個，施工現(xiàn)場形成約28 道環(huán)形焊口。

為保通水節(jié)點工期， 本項目以DN4000 鋼管安裝及包封混凝土施工為主線。 在基槽全部開挖完成后，計劃鋼管從 2020 年 2 月 15 日開始，4月30 日結(jié)束，雙向自上、下游同時向中間安裝，共計4 個工作面，用時75天，在檢修井內(nèi)湊合節(jié)處合攏。

鋼管安裝前，鋼管中心、高程和里程等控制點宜永久保留，并作出明顯標(biāo)記。

湊合節(jié)現(xiàn)場安裝時余量宜采用半機(jī)械化熱切割， 切割質(zhì)量應(yīng)符合《水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收》（SL 432—2008）標(biāo)準(zhǔn)。

支墩應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，鋼管在安裝過程中不應(yīng)發(fā)生位移和變形。 本項目管道支墩采用C30 混凝土支墩，尺寸為2 000 mm×750 mm×500 mm，預(yù)埋插筋。

2.確定鋼管焊接方法

焊接方法主要根據(jù)工期及現(xiàn)場實際情況決定采用。 本項目鋼管安裝計劃用時75 天， 其中減去考慮不確定影響因素制約20 天， 剩余56 天。施工現(xiàn)場 28 道環(huán)形焊口，4 個工作面，每個工作面負(fù)責(zé)7 道焊口，每道焊口計劃用時8 天， 才能保證56 天完成。 另外每道焊口考慮交叉作業(yè)、彎頭安裝、湊合節(jié)安裝、焊口檢測等其他工作內(nèi)容影響4 天，最后每道焊口必須在4 天內(nèi)完成焊接工作。 擬定每個焊口投入2 名焊工，根據(jù)2 名焊工 4 天完成1 條焊縫（厚度 35 mm，長12.56 m）的工期要求，最終選擇高效的CO2氣體保護(hù)焊。

二、焊接工藝試驗

通過焊接工藝試驗確定擬定的焊接工藝能否保證安裝質(zhì)量，如焊接遍數(shù)、焊接電流和電壓的大小、焊接速度、焊劑型號、焊接人員等參數(shù)。

1.編制焊接工藝試驗計劃

結(jié)合工程實際，在計劃中明確焊接工藝預(yù)定的參數(shù)，經(jīng)審批后實施工藝試驗。

2.按計劃施焊

（1）試驗前準(zhǔn)備

①焊接工藝試驗試件檢測單位選擇“國家金屬制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心”第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗。

②參加焊接的焊工均經(jīng)過現(xiàn)場考試合格并有執(zhí)業(yè)資格證書。 焊接前，項目部應(yīng)對參試技術(shù)人員和焊工進(jìn)行技術(shù)和安全培訓(xùn)教育，各崗位熟悉焊接工藝流程及施工中的注意事項和安全措施，焊工應(yīng)熟知焊接工藝預(yù)定參數(shù)，確保焊接工藝試驗順利。

③焊接條件。 試驗場地風(fēng)速小于2 m/s 時施焊；焊接施工前注意收聽和查看天氣預(yù)報，焊接時環(huán)境溫度不低于-5℃，避開雨天和雪天，相對濕度不大于90%。

④焊接材料。 本項目焊接母材材質(zhì)為Q235C，查《水工金屬結(jié)構(gòu)焊接通用技術(shù)條件》（SL 36—2016）表 1 選擇ER50-6 焊絲，根據(jù)《氣體保護(hù)焊電弧焊用碳鋼、 低合金鋼焊絲》（GB/T 8110—2008）選擇焊絲直徑為1.2 mm（直徑偏差+0.01，-0.04 mm）。 ER50-6焊絲需在室內(nèi)保存， 使用前無需預(yù)熱；道間溫度 135～165℃；焊后不需要熱處理。 焊接熱輸入、道數(shù)和層數(shù)依據(jù) 《非合金鋼及細(xì)晶粒鋼藥芯焊絲》（GB/T 10045—2018）要求選用。

焊絲入場進(jìn)行外觀、包裝及產(chǎn)品質(zhì)量證明書等方面的檢驗，驗收合格后方可入庫存放。 焊絲存放在通風(fēng)、干燥的庫房內(nèi)（室溫不低于5℃、相對濕度不超過60%），并置于貨架上，距地面和墻面間距應(yīng)大于300 mm 以上。 焊絲堆放整齊，用標(biāo)簽做好標(biāo)記。庫房設(shè)專人負(fù)責(zé)保管、 發(fā)放和回收，并保持相應(yīng)記錄。 使用前檢查焊絲表面是否有鐵銹、氧化皮、油污等污物。

⑤焊接設(shè)備。 采用NB-500 電焊機(jī) 2 臺，ZXA-630 碳弧氣刨機(jī) 1 臺，SIM-FF-150A 角向磨光機(jī) 1 臺，CG1-30半自動切割機(jī)1 臺，空氣壓縮機(jī)1 臺。

