海洋結(jié)構(gòu)物水下焊接修復技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1、KJ此京/&蝕化工骨欲jerijgyBEUIMGINSTTLJTEQF PETROCHEM1QA. TECINOLQGY海洋結(jié)構(gòu)物水下焊接維修技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀學生姓名：王紀兵課程名稱：機械工程學科前沿講座學院：機械工程學院班級： 機研14導 師：焦向東2015年7月海洋結(jié)構(gòu)物水下焊接維修技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀摘要：本文針對水下焊接面臨的主要問題，并結(jié)合不同焊接工藝方法所適應的水深環(huán)境，介紹了水下濕法 焊接、局部干法水下焊接、干法水下焊接等水下焊接修復技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。簡單介紹了具有應用 前景的水下摩擦焊接方法和水下激光焊接等水下焊接修復新技術(shù)。關(guān)鍵詞：水下焊接水下濕法焊接水下局部干法焊接水下干法焊接摩

2、擦焊接激光焊接Current situation of the development of underwater weldingrepair technology of Marine structuresAbstract： This article in view of the underwater welding major problems and according to different welding methods for the depth of the water environment, introduces the development present situati

3、on of underwater welding repair technology such as underwater wet welding, local dry underwater welding, dry underwater welding at home and abroad. Underwater friction welding method with the prospect of application and underwater laser welding, etc.new technology of underwater welding repair are in

4、troduced.Key words： Underwater welding Underwater wet welding Local dry underwater welding Hyperbaric underwater welding Friction welding Laser welding0前言21世紀是海洋的世紀，加快發(fā)展海洋工程技 術(shù)對我國發(fā)展有重大的戰(zhàn)略意義。隨著人們對海 洋認識的深入以及國民經(jīng)濟的高速發(fā)展、戰(zhàn)略能 源的迫切需求，海洋資源的開發(fā)利用得到了長足 的發(fā)展，尤其是隨著海上石油天然氣的開采技術(shù) 及裝備的發(fā)展，海洋工程也由淺海向深海不斷地 推進，人類在海洋里的活動日益頻

5、繁，建造的海 洋結(jié)構(gòu)物逐年增加，然而在安裝和長期運行過程 中也難免會出現(xiàn)損壞，這種損壞不但會造成經(jīng)濟 損失，同時可能會造成嚴重的環(huán)境災難，一般都 要求盡快實施修復。因此水下焊接技術(shù)作為組裝、 維修諸如采油平臺、輸油管線以及海底倉等大型 海洋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也取得到了飛速發(fā)展。隨著水下焊接工作量日益增加，其需求也日 趨迫切。由于海洋結(jié)構(gòu)物的形狀、尺寸、所處水 深及結(jié)構(gòu)所受載荷性質(zhì)的差異，對焊接質(zhì)量的要 求也有所不同，因此在考慮經(jīng)濟與安全因素時所 采用的焊接方法也有所不同。因此，必須及早關(guān) 注和研究能夠用于海洋石油工程的水下焊接方 法、裝備及系統(tǒng)配套技術(shù)，了解國內(nèi)外水下焊接 的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨

6、勢，著手規(guī)劃當前及今后一 段時間內(nèi)針對工程應用需開展的技術(shù)開發(fā)工作內(nèi) 容，這對于推進我國海洋工程的發(fā)展，具有十分 重要的意義。水下焊接面臨的基本問題1.1水下焊接的可見性差在水下，由于水對光線的吸收、反射、折射 等作用，致使水中的能見度比空氣中差很多；在焊 接過程中，焊材燃燒產(chǎn)生的大量保護氣體和煙霧 也使操作者對焊接過程難以做到精確的把握；此 外，在海底有大量海藻和淤泥的情況時，更使焊 接過程的可見性降低。因此，在水下焊接過程中， 由于水下可見性差，操作者對焊接熔池、焊縫的 成型及焊接的弧光很難做到精確把握，致使整個 焊接過程基本屬于“盲焊”，造成焊縫缺陷較多、 焊接接頭質(zhì)量差。1.2水環(huán)境對

