海洋工程水下焊接自动化技术应用解析

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1、海洋工程水下焊接自动化技术应用解析　　摘要：随着国民经济的高速发展、能源战略的迫切需求，海洋工程不断地向深海推进。水下焊接作为海洋工程领域的重要技术，正受到越来越多的关注。下面本文简要对湿法水下焊接、局部干法水下焊接、高压干法水下焊接和常压干法水下焊接等方面的自动化技术应用现状及焊接设备进行介绍。关键词：海洋工程；水下焊接；自动化中图分类号：P755.1文献标识码：A前言随着国民经济的高速发展、能源战略的迫切需求，海洋工程不断地向深海推进。水下焊接作为海洋工程领域的重要技术，正受到越来越多的关注。从海上油气平台的安装建造到海底管线的铺设维修，从海上打捞营救工作到大型

2、船舰的应急修理，随处可见水下焊接的身影。海洋结构件与陆地不同，除受到工作载荷之外，还要承受风暴、波浪、潮流所引起的附加载荷以及海水腐蚀、流沙磨蚀的作用。目前用于水下焊接的可用方法有20多种，如水下焊条电弧焊、药芯焊丝半自动焊、高压干法GTAW焊、激光焊、铝热剂焊接、摩擦叠焊、水下爆炸焊等，但电弧焊由于具有操作性好、适用能力强等优点被广泛采用。71水下焊接方法1.1水下湿法焊接湿法焊接是指被焊部件和焊枪直接暴露在水下环境中，电弧的形成、燃烧是在水中完成的。电弧气泡中的气体主要是由水蒸气高温解离形成的氢和氧，以及焊条药皮中燃烧分解的CO和CO2气体组成，还有少量的N2和

3、微量气态金属构成。由于电弧气氛内氢的含量很大，所以氢脆敏感性成为特别关键的问题，极大地降低了焊缝强度。但由于湿法焊接具有设备简单、成本低廉、操作灵活、适用性强等优点，现已广泛用于海洋工程的建造安装及维修。目前采用的主要方法有水下焊条电弧焊和药芯焊丝半自动焊两种，一些先进水下焊接方法陆续被应用到工程中华,如激光焊、电阻焊、摩擦焊和爆炸焊等。1.2水下干法焊接干法焊接的方法是指人为地将焊接部位及其周边一个较大范围内的水排开，在一个干的气相环境中让潜水焊工进行焊接。根据工程结构的具体形状、尺寸和位置的不同，通常需要设计相应的气室，气室中需备有一套生命维持、湿度调节、监控、

4、照明、安全保障、通信联络的系统。辅助工作时间长，水面支持队伍庞大，施工成本较高。例如，美国TDS公司的一套可焊接直径φ813mm管线的焊接装置(MOD-1)造价高达2007万美元。因此，这种方法多用于深水，且需要预热或焊后热处理的材料或质量要求很高的结构焊接。按水下气室中气体压力的不同，干法焊接又分为高压干法焊接和常压干法焊接。1.2.1高压干法焊接高压干法焊接是当前最主要的优质水下焊接技术，目前最大实用水深约为300m。在该焊接方法中，气室底部是开口的，通过通入气压略高于工作水深压力的气体把气室内的水从底部开口处排出，从而保证焊接在干的气室中进行。一般采用焊条电弧

5、焊或惰性气体保护电弧焊，其中GTAW具有电弧稳定、适于全位置焊接、易于实现自动化等特点，已成功应用于海底管道修复等水下钢结构焊接，并基本上可以达到陆地焊缝的水平。但是高压干法焊接同样存在“压力影响”问题。在深水下进行焊接时，随着电弧周围气体压力的增加，焊接电弧的特性和焊接工艺都会受到不同程度的影响。因此，研究高压气氛中电弧特性是了解高压干法水下焊接过程，获得良好焊接接头的关键。北京石油化工学院蒋力培等人利用自制的高压干法水下焊接模拟实验平台，首次系统研究了高压空气环境下GTAW电弧特性，并在实验数据的基础上，建立了高压环境下的GTAW电弧电压数学模型，综合分析了电弧

6、长度、环境压力和焊接电流对GTAW电弧电压的影响。1.2.2常压干法焊接7常压干法焊接是指在深水下焊工仍然与在陆地一样的气压环境中进行焊接，排出了水深的影响，完全保证了焊接质量，其示意如图1所示。1977年，法国LPS公司首次采用常压干法焊接技术在北海水深150m处成功地实现了直径426mm海底管线的焊接。但其设备造价比高压干法水下焊接还要昂贵，焊接辅助人员更多，所以一般只用于深水且非常重要的结构焊接。1—浮箱；2—常压仓；3—液压测力计；4—装配塞；5—新管子；6—调整短管；7—密封卡环图1常压焊接原理示意1.3局部干法水下焊接局部干法水下焊接是20世纪60年代末

7、发展起来的，利用气体把被焊部件周围局部区域的水人为排开，形成一个较小的气相区，使电弧在其中稳定燃烧。局部干法焊接综合了湿法和干法两者的优点，由于降低了水的有害影响，使得焊接接头质量与湿法焊接相比有了明显的改善；与干法焊接相比，又无需大型昂贵的排水气室，其适应性和灵活性大大提高。如日本提出的水帘式焊接，该方7法焊枪结构分为内外两层，外层通过喷出高压水所形成的水帘来阻挡外界水的进入，内层通入保护气体以在水帘内侧形成气相区，让电弧稳定燃烧。这种方法的焊接接头强度不低于母材，接头面弯和背弯均可达到180°，但是可见度问题没有解决。为克服水帘式的缺点，日本又相继开发了钢刷