《【2017年整理】水下焊接技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】水下焊接技术（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 水下焊接技术的应用及其发展 摘要：随着海洋石油的开发利用和潜水技术的发展，海底输油输气管线以及海洋工程结构的日益增多，水下焊接技术已成为海洋工程和水下管道组装和维修的关键性技术。本文综述了水下焊接技术特点及在工程中的应用，并就水下焊接技术在工程应用中的发展趋势提出了一些看法。 关键词：海洋工程；湿法水下焊接；局部干法水下焊接；干法水下焊接 1 序言 海洋工程结构因常年在海上工作，工作环境极为恶劣，除受到结构的工作载荷外，还要承受风暴、波浪、潮流引起的附加载荷以及海水腐蚀、砂流磨蚀、地震或寒冷地区冰流的侵袭。此外，石油天然气的易燃易爆性对结构也存在威胁。而且海洋工程结构的主要部分在水下，服役后
2、焊接接头的检查和修补很困难，费用也高，一旦发生重大结构损伤或倾覆事故，将造成生命财产的严重损失。所以对海洋工程结构的设计制造、材料选择以及焊接施工等都有严格的质量要求。而随着海洋、石油和天然气工业的发展海洋管道工程日益向深海挺进。 因此，开展水下焊接技术的研究，加强对其应用，对于开发海洋事业，开采海底油田、使丰富的海洋资源为人类服务，具有重要的现实意义。目前，水下焊接技术已广泛用于海洋工程结构、海底管线、船舶、船坞港口设施、江河工程及核电厂维修。水下焊接已成为组装维修诸如采油平台、输油管线等大型海洋结构的关键技术之一。2 水下焊接方法分类及其特点 2.1水下焊接方法分类 目前，世界各国正在应用
3、和研究的水下焊接方法种类繁多，可以说，陆上生产应用的焊接技术，几乎都在水下尝试过，但比较成熟、应用较多的还是几种电弧焊。水下焊接一般依据焊接所处的环境大体上分为三类：湿法水下焊接、干法水下焊接和局部干法水下焊接。但随着水下焊接技术的发展： 又出现了一些新的水下焊接方法：水下螺柱焊接、水下爆炸焊接、水下电子束焊接和水下铝热剂焊接等。 2.2水下焊接的特点 水下环境使得水下焊接过程比陆上焊接过程复杂得多， 除焊接技术外， 还涉及到潜水作业技术等诸多因素， 水下焊接的特点是 (1) 可见度差 水对光的吸收、反射和折射等作用比空气强得多， 因此，光在水中传播时减弱得很快。另外, 焊接时电弧周围产生大量
4、气泡和烟雾， 使水下电弧的可见度非常低。在淤泥的海底和夹带泥沙的海域中进行水下焊，水中可见度就更差了。长期以来，这种水下焊接基本属于盲焊,严重地影响了潜水焊工操作技术的发挥, 这是造成水下焊接容易出现缺陷, 焊接接头质量不高的重要原因之一。 (2) 焊缝含氢量高 氢是焊接的大敌， 如果焊接中氢含量超过允许值， 很容易引起裂纹，甚至导致结构的破坏。水下电弧会使其周围水产生热分解, 导致溶解到焊2 缝中的氢增加， 一般焊接中扩散氢含量27 36 Lgg , 为陆地酸性焊条焊接时的好几倍。水下焊条电弧焊的焊接接头质量差与氢含量高是分不开的。 (3) 冷却速度快 水下焊接时， 海水的热传导系数较高，
5、是空气的20 倍左右。即使是淡水， 其热传导系数也为空气的十几倍。若采用湿法或局部干法水下焊接时，被焊工件直接处于水中，水对焊缝的急冷效果明显， 容易产生高硬度的淬硬组织。因此， 只有采用干法焊接时， 才能避免冷效应。 (4) 压力的影响 随着压力增加(水深每增加10m ， 压力增加0. 1M Pa) 。 电弧弧柱变细吗， 焊道宽度变窄，焊缝高度增加， 同时导电介质密度增加，从而增加了电离难度， 电弧电压随之升高， 电弧稳定性降低， 飞溅和烟尘也增多。 (5) 连续作业难以实现，由于受水下环境的影响与限制， 许多情况下不得不采用焊一段吗， 停一段的方法进行， 因而产生焊缝不连续的现象。 3 湿
