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海洋工程与水利工程应用的水下焊接方法及特点

2024-02-18 14:08     来源:海洋石油装备与材料     海洋工程
在海洋工程和水利工程中应用的水下焊接方法已经发展到20多种。所有的焊接方法都是在陆上焊接方法的基础上,配合消除水因素影响的不同装置构成。总体上可以分为3类:干法、湿法和局部干法。由于使用不同的防水装置,水下焊接方法也具有不同的特点和应用场合。我国哈尔滨焊接研究所、哈尔滨工业大学、天津大学、北京石油化工学院、山东省科学院等单位对湿法、干法、局部干法进行了研究,并取得了一些成果。

湿法焊接是潜水焊工在水中直接进行焊接操作,不需将水和电弧进行机械隔离。这种方法具有设备简单、适用性强、操作灵活及成本低廉等优点,但由于冷却速度快,气孔、脆化现象严重。常用的方法主要有水下焊条电弧焊和药芯焊丝半自动焊两种。湿法水下焊接的质量主要受水下焊条、水下药芯焊丝等因素的影响和制约,英、美等国已发展了多种高质量的水下焊条,我国也应该加快开发研制高质量水下焊条、水下药芯焊丝。通常湿法焊接的水深不超过100m,目前的努力方向是实现200m甚至更大水深湿法焊接技术的突破。

干法焊接是用气体将焊接部位周围的水排除,使焊工处于无水环境下进行焊接的方法。进行干法焊接时,需使用供气系统和干燥的工作环境,焊接质量好,但设备价格昂贵,该方法一般适用于深水、高质量结构焊接。国内目前在高压干法水下焊接技术的研究上才刚刚起步,还缺乏适合我国的水下焊接作业标准和规范。高压干法水下焊接技术的研究包括焊接工艺、焊接方法、焊接设备等多方面的研究,其中最主要的就是对焊接电弧的研究。对高压气氛中电弧特性的研究是了解高压干法水下焊接过程特点,开发相应的焊接材料和获得良好焊接接头的关键。

目前的高压干法水下焊接通过采用自动化和智能化的技术,实现了焊接过程的自动监控,焊接质量好,效率高。但仍然需要潜水焊工,焊接设备的安装、维护和检测都需要潜水员的辅助,因而实际使用的焊接系统还不能超过650m,而且对潜水焊工的专业和技术要求很高。所以,随着海洋工程向深海的挺进,必须发展智能化的无人焊接机器人。焊接智能控制系统的反馈传感检测技术正在研究之中。由于高压干法水下焊接环境的复杂性和不确定性,如何采用多信息融合技术最终达到对焊接过程的智能监控将成为焊接领域的新课题,接电弧直接影响焊缝成形和接头质量,研究电弧行为非常重要,但目前有关高压电弧的研理论上只是初步的,还不十分完整。因此,要系统地研究高压环境下电弧的物理特征,环境参数特别是压力对电弧行为的影响,包括压力对电弧引燃性能的影响、压力对电弧电压和电弧形状的影响、压力对电弧温度和熔敷效率的影响、压力对电弧稳定性的影响以及压力对焊缝熔透和成形的影响等。研究电弧行为和稳定性的控制规律及基于现代控制理论的控制方法,实现高效自动化焊接生产。

随着海洋石油和天然气工业的发展,我国应加大对高压干法水下焊接技术的研究。研发出适合我国国情的高压干法水下焊接装备,制定出适合我国的高压干法水下焊接工艺规范和标准,进而提升我国在这一领域的地位和影响。

局部干法焊接是把焊接的局部区域产生隔水区进行焊接的方法。与湿法焊接相比,由于消除了水因素影响,焊接接头质量较好。与干法焊接相比,不需要昂贵的排水设备,适应能力强、它综合了湿法和干法两者的优点,是一种比较先进的焊接方法,应用非常广泛。国内的哈尔滨焊接研究所在20世纪70年代后期开发了水下局部排水气体二氧化碳保护焊技术,简称LD-CO2焊接法,并开发了NBS-500型水下半自动焊机。近年来,国内部分单位在水下局部干法焊接技术的研究中取得了突破性进展。但多数情况仍难以保证焊缝的质量,且水深不超过30-40m,将其用于海洋工程的焊接,还需在许多方面开展攻关,甚至还需在方法上有所创新。

目前,水下干法研究的范围仅涉及60m水深,且仅限于GTAW焊接方法,对于更深的水深范围以及其他的焊接方法,国内外都处于探索之中。特别是水深650m是潜水员工作的极限水深,因此,超过650m,必须发展深水下的机器人焊接技术。

从各国海洋开发的前景来看,水下焊接的研究远远不能适应形势发展的需要。由于海洋工程结构及海底管道系统服役条件恶劣,对可靠性、安全性要求很高,且材质一般都采用低合金高强钢,因此,对焊接质量提出了很高的要求。当安装和维修中需采用水下焊接时,如果湿法和局部干法焊接都难以达到相关规程提出的质量要求,只有采用干法焊接,通过进一步完善系统的装备及焊接技术,才有可能达到其质量要求。

随着海洋石油的开采从近海向深海发展,对水下焊接技术的要求越来越高。目前,水下焊接技术的总的发展趋势是:适应更深的水深,提供更高的连接质量,更大程度提高自动化水平,最终发展到无潜水员支持的全自动化操作。

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