7、焊縫的影響在水下焊接，電弧的高溫燃燒極易使焊材周 圍的水分解，產(chǎn)生大量的氫氣和氧氣，致使焊縫 中的氫含量過高，產(chǎn)生大量裂紋。一般水下接焊 縫中的氫含量可達3040 mL/100 g，最高可達 6070 mL/100 g,比陸上焊接高幾倍1。1.3水對焊件冷卻速度的影響在水下焊接，由于水具有高傳導熱系數(shù)，致 使焊件的熱影響區(qū)和焊縫急速冷卻，產(chǎn)生大量的 淬硬組織，使工件的韌性變差，壽命降低。1.4水壓的影響在水下，隨著深度的增加，水壓會隨之增大， 致使焊接電弧弧柱變細，焊道變窄，焊縫高度增 加，同時導電介質(zhì)密度增加，從而增加了電離難 度，電弧電壓隨之升高，電弧穩(wěn)定性降低，飛濺 和煙塵也增多。因此，

8、壓力增加時對焊接過程的 工藝特性、焊縫性能以及焊縫的化學成分等都會 產(chǎn)生不利的影響。1.5焊接的連續(xù)性差由于水下的特殊環(huán)境，焊接操作的不便性， 焊接過程很難連續(xù)操作。水下焊接技術(shù)分類由于海洋結(jié)構(gòu)物工作性質(zhì)的差異，所處海洋 環(huán)境不同以及結(jié)構(gòu)形式多樣，因此水下焊接形式 也多種多樣，如圖1所示2】。到目前為止，已研究 和應用的水下焊接方法達20多種。基本的技術(shù)發(fā) 展方向均是:適應更大的水深,提供更高的連接質(zhì) 量，更大程度地提高自動化作業(yè)水平甚至發(fā)展到無 潛水員支持的全自動化作業(yè)。水下焊接技術(shù)的最新進展3.1濕法水下焊接這種方法不采取特殊的排水措施，焊接直接在 水中進行。最常用的方法為焊條電弧焊和藥芯

9、焊 絲電弧焊。此類方法操作方便、靈活，設(shè)備簡單，施工造價 較低，故應用較廣，但焊接缺陷多，焊接質(zhì)量較差， 因而這種方法不能用于焊接重要的海工程結(jié)構(gòu)。 一般只用于水深W 100m的海岸工程非重要結(jié)構(gòu) 物的維修。在焊條方面，比較先進的有英國Hydroweld 公司開發(fā)的Hydroweld FS水下焊條、美國專利的 水下焊條7018S焊條及德國Hanover大學基于渣 氣聯(lián)合保護對熔滴過渡的影響和保護機理所開發(fā) 的雙層自保護藥芯焊條。美國的Stephen Liu等人 在焊條藥皮中加入Mn、Ti、B和稀土元素，改善 了焊接過程中的焊接性能，細化了焊縫微觀組織， 一定程度上提高了水下焊接的質(zhì)量3,18】

10、。我國在焊 條研制方面也有一定的進展，現(xiàn)在的主要產(chǎn)品有 TSH-1、TS202、TS203、TS208。其中 TS208 焊條 具有優(yōu)良的防水性能和絕緣性能，焊縫成形優(yōu)良， 電弧穩(wěn)定，并具有良好的力學性能，抗拉強度大 于530MPa，已用于重要橋梁等海洋設(shè)施的水下焊 接。表1、表2列出了 TS208焊條的熔敷金屬力 學性能和對接接頭性能（實驗用母材為Q345鋼）， 并與英國某知名品牌水下焊條進行比較。表1 TS208焊條和國外焊接熔覆金屬力學性能4焊條O 02/MPaO b/MPa6 /%叩/%TS20847057017.030.0國外焊條46554017.532.0表2 TS208焊條對接接

11、頭性能4板拉伸冷彎O 02/MPa斷裂位置d=6a，彎曲角度20評定540母材無裂紋合格545焊縫無裂紋合格藥芯焊絲方法是近年來開發(fā)的一種新的水下 焊接方法。由英國TWI與烏克蘭巴頓研究所合作 完成了一套水下濕法藥芯焊絲焊接的送絲機構(gòu)、 控制系統(tǒng)及其焊接工藝。藥芯焊絲其金屬與焊藥 的配合在熱量上更為有效，并且加進的焊藥能有 效地改善電弧電離條件和促進金屬過渡的穩(wěn)定， 用于深水中焊接，其優(yōu)點更突出。我國華南理工 大學劉桑、鐘繼光等人開發(fā)了一種藥芯焊絲微型 排水罩水下焊接方法，使用該方法得到的焊縫成 形美觀，性能良好5】。我國葉建雄等人也相繼研究 了旋轉(zhuǎn)電弧水下藥芯焊絲電弧焊的智能化焊接系 統(tǒng)，并