⑥試驗記錄用表。 要做好焊接條件記錄表（包括焊工姓名、試板材質(zhì)及規(guī)格、坡口加工形成尺寸、焊材種類、試件編號、施焊時間、試板焊接位置等）和焊接參數(shù)記錄表（包括各層、道所用的焊絲規(guī)格、電源極性、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、層間溫度等）。

（2）焊接試件

①試件制備。 選擇與鋼管同材質(zhì)的工藝試件，試件厚度35 mm，試件尺寸為 300 mm×350 mm，數(shù)量 2 塊。 坡口加工采用CG1-30 半自動切割機(jī)切割坡口， 切割后的坡口尺寸符合 《氣焊、焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊和高能束焊的推薦坡口》（GB/T 985.1—2008）的規(guī)定外， 還應(yīng)在減少焊縫的填充金屬量、 保證接頭焊透、 減少焊接殘余應(yīng)力及變形、 防止產(chǎn)生缺陷、加工容易、 焊接操作方便等方面進(jìn)行考慮。

Q235 鋼板焊接前不需預(yù)熱。焊件組對對接焊縫，允許對口錯邊量遵照SL 36—2016 條款 5.6.2 的規(guī)定，本工藝試驗試件對口錯邊≤2 mm。加工制作時的對口錯邊量遵照SL 432—2008 表6 的規(guī)定?，F(xiàn)場安裝時的對口錯邊量遵照《水利水電工程單元工程施工質(zhì)量驗收評定標(biāo)準(zhǔn)-水工金屬結(jié)構(gòu)安裝工程》（SL 635—2012）的規(guī)定。

②焊接流程。 焊縫處坡口打磨→鋼板正面對接→背面定位焊→正面填充焊接→蓋面焊接→焊后清理→鋼板背面碳刨清根→填充焊接→蓋面焊接。

③工藝參數(shù)。 本項目按照GB/T 8110—2008 表 9 及以往焊接經(jīng)驗確定試驗相關(guān)參數(shù)，詳見表1。

④焊接工藝。 Q235 壁厚35 mm鋼板， 采用半自動CO2氣體保護(hù)焊，正面焊接5 層 （其中第 1 層打底，最后1 層蓋面，中間為填充層），在背面焊接前先用碳刨將正面第1 層打底的焊肉全部清除干凈再焊接2 層（填充、蓋面各1 層）。 本項目壁厚35 mm鋼板焊縫最終6 層成型。

⑤焊接技術(shù)要求。 焊前清理坡口兩側(cè)10～20 mm 范圍打磨清除油銹；每層焊渣及飛濺清除干凈；小幅擺動多層多道焊；除根部焊道外，每道焊縫厚度≤6 mm；第6 層焊接前，采用碳弧氣刨清根并打磨滲碳層，露出金屬光澤。

3.檢測試件

工藝試驗的試件焊接完成后先自行進(jìn)行外觀檢驗；無損檢測（射線或超聲任一即可）和焊接接頭的力學(xué)性能試驗需委托第三方進(jìn)行檢驗。

（1）外觀檢驗

外觀質(zhì)量檢驗執(zhí)行SL 36—2016標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)場安裝時焊縫除表面裂紋外，焊縫外形尺寸和外觀質(zhì)量不符合規(guī)定時，焊工或焊接操作工可自行返工，進(jìn)行修磨或按最終批復(fù)的工藝要求進(jìn)行局部焊補(bǔ)，焊補(bǔ)的焊縫應(yīng)與原焊縫間保持平滑過渡。

表1 工藝參數(shù)表

（2）內(nèi)部無損檢測

內(nèi)部無損檢測執(zhí)行SL 36—2016標(biāo)準(zhǔn)。 本項目焊縫為一類焊縫，施工現(xiàn)場焊縫內(nèi)部無損檢測委托質(zhì)量檢測公司進(jìn)行。 無損檢測方法和檢測長度占焊縫總長的百分比執(zhí)行設(shè)計文件， 設(shè)計無要求時應(yīng)符合 SL 36—2016 或 SL 432—2008 的相關(guān)規(guī)定。本項目焊縫無損檢測設(shè)計要求進(jìn)行100%超聲、25%射線檢測。

（3）焊接接頭檢測

將試板送至檢測單位，檢測單位先對試板上的焊縫進(jìn)行無損檢測，合格后方可在試板上截取試驗用試樣。

①拉伸試驗取2 個試樣， 其中1個試樣檢測鋼板焊接接頭抗拉強(qiáng)度，垂直于焊縫取樣，檢驗依據(jù)《焊接接頭 拉 伸 試 驗 方 法 》 （GB/T 2651—2008）， 其結(jié)果要求≥母材抗拉強(qiáng)度370 N/mm2；另1 個試樣檢測焊縫金屬抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率，在焊縫處取樣，檢驗依據(jù)《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》（GB/T 2652—2008）。其結(jié)果： 焊縫金屬抗拉強(qiáng)度≥500 N/mm2、屈服強(qiáng)度≥420 N/mm2、延伸率≥22%，此拉伸試件可檢驗焊絲的品質(zhì)。

