大口径顶管焊接质量控制对策研究

(1.天津市水务工程建设质量与安全监督站， 天津 300060；2. 天津市水利科学研究院， 天津 300061)

大口径顶管焊接质量控制对策研究

杨钊1吴树香2

(1.天津市水务工程建设质量与安全监督站， 天津 300060；2. 天津市水利科学研究院， 天津 300061)

本文结合工程实际，针对大口径顶管施工中钢管顶管的接口焊接关键技术进行试验研究，分析了引起压力钢管破坏的主要因素，在满足工程质量要求前提下，解决了提高焊接速度、降低环境影响等问题。同时。提出了该工程施工条件下最佳的焊接工艺及工效，为今后类似工程提供技术参考。

压力钢管；焊接质量；控制对策

1 试验背景

为确保城市供水水量和水质安全，提高双水源调度的灵活性，加强应对突发事故的能力，天津市亟需建设引江向尔王庄水库供水联通管线工程，实现联合运行调度，保障城市供水安全。

引江向尔王庄水库供水联通工程包括西干线分水口至新引河供水管线工程和引江加压泵站工程。管线工程全长12km，其中，采用DN2400mm钢管及管件长约3275m，DN2000mm钢管及管件长约733.50m，合计钢管长度约4008.50m，管道引水流量设计规模10.80m3/s。为保证焊接质量，完成施工任务，拟对不同施工条件下焊接质量进行试验，研究影响钢管焊接质量因素，进而改进焊接工艺。

2 研究内容及试验方案

2.1 试验内容

该次试验主要对顶管段钢管现场焊接进行试验。试验内容如下：对钢管焊口在顶管前、顶管中、顶管后的质量进行对比、分析。分析顶管过程中，顶管前后焊口质量的变化及顶进过程中对钢管焊口的影响，完善改进焊接工艺。

2.2 试验方案

设计试验方案：选定某钢管穿越施工段，钢管直径2400mm，钢板厚度32mm。采用手工电弧焊(SMAW)，焊条选用E4303，钢管采用镇静钢，材质为Q235B，坡口为K形内坡口和V形坡口，坡口角度为55°～65°，对口间隙2～3mm，钝边1～2mm。

首先，进行焊口焊接工艺评定，确定焊接方法，按工艺评定确定的焊接工艺进行现场焊接。顶管前，对所有焊口进行超声波及X光片检测，并对外观质量进行验收，做好记录；顶管过程中，对焊口外观质量进行全程跟踪检测，记录顶进速度、土质情况，并做好记录；顶管完成后，对所有焊口进行超声波检测，并对外观质量进行验收。

3 试验结果及分析

3.1 焊接质量影响因素分析

该工程采用的钢板厚度在26～40mm之间，由于构件刚度较大，焊接量大，视线和焊件位置、焊丝伸出长度、焊枪角度等焊接时控制不当，易产生焊接缺陷，尤其是钢板坡口焊缝根部，经常出现未熔合、未焊透等缺陷，直接降低接头的机械性能，使其承载能力达不到设计要求，为此，从焊接方法和焊接工艺参数两方面入手，对焊接质量影响因素进行分析。

3.1.1 焊接方法分析

根据母材的性能、焊接结构的特点，以质量和效益为目标，合理选择焊接方法。一般遵循以下原则：保证质量，获得外观和内在质量满意的焊接接头，焊接变形尽量小；具有较高的生产率，便于施焊，可试性好，达到较高的经济效益。

3.1.2 焊条电弧焊

焊条电弧焊设备简单、方便，适用于任意空间位置和窄间隙的焊接，焊接电弧可见性好，特别适用于高空和野外作业，以及小型焊接。缺点为质量波动大，要求焊工等级高，劳动强度大，生产效率低，焊接烟尘大(图1)。

图1 焊条电弧焊焊缝形成过程1-焊缝；2-熔池；3-保护性气体；4-电弧；5-熔滴；6-焊条；7-焊钳；8-电焊机；9-焊接电缆；10-工件

3.2 K形坡口钢管焊接试验

1号试验穿越施工段，钢管直径2400mm，钢板厚度32mm。该工程采用手工电弧焊(SMAW)，焊条选用E4303，钢管采用镇静钢，材质为Q235B，外坡口角度65°±5°，内坡口角度45°±5°，对口间隙2～3mm，钝边1～2mm。共计2道焊口。

