水下焊接技术

水下焊接技术 关键词:海洋;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制造、材料选择以及焊接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。 2.1水下焊接方法分类 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 Lg?g , 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， 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，对湿法水下焊接设计最有指导作用的文件是美国焊接学会的AWS (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 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ps 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 + 3[H] = 2CaO + SiF + 3HF 或SiO2 + 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 %;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70,100 m 加压容器内进行。 3.3 工艺性能及力学性能试验 用1,10 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,1,3 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。4,10 号配方增加了造气材料并能降低氢的比例,无气孔出现,其中7,9 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4,10 号配方按GB 3965 —93 用甘油法对扩散氢含量进行了测定,4,10 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:7,10 号配方符合GB 5117 —95 的要求(扩散氢?8ml/ 100g) 。 图2 4—10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7,9 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,7,9 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。 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干法水下焊接。 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245HV[4]。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 水深的焊缝-l0?冲击功达到180J，断裂强度550MPa[5]。该套系统曾在海底连续工作过4 周，累计完成了18 处焊缝，焊接程序和质量获得了挪威劳氏船级社的认证。我国于 2002 年10 月将水下干式高压焊接技术规划为国家863 计划重大专项“渤海大油田勘探开发关键技术”中的一个重要组成部分。该项目由北京石油化工学院负责。目前，已设计并建立了国内第一个高压焊接实验室，设有高压焊接试验舱，可以进行不同压力等级的焊接试验和研究。随后开始按年度计划进行高压焊接工艺实验和工艺评定。 高压干法焊接由美国于1954年首先提出，1966 年开始用于生产，可焊接直径508mm，813mm 及914mm 的海底管线。目前最大实用水深为300m 。 左右。在7 该焊接方法中，气室底部是开口的，通入气压稍大于工作水深压力的气体，把气 室内的水从底部开口处排出，焊接是在干的气室中——————————————————————————————————————————————— 进行的。一般采用焊条电弧焊或惰性气体保护电弧焊等方法进行，是当前水下焊接中质量最好的方法之一，基本上可达到陆上焊缝的水平，但也存在如下三个问: (1) 因为气室往往受到工程结构形状、尺寸和位置的限制，局限性较大，适应性较小，目前仅用于海底管线等形状简单、规则结构的焊接。 (2) 必须配有一套生命维持、湿度调节、监控、照明、安全保障、通信联络等系统。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813mm 管线的焊接装置(MOD-1)价值高达200万美元。 (3)同样存在“压力影响”这个问题。