②焊接接頭彎曲試驗（側(cè)彎）取4個試樣（垂直于焊縫取樣）：檢驗依據(jù)《焊接接頭彎曲試驗方法》（GB/T 2653—2008）； 試樣不應(yīng)該在任何方向出現(xiàn)大于3 mm 的缺欠。

③焊接接頭沖擊試驗取 3 個試樣（垂直于焊縫取樣）：檢驗依據(jù)《焊接接頭沖擊試驗方法》（GB/T 2650—2008）；標(biāo)準(zhǔn)要求-0℃沖擊功平均值≥27 J 且試樣單個值可以低于27 J，但不得低于19 J。

4.形成焊接工藝評定報告

試件外觀、內(nèi)部、接頭質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)符合工程技術(shù)要求和規(guī)范的規(guī)定時，焊接工藝評定為合格。 對于評定不合格項應(yīng)找出不合格原因，重新制定焊接參數(shù)，再次制備試件進(jìn)行焊接和檢測，直至合格。

工藝試件檢測合格后，編制焊接工藝評定報告，其中委托第三方檢測的報告作為評定報告中的附件。 評定報告經(jīng)監(jiān)理單位審批后方可用于施工現(xiàn)場安裝。

本工程最終確定的焊絲規(guī)格型號及參數(shù)如下所示：

焊絲：型號ER50-6，直徑為1.2mm。

焊接方法：CO2氣體保護(hù)焊。

焊接參數(shù)：正面采用CO2氣體保護(hù)焊打底、填充、蓋面(共計 5 遍)，背面采用碳刨清根后再采用CO2氣體保護(hù)焊蓋面 （共計 2 遍）。 焊接電流120～160 A，焊接電壓 20～26 V，焊接速度6～10 cm/min， 保護(hù)氣體流量15 L/min，焊接熱輸入 15～25 kJ/cm。

三、焊接質(zhì)量要求

①施焊前焊接檢查員應(yīng)全面檢查電源、焊機(jī)、焊槍、供氣系統(tǒng)、工裝等設(shè)備是否正常， 確認(rèn)焊絲型號、規(guī)格及質(zhì)量是否符合要求。

②定位焊縫應(yīng)焊在焊縫背面，定位焊的引弧和熄弧在坡口內(nèi)進(jìn)行，定位焊縫厚度為4～6 mm，長度為30～60 mm，間距小于等于400 mm。 清根時，應(yīng)清除定位焊縫并打磨干凈。

③正式焊接前應(yīng)檢查定位焊的質(zhì)量，如有裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷應(yīng)清除干凈。

④鋼管焊接環(huán)境出現(xiàn)風(fēng)速大于8 m/s，CO2氣體保護(hù)電弧焊時風(fēng)速大于2 m/s；相對濕度大于90%；環(huán)境溫度低于-5℃任一情況時， 應(yīng)采取有效防護(hù)措施，方可焊接，否則禁止施焊。

⑤采用碳弧氣刨清根或清除焊接缺陷時，應(yīng)打磨清理氣刨表面和修磨刨槽，除去滲碳層。

⑥每條焊縫應(yīng)盡可能一次焊完，盡量避免中斷焊接。 當(dāng)因故中斷焊接時，在重新焊接前，應(yīng)將表面清理干凈，確認(rèn)無裂紋后，方可按原工藝?yán)^續(xù)施焊。

⑦焊接嚴(yán)格按焊接工藝評定報告的焊接參數(shù)和焊接層數(shù)施焊， 不得隨意更改焊接參數(shù)。 可微調(diào)焊接電流、電弧電壓和焊接速度，但熱輸入不得大于焊接工藝評定合格的試件制作參數(shù)所示值的25%， 以確保焊接質(zhì)量。

⑧焊接質(zhì)量檢驗嚴(yán)格執(zhí)行“三檢制”。 焊工自檢，施工隊復(fù)檢，專職質(zhì)檢人員終檢。 主要對裂紋、表面夾渣、咬邊、表面氣孔、焊瘤、飛濺、焊縫余高等外觀質(zhì)量進(jìn)行檢查，不合格的需及時返工。 外觀驗收通過后及時進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢驗，合格后進(jìn)行焊縫處內(nèi)外防腐。

⑨標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度大于540 N/mm2的鋼材， 宜做生產(chǎn)性產(chǎn)品焊接試板，即中間產(chǎn)品檢驗。

該項目通過對鋼管焊接工藝進(jìn)行試驗研究，經(jīng)評定認(rèn)為該工藝可滿足換管質(zhì)量要求，同時也為類似工程施工提供參考借鑒。