6、法水下焊接的应用、冶金特点及水下焊条设计 3.1湿法水下焊接在海洋工程中的应用 湿法水下焊接是潜水员在水环境中进行的焊接，如图2 所示。水下能见度差，潜水焊工看不清焊接情况，会出现“盲焊” 的现象，难以保证水下焊接质量，尤其水密性更难以保证。因此采用这类方法难以获得质量良好的焊接接头，尤其是焊接结构应用在较为重要的情况下，焊接的质量难以令人满意。但由于湿法水下焊接具有设备简单、成本低廉、操作灵活、适应性较强等优点，所以，近年来各国对这种方法仍在继续进行研究，特别是涂药焊条和手工电焊，在今后的一段时期还会得到进一步的应用。 图1 湿法水下焊接示意图 湿法水下焊接在美国已得到广泛应用，对湿法水下焊
7、接设计最有指导作用的文件是美国焊接学会的AWS 标准（AWS D3.6）。现在湿法水下焊接中最常用的方法为焊条电弧焊和药芯焊丝电弧焊。在焊接时，潜水焊工要使用带防水涂料的焊条和为水下焊接专门设计或改制的焊钳。尽管湿法水下焊接已经取得了较大的3 进展，但到目前为止，应该说水深超过100m 的湿法水下焊接仍难得到较好的焊接接头，因此还不能用于焊接重要的海洋工程结构。但是，随着湿法水下焊接技术的发展，很多湿法水下焊接的问题在一定程度上正得到克服，如采用设计优良的焊条药皮及防水涂料等，加上严格的焊接工艺管理及认证，1991 年首次在北海对一个非主要结构杆件进行了湿法水下焊接，现在湿法水下焊接已在北海平
8、台辅助构件的下修理中得到成功的应用。另外，湿法水下焊接技术也广泛用于海洋条件好的浅水区以及不要求承受高应力构件的焊接。目前，国际上应用湿法水下焊条以及湿法水下焊接技术最广的是墨西哥湾。墨西哥湾核反应堆供水起泡管的修复、Amoco Trinidad 石油公司的石油平台78m 深的水下焊补都采用了水下湿法焊接技术。该技术的研究对于我国渤海湾和辽东湾今后的海底管道修复、一些非关键性的构件的修复，如牺牲阳极的更换等具有非常重要的现实意义。 3.2 湿法水下焊接的冶金特点分析 湿法水下焊接的电弧实际上是在电弧气泡中燃烧的。 水下焊接时电弧周围能否成一定大小、稳定的电弧气泡是水下焊接成功的首要条件。 电弧
9、气泡中的气体主要是由水蒸汽高温解离形成的氢和氧，焊条药皮中燃烧分解的CO 和CO2 所组成。 普通酸性及碱性焊条用于水下焊时形成的电弧气泡成份如表1 所示。 随着水下焊接水深的增加，形成电弧气泡的体积因受到压缩而逐渐变小，而过少的电弧气泡导致焊缝金属气孔倾向增加。当电弧气泡变得足够少时，电弧极易熄灭使焊接过程无法顺利进行。电弧气泡形成后的长大应满足以下物理条件 pg pa + ph + ps 式中：pg 为气泡内部的压力；pa 为大气压力； ph 为气泡周围的静水压力； ps 为气泡表面张力引起的附加压力。 在陆地焊接时， ph 近于零；而在水下焊接时， ph 随水深的增加而增大， pa 和p
10、s 可以看作不受水深的影响。 故要使焊接顺利进行，只有增大pg。增大pg 的途径之一是增加电弧温度，这可通过调整焊接电流来实现，这是由于较高的电弧温度能解离足够的氢和氧；二是提高焊条药皮的造气功能,使焊条药皮燃烧时能生成更多CO2 、CO 气体。 但电弧气泡中氢的比例过大将导致二种与氢有关缺陷的生成：一是焊缝中气孔的倾向增加，二是焊缝金属及热影响区氢致裂纹敏感性增大。 因此，在设计配方时既要保证电弧气泡有足够的压力，又要设法降低电弧气泡中氢的比例。在药皮中加入适量的CaF2 和SiO2 可以实现这一目的。 因为 SiO2 + 2CaF2 + 3H = 2CaO + SiF + 3HF 或SiO
11、2 + 2CaF2 = 2CaO + SiF4 CaF2 + H2O(气) = CaO + 2HF 化学冶金反应产物CaO、SiF 或SiF4 与其它反应产物 MnO、SiO2 及起稀渣作用的TiO2 等浮出熔池进入熔渣，HF 气体对焊缝金属无有害作用并同样起着增加电弧气泡压力的作用。水下焊接氢致裂纹敏感性比陆地焊接要，这是由于水对工件的强烈冷却作用致使低碳钢的焊接热影响区都能发生相变而产生马氏体。 当钢中碳当量超过0. 4 %时，热影响区的维氏硬度可超过400 ，同时焊接过程中如果氢气含量高，一旦焊缝吸氢较多，在焊接热应力和相变应力的作用下容易引起氢致4 裂纹的产生。 可见降低电弧气泡中氢的