12、取得了良好的效果。該方法促使水下焊接 向自動化方向發(fā)展，大大提高了焊接效率，降低 焊接成本I67】。3.2局部干法水下焊接局部干法焊接是用氣體把要進行焊接的局部 區(qū)域的水人為地排開，形成一個較小的氣相區(qū)，使 電弧在其中穩(wěn)定燃燒的焊接法。局部干法水下焊 接的種類很多，包括干箱式焊接、干點式焊接、 水簾式干法焊接、鋼刷式水下焊接以及局部干法 大型氣罩法水下MIG/TIG焊接等。其中已經(jīng)在生 產(chǎn)中應用的焊接方法有氣罩式水下焊接法、水簾 式水下焊接法和可移動氣室式水下焊接法。國外發(fā)展狀況：美國1968年首先提出可移 動氣室式水下焊接概念的，可移動氣室式水下焊 接有1個可以移動的一段開口的氣室，通入的氣

13、 體既是排水氣體又是保護氣體，用氣體將氣室內(nèi) 的水排出，氣室內(nèi)呈氣相，電弧在其中燃燒。1973 年開始在生產(chǎn)中應用，該方法的氣室直徑較小， 只有100130 mm；日本首先提出水簾式水下焊 接法由，焊槍結(jié)構(gòu)為兩層。高壓水射流從焊槍外 層呈圓錐形噴出，形成一個挺度高的水簾，阻擋 外面的水入侵。焊槍內(nèi)層通入保護氣體，把焊槍 正下方的水排開，使保護氣體能在水簾內(nèi)形成一 個穩(wěn)定的局部氣相空腔，焊接電弧在其中不受水 的干擾，穩(wěn)定燃燒屬于較小范圍的局部干法，為 解決可見度問題，又相繼提出了鋼刷式局部干法 水下焊接，施焊時可采用自動焊，也可采用半自 動焊。國內(nèi)進展：我國哈爾濱焊接研究所研制成功 了 LD-C

14、Q焊接方法，并開發(fā)了配套的NBS-500型 水下半自動焊機，在國內(nèi)進行了多成功施焊，焊 接接頭的質(zhì)量可以滿足國際上常用的 API 1104 規(guī)程的要求；張旭東等人對水下局部干法激光焊 接進行了研究，使激光焊接成功應用于水下焊接; 北京石油化工學院能源工程連接技術(shù)研究中心與 上海核工程研究設(shè)計院合作，共同研制了一套局 部干法自動水下焊接試驗系統(tǒng)，并利用該試驗裝 置進行了模擬5m和15m水深條件下的局部干法 自動焊接；海洋石油工程股份有限公司與天津大 學合作，共同研制了一套基于固定式排水罩的水 下局部干法半自動GMAW焊接系統(tǒng)，采用壓力 艙試驗模擬開發(fā)了水深60m的海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼 的焊接工藝，并

15、成功在渤海海域進行水深10 m和 22 m條件下的海試。局部干法水下焊接由于焊接局部區(qū)域排除了 水的干擾，改善了焊接接頭質(zhì)量且不需要大型焊接 艙，設(shè)備簡單，成本較低，又具有濕法焊接的靈 活性，適應性明顯增大，因此是很有應用前景的 水下焊接方法。3.3干法水下焊接干法水下焊接是用氣體將焊接部位周圍的水 排除，使焊接過程在干燥或半干燥的條件下進行。 進行干法水下焊接時，需要設(shè)計和制造復雜的壓力 艙或工作室。根據(jù)壓力艙或工作室內(nèi)的壓力不同， 干法水下焊接又可分為高壓干法水下焊接和常壓 干法水下焊接。3.3.1高壓干法水下焊接該焊接方法采用高壓干式氣室，氣室底部是開 口的，通入氣壓稍大于工作水深壓力的