3.2.1 人员配置

挑选现场最好焊工14人进行焊接。其中管道对口2人，气刨1人，焊接4人(管内2人，管外2人),配置2批人员，轮流焊接。

3.2.2 焊接工艺方法

采用手工电弧焊(SMAW)，焊条选用E4303，焊接速度8～12cm/min，焊接电流为170～190A，根焊采用φ3.2mm焊条进行焊接，其他采用φ4.0mm焊条进行焊接，根焊完毕后打气刨清根后方可进行填充焊接，用φ4.0mm焊条施焊，根据规范要求，每层焊接厚度不大于1.5倍焊条直径，同时结合目前焊工实际水平，确定焊接层数，内坡口处5层，外口处需用气刨刨开坡口后，焊接4层(见图2)。

图2 K形坡口参数示意图

3.2.3 工艺参数

材料为Q235B，板厚32mm，接头为K形接头，间隙2～3mm，钝边1～2mm，外坡口角度65°±5°，内坡口角度45°±5°(见表1)。

表1 顶管K形坡口钢管焊接工艺参数

焊接完成后，在顶管施工前，对所有焊口进行超声波及X光片检测，做好记录；拍片位置每道焊缝Y轴上部±30°、下部±22.5°进行连续X光检测，左右部位骑T字口进行X光检测，每道口共计9张片子，共2道口，18张片子(检测结果详见表2～4)。

3.2.4 焊接效果分析

试验结果表明，K形坡口钢管焊接的一次合格率为0%，返修率100%，每道焊口平均用工108.5工时。人员饱和状态下，最短用时32.80h。

综合分析试验结果表明：K形坡口焊接工艺返修率高，几乎为100%，返修后焊接质量达到Ⅰ级片的概率很小，其中1号焊缝返修后Ⅰ级片1张、Ⅱ级片8张，Ⅰ级片合格率为11%，2号焊缝返修后Ⅰ级片2张、Ⅱ级片7张、Ⅰ级片合格率为22%。焊接力学性能试验结果表明返修后接头拉伸强度最大为382MPa，大于规范要求的370MPa。通过对2道焊缝进行工效统计分析，在人员饱和情况下，每道口所用工时平均为32.50h，此种坡口形式唯一优势是在进行顶管施工时，钢管坡口立面为平口，顶进时，便于施工。

表2 顶管K形坡口钢管焊缝无损检测结果

表3 顶管K形坡口钢材焊接力学性能试验

表4 顶管K形焊口工效统计

通过对试验结果分析，影响焊接质量的因素主要有以下几个：K形坡口焊接对焊工技术要求较高，受焊缝立面限制，不方便施焊，焊枪角度不好控制，极易造成未焊透等缺陷；K形接口清根时，内部杂质不能保证全部清理干净；焊接时间长，劳动强度大，焊接质量不稳定。

3.3 V形坡口形钢管焊接试验

为保证施工质量，提高焊接效率，降低劳动强度，改善工作环境，安全优质的完成施工任务，决定打破常规，采用V形坡口形式进行焊接试验，并针对改进思路制定详细的实施方案。

选择2号穿越施工段，钢管直径2400mm，钢板厚度32mm。采用手工电弧焊(SMAW)，焊条选用E4303，钢管采用镇静钢，材质为Q235B，坡口为V形，坡口角度为55°～65°，对口间隙2～3mm，钝边1～2mm。共计9道焊口。

3.3.1 人员配置

挑选现场最好焊工12人进行焊接。其中管道对口2人，气刨1人，焊接3人(管内2人，管外1人)，配置2批人员，轮流焊接。

3.3.2 焊接工艺方法

采用手工电弧焊(SMAW)，焊条选用E4303，焊接速度 8～15 cm/min，焊接电流为170～190A，其中根焊采用φ3.2mm焊条进行焊接，其他采用φ4.0mm焊条进行焊接，根焊完毕后打气刨清根后方可进行填充焊接，用φ4.0mm焊条施焊，每层焊接厚度不大于1.5倍焊条直径，同时结合目前焊工实际水平，确定焊接层数，内坡口处6层，外口处需用气刨刨开坡口后，焊接2层。