12、比例是非常必要的。 3.3 焊条药皮配方的设计 (1) 熔渣渣系的选择 熔渣是焊条在焊接过程中,焊芯、药皮及熔合的母材部分经高温冶金反应所得的覆盖于焊缝表面上的渣壳。 熔渣的性质(氧化、还原能力,流动性、透气性等) 对焊缝金属的保护、焊缝的成形有着直接影响,本试验在介于酸性渣系和碱性渣系之中选取SiO2 - TiO2 - CaF2- CaO 渣系,既可保证有良好的焊接工艺性能,又能有效地降低电弧气泡中氢的危害,按其成分要求选取相应的矿物质和化工产品来配制。 (2) 药皮配方的调试 表2 所列是根据水下湿法焊接的冶金特点调试的10 个配方的试验结果：配方中各物质含量:金红石中TiO2 ：52 %
13、；萤石中CaF2 ：98 %；大理石中CaCO3 ：98 %；低碳锰铁中Mn ：85 %；钛铁中Ti：75 %；硅铁中Si ：45 %；长石中SiO2 ：93 %。 调试的过程是一边进行工艺性能测试：一边进行新配方的配制。所有焊接试验均在模拟水深70100 m 加压容器内进行。 3.3 工艺性能及力学性能试验 用110 号配方在25 t 油压涂料机上生产少量直径4. 0 mm 的焊条并进行如下各项试验。 （1）气孔及成形试验 试验材料为Q235 - C 的6 mm 板材,13 号配方在水下70 m 施焊时,由于无足够的造气材料：电弧气泡难以稳定存在,气孔严重,焊接过程不能顺利进行。410 号配
14、方增加了造气材料并能降低氢的比例,无气孔出现,其中79 号配方成形良好。形貌特征如图2所示。 5 （2）熔敷金属扩散氢含量测定 扩散氢含量是衡量焊条性能的一项主要指标. 本研究对初试性能较好的410 号配方按GB 3965 93 用甘油法对扩散氢含量进行了测定,410 号样的测定结果分别为(mL/ 100g)：15.5 ；16 ；18. 2；7.2；6.7；6.9 ；7.2。 可见：710 号配方符合GB 5117 95 的要求(扩散氢8ml/ 100g) 。图2 410号配方焊缝成形外观 （3）力学性能试验 从工艺性能试验的综合结果来分析：7、8、9 三种配方的焊条各项指标均符合水下焊接的要
15、求。10 号配方虽然扩散氢含量符合要求,但焊缝成形较差故不予采用. 用79 号三种配方所制焊条焊制试板(厚为19 mm 的16Mn 板材) 进行熔敷金属拉力试验及V 型缺口冲击试验. 试验结果如表3。 从表3 得知,79 号焊条力学性能指标完全符合GB 5117 -95对低碳钢及低合金高强度钢的要求,可作为低碳钢及低合金钢水下焊接用焊条。 4 干法水下焊接技术的应用 干法水下焊接是用气体将焊接部位周围的水排除，而潜水焊工处于完全干燥6 或半干燥的条件下进行焊接的方法。进行干法水下焊接时，需要设计和制造复杂的压力舱或工作室。根据压力舱或工作室内压力不同，干法水下焊接又可分为高压干法水下焊接和常压
16、干法水下焊接。 4.1 高压干法水下焊接技术的应用 高压干法水下焊接如图 2 所示。随着海底焊接工程的增多、海底工程深度的加大和对焊接质量要求的提高，高压干法水下焊接以其焊接质量高、接头性能好等优点越来越受到重视。由于湿法水下焊接与局部干法水下焊接，一般只用于几米至几十米水深非重要结构物修复,实际应用水深通常不超过40m，为了适应海洋工程向深海发展的形势，许多国家加大了对高压干法水下焊接技术的研究与应用。 图3 高压干法水下焊接示意图 目前国外用于水下维修作业的，多采用高压轨道 TIG 焊系统进行，较为知名的作业系统有PRS 系统和OTTO 系统。PRS 系统由挪威的Statoil 公司组织开发，该系统设计目标是能从事1000m 水深的焊接，在334m 水深成功地进行了管道焊接，焊缝-30冲击功达到300J，焊缝的显微硬度低于245HV4。该系统迄今为止已经成功完成20 多处水下管道维修任务。英国的OOTO 系统主要由焊接舱和轨道TIG 焊机组成，实验表明，135m 水