16、氣體，把 氣室內(nèi)的水從底部開口處排出，焊接是在干的氣 室中進行的。該方法完全排除了水對焊接的影響， 是當前水下焊接方法中焊接質(zhì)量最好的方法之 一，基本上可達到陸上焊縫的水平，目前最大實 用水深為360 m。高壓干法水下焊接由于氣室往往受到工程結(jié) 構(gòu)形狀、尺寸和位置的限制，有一定的局限性，適 應范圍有限，目前僅用于海底管線等規(guī)則焊縫的 焊接。氣室必須配有一套生命維持、濕度調(diào)節(jié)、 監(jiān)控、照明、安全保障、通信聯(lián)絡(luò)等系統(tǒng)，故其 輔助工作時間長，水面支持隊伍龐大，施工成本 較高。同時還存在“壓力影響”這個問題，在深 水下進行焊接（如幾十米到幾百米）時，隨著電 弧周圍氣體壓力的增加，焊接電弧特性、冶金特

17、性及焊接工藝特性都要受到不同程度的影響。而 且焊接質(zhì)量及工藝方法還受艙內(nèi)氣體成分的限 制。國內(nèi)外大部分高壓焊接試驗艙大多采用Ar氣、 He氣或者混合氣體，北京石油化工學院開展了高 壓空氣環(huán)境下的TIG、MIG焊以及激光復合焊接工 藝的研究，取得了良好成果。理論上陸上使用的各種焊接方法均可以應用 于高壓焊接，但是不同的焊接方法適應的壓力范 圍不同。根據(jù)目前的研究表明TIG焊適于用在水 深500m以下，500m甚至1000m以上的焊接可以 選擇MIG焊接和等離子焊接。Cranfield University 的研究人員利用高壓焊接試驗裝置HyperWeld250, 采用連續(xù)送絲、脈沖電流工藝，實現(xiàn)

18、了 250bar壓力 即相當于2500m水深條件之下的MIG焊接,并且對 焊接電弧、熔滴過渡、焊接熔池等進行了深入研 究8。目前高壓干法水下焊接模擬研究進展比較 大。國外進展：挪威SINTE-Simweld試驗裝置其壓 力艙的設(shè)計壓力為10 MPa，相當于海深1 000 m 處的壓力；英國Cranfield大學Hyperweld250 Simulator試驗裝置能模擬2500m水深的艙內(nèi)無 人高壓干法水下焊接，提供了一種在的水深 2500m范圍內(nèi)可行的連接方式，能在無人情況下 對深水管道和支架進行條狀焊縫的修補，并能保 證深水管道熱渣連接的密封性能回；蘇格蘭NHC 的艙內(nèi)載人高壓焊接研究模擬試

19、驗裝置；德國 GKSS中心的試驗裝置對6001100 m水深處藥 芯焊絲弧焊的短路過渡行為、電源輸出功率大小 和梯度對熔滴過渡的影響、熔池反應機理、氧吸 附的影響因素和保護氣體的選擇等進行了研究， 該研究成果已應用于設(shè)計高壓焊接艙，取得了令 人滿意的結(jié)果。在國內(nèi)，哈爾濱焊接研究所研制 了 HSC-1和HSC-2試驗裝置；北京石油化工學院 建立了目前國內(nèi)最大的高壓焊接試驗裝置試驗艙 設(shè)計壓力1.5 MPa，并且對高壓空氣下脈沖TIG、 MIG焊工藝參數(shù)進行了研究，獲得良好的成果10】。陳錦鴻等人采用高壓干法焊接修復了廣州市 一過河水管，維修水深15m，水管直徑為630 mm， 壁厚8 mm，使我