在深水下进行焊接(如几十米到几百米时，随着电弧周围气体压力的增加，焊接电弧特性、冶金特性及焊接工艺特性都要受到不同程度的影响。因此，要认真研究气体压力对焊接过程的影响，才能获得 优质焊缝。 焊接在密封的压力舱中进行，压力舱内的压力与地面的大气压相等，与压力舱外的环境水压无关，如图4 所示。实际上这种焊接方式既不受水深的影响，也不受水的作用，焊接过程和焊接质量与陆上焊接时一样。但常压焊接系统在海洋工程中的应用很少，其主要原因是，焊接舱在结构物或者管道上的密封性和焊接舱内的压力很难保证。巴西石油公司曾与Lockheed 石油公司联合开发的该类作业系统在亚马逊盆地进行了应用。常压干法焊接设备造价比高压干法水下焊接还要昂贵，焊接辅助人员也更多，所以一般只用于深水焊接重要结构。——————————————————————————————————————————————— 此方法的最大优点就是可有效地排除水对焊接过程的影响，其施焊条件完全和陆地焊接时的一样，因此其焊接质量也最有保证。 图4 常压干法水下焊接示意图 8 常压干法水下焊接接的一种特殊情况是在浅海水域使用围堰的方式。波浪、潮汐以及较大的水深变化，使得浅水区域工作环境很不稳定。有些公司通过采用配备梯子的桶性结构将焊接舱连接到水面，形成常压工作环境来解决问题，从而实现常压焊接，如图5所示。该施工环境的压差很小，可以找到有效的密封方法。虽然需要考虑通风和安全程序，但该技术在某些特殊应用中已经被证明是实用的，特别适用于滩涂地区的海洋工程结构的维修。 图 5 围堰焊接示意图 5 局部干法水下焊接 材,ULC308作为填充焊丝, 激光器功率为4 kW。结果表明: 保护气体流速对焊缝质量影响很大, 气体流速低, 焊缝氧的含量达800ug/g气体流速高, 焊缝氧的含量降为80ug/g。焊缝金属的抗拉强度不随保护气体流速而改变, 塑性则随保护气体流速的降低而下降。喷嘴形状对焊接保护环境影响很大, 适当增加喷嘴直径尺寸, 可以获得比较稳定的气流空穴, 从而获得满意的焊接质量。局部干法水下焊接可以获得接近干法的接头质量, 同时由于设备简单, 成本较低, 又具有湿法水下焊接的灵活性, 因此是很有前途的水下焊接方法。目前, 已开发了多种局部干法水下焊接方法, 有的已用于生产。 局部干法种类较多，日本较多采用水帘式及钢刷式，在美、英是——————————————————————————————————————————————— 干点式及气罩式，法国新近发展了一种旋罩式。 5.1 水帘式水下焊接法 由日本首先提出。焊枪结构为两层。高压水射流从焊枪外层呈圆锥形喷出，形成一个挺度高的水帘，阻挡外面的水入侵。焊枪内层通入保护气体，把焊枪正下方的水排开，使保护气体能在水帘内形成一个稳定的局部气相空腔，焊接电弧在其 中不受水的干扰，稳定燃烧。水帘有三个作用:一是形成一个保护气体与外界水隔离的屏蔽;二是利用高速射流的抽吸作用，把焊接区的水抽出去，形成气相空腔;三是把逸出的大气泡破碎成许多小气泡，使气腔内气体压力波动较小，从而保持气腔的稳定性。这种方法的焊接接头强度不低于母材，焊接接头面弯和背弯都可达到6708，焊枪轻便，较灵活，但可见度问题没有解决。保护气体和烟尘将焊接区的水搅得混浊而紊乱，焊工基本处于盲焊状态。另外，喷嘴离焊件表面的距离和倾斜度要求严格，对焊工的操作技术要求较高，再加上钢板对高压水的反射作用，这种方法在焊接搭接接头和角接接头时效果不好，手工焊十分困难，应向自动化方向发展。 5.2 钢刷式水下焊接法 这是日本发展的一种方法，是为了克服水帘式的缺点而研制的。此法是用直0.2mm的不锈钢丝“裙”代替水帘的一种局部排水法，它不仅可进行自动焊，也可进行手工焊。为减小钢丝间的间隙，增加空腔的稳定性，在钢丝裙上加一圈铜丝10 网(100-200目);为避免飞溅粘到钢丝上，在钢丝裙内侧衬上一——————————————————————————————————————————————— 圈直径0.1mm的SiC纤维丝。这种方法曾用于焊修钢桩被海水腐蚀掉的焊缝，水深是1-6m。 5.3 罩式水下焊接法 在焊件上安装一个透明罩，用气体将罩内的水排出，潜水焊工在水中将焊枪从罩的下方伸进罩内的气相区进行焊接，焊工通过罩壁观察焊接情况，这种水下焊接可对不同接头形式的焊缝进行空间位置焊接，多采用熔化极气体保护焊，也可采用钨极氩弧焊及焊条电弧焊。实际应用的最大水深是40m。 这种气罩式局部干法水下焊接属于大型局部干法，焊接质量比小型局部干法高，但灵活性和适应性稍差。另外，焊接时间过长，罩内烟雾变浓，影响潜水焊工视线，应注意排气，始终保持罩内气体清澈，是该法必须解决的问题。 5.4可移动气室式水下焊接法 1968 年由美国首先提出，后由美英跨国公司应用于生产。它具有一个可移动的一端开口的气室，通入的气体既是排水气体又是保护气体。这种方法是通过可移动气室压在焊接部位上，用气体将气室内的水排出，气室内呈气相，电弧在其中燃烧。气室直径只有100-130mm，属于干点式水下焊接法。