3.3.3 现场工艺参数

材料为Q235B，板厚32mm，接头为V形接头，间隙2～3mm，钝边1～2mm，坡口角度60°±5°(图3、表5)

图3 V形接头坡口参数示意图

表5 顶管V形坡口钢管焊接工艺参数

焊接完成后，在顶管施工前，对所有焊口进行超声波及X光片检测，做好记录；拍片位置为每道焊缝Y轴上部±30°、下部±22.5°进行连续X光检测，左右部位骑T字口进行X光检测，每道口共计9张片子。共7道口，63张片子(检测结果见表6～表8)。

表6 顶管V形坡口钢管焊缝无损检测结果

表7 顶管V形坡口钢管焊接力学性能试验

表8 顶管V形焊口工效统计

3.3.4 焊接效果分析

试验结果表明，一次合格率100%，每道焊口平均用工68.2工时。人员饱和状态下，最短用时25.1h。

综合分析试验结果表明：V形坡口焊接工艺返修率几乎为0%，1次拍片Ⅱ级及以上100%，其中3号焊缝Ⅰ级片3张、Ⅱ级片6张，Ⅰ级片合格率为33%；4号焊缝Ⅰ级片3张、Ⅱ级片6张，Ⅰ级片合格率为33%；5号焊缝Ⅰ级片4张、Ⅱ级片5张，Ⅰ级片合格率为44%；6号焊缝Ⅰ级片3张、Ⅱ级片6张，Ⅰ级片合格率为33%；7号焊缝Ⅰ级片4张、Ⅱ级片5张，Ⅰ级片合格率为44%；8号焊缝Ⅰ级片4张、Ⅱ级片5张，Ⅰ级片合格率为44%；9号焊缝Ⅰ级片2张、Ⅱ级片7张，Ⅰ级片合格率为22%。焊口检测合格率远高于K形坡口返修后钢管焊口。焊接力学性能试验结果表明接头拉伸强度最大为424MPa，远大于K形坡口焊接强度。通过对9道焊缝进行工效统计分析，每道口所用工时平均为25h，工作效率大大提高。顶管后超声波检测结果也表明钢管坡口形式的变化对焊缝质量影响不大。

综合分析表明，通过对钢管坡口形式的改变及焊接工艺的完善，焊接质量得到明显改善，焊缝力学性能也相应提高，工效方面由原来的33h缩短至25h。

4 结 论

K形坡口焊接对焊工技术要求较高，受焊缝立面限制，不方便施焊，焊枪角度不好控制，极易造成未焊透等缺陷。K形接口清根时，内部杂质很难全部清理干净。K形坡口焊接工艺返修率高，返修后焊接质量达到Ⅰ级片的概率很小。K形坡口钢管每道焊口平均用工109工时。在人员饱和情况下，每道口所用工时平均为33h，焊接时间长，劳动强度大，极易造成焊接质量的不稳定。

V形坡口焊接工艺返修率几乎为0%，一次拍片Ⅱ级及以上100%，焊接接头拉伸强度大于K形坡口焊接强度。V形坡口钢管每道焊口平均用工68工时。人员饱和状态下，最短用时25h，工作效率大大提高。顶管后超声波检测结果表明钢管坡口形式的变化对焊缝质量影响不大。

Researchonlarge-diameterjackingweldingqualitycontrolcountermeasures

YANG Zhao1, WU Shuxiang2

(1.TianjinWaterProjectConstructionQualityandSafetySupervisionStation,Tianjin300060,China;2.TianjinInstituteofWaterScienceandTechnology,Tianjin300061,China)

In the paper, interface welding key technology of steel pipe jacking in large diameter jacking construction is experimentally studied. Main factors of pressure steel pipe damage are analyzed. The problems of improving welding speed, lowering influence on environment, etc. are solved under the precondition of meeting engineering quality requirements. Meanwhile, the optimum welding process and effect under the project construction condition are proposed, thereby providing technical reference for similar projects in the future.

pressure steel pipe; welding quality; control countermeasures

TV554

：B

：1005-4774(2017)09-0042-04

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.09.011