20、國的水下焊接技術(shù)獲得了新的發(fā) 展口】。3.3.2常壓干法水下焊接常壓干法水下焊接技術(shù)是指在深水區(qū)域內(nèi)焊 工仍能與陸地上一樣，在特制的一個大氣壓的干 式氣室里進行焊接如圖2所示。焊接的最大優(yōu)點 是可以有效地消除水對焊接質(zhì)量的影響，焊接條 件幾乎和陸地一樣，焊接質(zhì)量達到最好，但焊接 設(shè)備復雜，提供保障的人員更多、施工的費用更 高，比高壓干焊法更復雜，且焊接接頭的形式也 有局限性，一般只能用于管線接頭的焊接，所以 還不能廣泛應用。1-浮箱；2-常壓艙；3-液壓測力計；4-裝配塞；5-新管；6調(diào)整短管；7-密封卡環(huán)圖2常壓焊接原理示意圖6國外進展：1977年，法國LPS公司首先采用 這種方法在北海水深

21、150m處成功地焊接了直徑 426mm的海底管線。2005美國TDS公司研制了能 在600 m深水下進行常壓干法水下焊接裝置，用 于焊接管徑900 mm、壁厚32 mm的管道3】。目前 國內(nèi)還沒有常壓干法水下焊接的設(shè)備12】。此外還有兩種特殊情況的常壓干法水下修復 技術(shù)：一種是將結(jié)構(gòu)物主要是管道提升出水面，在 水上焊接，焊接完畢再下放到海底；另一種是修筑 圍繞結(jié)構(gòu)物待修部位，連接到水面的圍堰，在干式 圍堰內(nèi)焊接10】。提升修復和圍堰焊接只能應用于 某些特殊場合，而且通常只能應用于淺水區(qū)域。 2011年5月，中國石油天然氣管道局維搶修分公司 在大亞灣利用圍堰方式，完成了淺海海底管道維搶 修封堵改

22、線施工。3.4其他水下焊接技術(shù)3.4.1水下固相連接技術(shù)摩擦焊接與電弧焊接比較，因為接頭性能優(yōu)異 且高效、低耗、清潔、高精度而具有突出的優(yōu)勢, 已經(jīng)成為當前發(fā)展最為迅速的焊接技術(shù)。對于水 下應用而言摩擦焊接容易實現(xiàn)水下機器人的自動 焊接，保證安全和減少費用，盡可能地淘汰人工 潛水操作。摩擦焊接質(zhì)量對于水深不敏感,不同水 深焊接參數(shù)幾乎沒有變化，這是電弧焊接難以比擬 的巨大技術(shù)優(yōu)勢，所以摩擦焊接成為當前海洋結(jié)構(gòu) 物水下修復的熱門研究領(lǐng)域。摩擦焊接方法種類 很多，其中應用較多的有摩擦螺柱焊(Friction Stud welding)、攪拌摩擦焊接(Friction Stir welding)、摩

23、 擦疊焊(Friction Stitch welding)、徑向摩擦焊接 (Radial Friction Welding)。摩擦螺柱焊(Friction Stud welding)在 ROV(Remotely Operated Vehicle)支持下已經(jīng)成功 地應用于深水陽極修復等眾多場合。英國Circle Technical Services Ltd.公司采用該技術(shù)實施的成功 案例最多。北京石油化工學院能源工程先進連接 技術(shù)研究中心自主提出結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計制造了摩 擦螺柱焊機，使得進行連接機理的相關(guān)研究具備 了一定的硬件基礎(chǔ)，并進行了初步的水下摩擦螺 柱焊接研究13。摩擦疊焊是TWI于199

24、2年發(fā)明的以海洋平 臺、海底管道修復為主要目的的固相焊接技術(shù)，將 一系列錐形螺柱塞入一系列相應的錐形預鉆焊孔 之中,從而疊合搭接“縫合”(Stitch)出來完整焊縫 進行裂紋修復，其基本單元過程稱為FHPP(Friction Hydro Pillar Processing)，其基本原理見圖 3。圖3摩擦疊焊單元過程與完整焊縫形成1997年6月-2000年5月,由德國GKSS研究 中心、英國國家高壓焊研究中心 (NHC)、英國 CireleTechniealService公司、英國 StoltOffshoreLtd.、 瑞典NEOSRoboties等7家單位組成的項目組，研制 開發(fā)了一套基于電動