焊接时，将气室开口端与被焊部位接触，在开口端装有半透密封垫与焊枪柔性密封，焊枪从侧面伸入气室中，排水气体将水排出后，便可借助气室中的照明灯看清坡口位置，而后引弧焊接，焊一段，移动一段气室，直至焊完整条焊缝。该法可进行全位置焊接。由于气室内的气相区较稳定，电弧较稳定，焊接质量较好 ——————————————————————————————————————————————— 接头强度不低于母材， 焊缝无夹渣、气孔、咬肉等缺陷，焊接区硬度也较低。焊接接头性能满足美国石油学会规程的要求，并在最大水深30-40m中应用。但这种水下焊接法也存在一些不足之处: (1)不能很好地排除焊接烟雾的影响。 (2)气室与潜水面罩之间仍有一层水，在清水中对可见度影响不太大，但在浑水中可见度问题仍未得到解决。 (3)焊枪与气室是柔性连接，焊一段，停一次弧，移动一次气室，焊缝不连续，焊道接头处易产生缺陷。综上所述，合理采用局部排水措施可有效解决水下焊接的三个主要技术关键，从而能提高电弧的稳定性，改善焊缝成形，减少焊接缺陷，在水深不超过30-40m的情况下，可以获得性能良好的焊接接头，局部干法水下焊接是很有前途的水下焊接方法。但是目前提出的几种小型局部干法水下焊接方法，除了干点式已初步在实际中应用外，其它尚处于试验阶段。 最早的报道是1971 年Humble石油公司对墨西哥湾钻采平台的水下焊接修理工作。1958 年产生了第一批经过认可的潜水焊工，并制定了水深小于100m 的水下湿法焊 接工艺。1987年水下湿法焊接技术还在核电厂不锈钢管道的修理工作中得到 11 影响水下焊接质量的主要因素是焊接水深、相应的环境压力及潮湿而恶劣的工作环境。湿法焊接的质量难以保证，受环境、水压影响较大，并且需要在焊条研制上进一步努力，短期内难以突破。局部干法水下焊接是一个比较有发展前途的焊接方法，这种方法简单易行，——————————————————————————————————————————————— 用较少的投资就能较快地获得经济上的收益，但由于水深不宜超过30-40m,故其发展应用还很有限，需研究新的方法来突破水深的限制。目前优质的焊接方法，实际上只有干法水下焊接方法，但干法尤其是高压水下焊接方法的装备复杂，施工时间长，辅助人员多，施工成本高。而且水下焊接工作室的尺寸可能受到施工周围环境的限制和风暴、海浪的影响。 可见，目前使用较多的水下焊接方法都有局限性，其焊接质量还要受工作环境和水深等条件的限制。 但是，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。因此，加强这方面的研究，无论是现在或将来，都将是一项非常有意义的工作。 水下湿法焊接质量还难以保证，提高水下湿法焊接质量是研究的重点，英、美等国已发展了多种高质量的水下焊条。通常水下湿法焊接的水深不超过100m，目前的努力方向是，实现200m水深湿法焊接技术的突破。基于先进技术，对焊接过程进行监控的研究已经取得某些进展，主要体现在水下干法和局部干法焊接中的自动化、智能化。自动化的轨道焊接系统和水下焊接机器人系统，焊接过程自动监控，焊接质量好，节省工时，而且减轻潜水员的工作强度是目前的发展方向。采用自动化遥控焊接，可以突破潜水焊工所能达到的水深限制。轨道焊接系统采用模块结构，维护简单。但轨道焊接受安装和维护的限制，水深不超过600m。最近快速发展的水下焊接机器人系统具有更大的灵活性，在高压干法焊接下，可进行GTWA、GMAW 及FCAW ——————————————————————————————————————————————— 焊接，在水深1100m 仍能得到满意的焊接质量。水下爬壁焊接机器人系统在激光装置的引导下可更加灵活地实现焊缝和缺陷的检测与控制，并有利于焊接质量的提高。由于水深的影响，送丝系统是水下焊接的一个难点，一种新型高可靠性的水下翻转和送丝反馈系统已经得到应用。总的来说，目前的水下焊接机器人系统还存在许多问题，其灵活性、体积、作业环境、检测和监控技术以及可靠性等还有待于进一步发展和提高。 12 参考文献: 2 史耀武，张新平，雷永平(《严酷条件下的焊接技术》(北京:机械工业出版社(1999( 3 胡定强，海军舰船维修研究所南海研究室 。海军4801厂，林如明。《低碳钢水下焊焊条的研究与应用》。 4 续守成，贝全荣，《水下焊接与切割技术》[M]，北京:海洋出版社， 1986. 5 陈锦鸿 肖志平，《水下干式高压焊接在海(河) 底管线维修中的应用》 6 王中辉、蒋力培、焦白东、周灿丰、陈家庆。《高压干法水下焊接装备与技术的发展》，Electric Welding Machine 第35卷第十期，2005年10月。 9 周灿丰，焦向东，陈家庆等(海洋工程深水焊接新技术(焊接，2006(4):11-15( 10 沈晓勤(湿法深水焊条的研制(焊接，2000(10):19,23( ———————————————————————————————————————————————