25、機器人和摩擦疊焊摩擦頭的 無人操作鋼結(jié)構(gòu)水下裂紋修復系統(tǒng)。1998年12 月-2001 年 8 月，由 Stolt Offshore Ltd.、NHC、GKSS 聯(lián)合開發(fā)了歐盟THERMIE Stitchpipe深水油氣管道 修復用的摩擦疊焊系統(tǒng)樣機。2006年北京石油化工學院與中國攪拌摩擦焊 中心合作，結(jié)合水下修復環(huán)境要求，成功開發(fā)出了 中國首臺水下摩擦疊焊設(shè)備，主要用于鋼板、鋼管 等材料的焊接;可實現(xiàn)厚度10-25mm鋼板對接及 管徑W200mm管道焊接網(wǎng)。機器人技術(shù)是摩擦焊接新技術(shù)應用的重要條 件，對于深水修復，因為潛水員飽和潛水深度的 限制，所以必須采用的水下遙控機器人ROV進行 作業(yè)

26、。攪拌摩擦焊是一種機械摩擦生熱連接方法， 攪拌頭承受巨大的載荷，鋼材的連接尤其如此，要 求機器人有很大的剛度，而傳統(tǒng)的機器人是不能 滿足要求的，并聯(lián)機器人發(fā)揮了重要作用15。3.4.2激光焊接與爆炸焊接激光焊接能量便于長距離傳輸至待焊部位且 易于控制，焊接系統(tǒng)可以簡化和集中，因此激光 水下焊接技術(shù)已成為核電廠遠程處理的最佳工具 之一，激光焊接已經(jīng)成功地應用于30m水深核反 應堆裂紋的濕式修復陽20，因此在海洋工程水下 焊接中也有著重要的應有前景。爆炸焊接是一種 鍛壓焊接技術(shù)，雖然在20世紀70年代曾經(jīng)用于水 下連接，但是后來沒有繼續(xù)發(fā)展，其主要原因是 對于安全性的擔心【17】。總結(jié)由于水下濕法

27、焊接的質(zhì)量難以保證，因此 新型焊接材料的研究受到人們的重視。隨著高質(zhì) 量的水下焊條和藥芯焊絲不斷研發(fā)，水下濕法焊 接質(zhì)量逐步提高且應用的水深增加，水下濕法焊 接的優(yōu)勢可以得到進一步的發(fā)揮。局部干法水下焊接是一個比較有發(fā)展前 途的焊接方法，這種方法簡單易行，用較少的投 資就能較快地獲得經(jīng)濟上的收益，但多數(shù)方法仍 難以保證焊縫的質(zhì)量，且水深不超過3040m,將其 用于海洋工程的焊接，還需在許多方面開展攻關(guān)， 甚至還需在方法上有所創(chuàng)新。目前的高壓干法水下焊接仍然需要潛水 焊工的輔助，因而實際應用的焊接系統(tǒng)的水深還 不能超過650m。要實現(xiàn)水下焊接技術(shù)在更深的海 域應用，必須發(fā)展智能化的無人焊接機器人

28、。激光焊、電阻焊、摩擦焊和爆炸焊等先進 的水下焊接方法獲得了廣泛的研究，尤其是水下 摩擦焊接與機器人技術(shù)的結(jié)合，使得水下焊接修 復技術(shù)得到了極大的發(fā)展。參考文獻吳 磊,宋紅偉.水下焊接技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J. 管道技術(shù)與設(shè)備，2012,2:37-39.周燦豐，焦向東，陳家慶，等.海洋工程水下連接新 技術(shù)J.北石油化工學院學報,2006,14(3):22-25.朱加雷，俞建榮，焦向東，等.水下焊接技術(shù)研究和 應用的進展J.2005,34 (4)： 1-3.吳倫發(fā)，王君民，鄭曉光，等.低合金鋼用濕法水下 焊條的研制及應用J.熱加工工藝，2006, 35(11)： 65-67.劉桑鐘，繼光王，國榮.水下焊接技術(shù)研究與應用的 新進展J.中國修船，2000( 3) : 12 -14.周利,劉一搏，郭寧，等.水下焊接技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn) 狀J.電焊機，2012,42 (11)： 6-10.葉建雄，張華.旋轉(zhuǎn)電弧水下藥芯焊絲電弧焊的智能 化焊接系統(tǒng)J.焊接學報，2008,29 (3)： 141-145.Amin S. Azara, Neil Woodwardb, Hans FostervolIc.Sta