水下焊接与切割技术应用及发展研究.docx

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水下焊接与切割技术应用及发展研究

水下焊接与切割技术应用及发展研究

刘海滨1，陈晓强2

1．青岛市锅炉压力容器检验所，山东青岛266071；

2．海军潜艇学院防险救生系，山东青岛266071）

摘要：

简述了水下焊接与切割的发展及应用情况，以供参考交流。

关键词：

水下焊接；水下切割；发展；应用

水下焊接与切割技术目前已广泛用于海洋工程结构、海底管线、船舶、船坞及港口设施等方面。

近年来，随着海洋事业的发展，水下焊割技术在我国沉船打捞、港口码头、江桥和水库建设中发挥着越来越重要的作用。

1水下焊接

1.1水下湿法焊接

水下湿法焊接最早出现在1917年，英国海军造船所采用水下手工电弧焊对船舶的铆接接缝及铆钉的漏水部分进行焊接止漏。

由于此方法具有设备简单、成本低廉、操作灵活、适应强等优点，逐步在海洋钢结构如海底管道、海洋平台、跨海大桥等工程中得到应用。

目前我国使用的水下湿法焊条主要有两类，即钛钙型和铁粉钛型，主要是上海东亚焊条厂生产的Ts202，华南理工大学等单位开发的TS203和天津焊条厂生产的TsH-1。

最近洛阳船舶材料研究所又研制出Ts208水下焊条（针对Q345），实验证明具有良好的力学性能和工艺性能。

国外水下焊条主要有英国Hydroweld公司开发的HydrowldFs、美国专利的水下焊条7018′s、德国Hanover大学开发的双层自保护药芯焊条等。

水下湿法焊接中除了使用焊条外，还可以使用药芯焊丝作为连接填充材料，如华南理工大学开发的一种药芯焊丝微型排水罩水下焊接方法。

英国TWI与乌克兰巴顿研究所成功开发了一套水下湿法药芯焊丝焊接的送丝机构、控制系统及其焊接工艺。

另德国Hanoer大学实验采用双层保护的自保护药芯焊丝进行湿法水下焊接，药芯焊丝的造渣剂处于双层管状结构的内层，焊渣保护熔滴金属顺利过渡，外层形成气保护。

尽管水下湿法焊接发展较快，但由于水介质及水深的影响，水下焊接重要结构件时还无法使用；大深度水下焊接的质量也无法保证。

1.2水下局部干法焊接

水下局部干法焊接是吸取了湿法和干法焊接的优点而发展起来的水下焊接方法。

由于此方法设备相对简单，适应性广，技术较易掌握，焊接接头较湿法焊接好，能够满足水下较重

要工程结构的焊接，所以越来越为人们所重视，发展较快。

局部干法焊接可分为干箱式焊接、干点式焊接、水帘式干法焊接、钢刷式水下焊接以及局部于法焊接、大型气罩法水下MIG/TIG焊接等。

英国曾将此方法用于北海大陆架挪威海域，修复被冬季风暴破坏的Ekofisk钻井平台两根位于水深7m、直径3500mm的管子，焊后经磁粉探伤，没有发现缺陷。

美国在水深12m处用此法修复采油平台管径406mm。

的立管，焊后经水压试验，符合要求。

在我国，水下空气排水涂料焊条手工电弧焊技术是最早研制的一种局部干法焊接，原上海海难救助打捞局曾应用这种技术在西北某电站14m水深处成功焊接了电站水下结构。

上世纪70年代后期，哈尔滨焊接研究所在原上海海难救助打捞局和天津石油勘探局的协助下，开发了水下局部排水CO2气体保护半自动焊技术，简称LD—CO2焊接法。

此方法具有可见度好。

焊接金属含氢量低、淬硬倾向降低、焊接接头质量好、方便灵活、适应性强、焊接效率高和施工成本低等优点。

使用LD-CO2焊接法，1979年夏在渤海中部13.5m水深处焊接了平台水下钢桩与导管间的连接环焊缝，1989年先后为青岛黄岛油码头、大津港码头以及渤海石油公司的储油轮装焊或更换了大量的牺牲阳极，1995年春在南海北部湾为水深40m钻井平台沉垫上甲板补焊了长2m、宽1m的破损部位。

由于局部干法焊接可达到干法焊接的焊接质量，而且使用设备简单，成本低，操作灵活，是目前水下焊接方向研究的重点，应用前景广泛。

日本最近成功研制了一种机械化的水帘式水下焊接机构，我国华南理工大学成功研制了采用微型排水罩的水下局部干法药芯焊丝焊接设备和工艺。

1.3水下干法焊接

水下干法焊接根据压力舱或工作室内压力的不同，可分为水下高压干法焊接和水下常压干法焊接。

高压水下焊接方法目前常用的有钨极惰性气体保护焊（TIG），手工金属电弧焊（MMA）和熔化极惰性气体保护焊（MIG）、药芯焊丝电弧焊（FCAW）。

在进行深水焊接研究中，又进行了水下等离子弧焊（PAW）和高压的熔化极惰性气体保护焊（MIG），

水下等离子弧焊（PAW）目前还处于实验阶段，大部分资料主要来源于实验室的研究，其中挪威的Sintef和英国的Cranfield大学在这方向正在做着大量的工作。

Cranfield大学与一个专业焊接设备制造商联合开发了一个模块化高压等离子弧焊焊炬，已成功进行了250bar压力下（相当于2500m水深）的焊接实验，取得了良好的效果。

在高压的熔化极惰性气体保护焊（MIG）方向，主要由德国的GKSS、UnlversltatvonBundeswehr（UvB）和英国的Cranfield大学三个机构研究，其中GKSS主要研究栽丝焊接，Cranfield大学主要研究开放电弧、脉冲迁移技术，UvB主要进行基础研究。

另外，挪威Sintef高压焊接中心研制了一套水下高压干法管道维修系统，该系统主要由调整框架、高压焊接舱、海底能量供给和通讯单元、地面控制部分组成。

设计目标是能从事1000m水深的管道，采用全自动的轨道TIG焊机，焊接参数预先设定，焊接全过程由计算机控制完成，焊接接头两边各放一套送丝机构和一架监控相机，这样可以实现管道两面同时对称焊接，焊接方向从上向下，以减少管道的焊接变形。

英国的OTTO系统主要由焊接舱和轨道TIG焊机组成，另外还包括电气控制室、供应室和监控室，整个系统采用光纤传导和计算机进行监控，经过陆上和水下模拟焊接的系列实验，

制定了可行的焊接工艺，取得了较为满意的焊接，并对各种缺陷的出现采取了相应的预防和解决措施。

实验表明，135m水深的焊缝在-10℃冲击功达到180J，断裂强度达到550MPa。

Dag．Espedalen等人对高压干法水下焊接进行了仿真技术研究。

首先利用SolidEdge建立焊接舱和焊接机器人的3D模型，然后再转化为I-grip运动模型，编制合适的控制程序，整个海底管道维修操作过程就演示出来。

在我国，哈尔滨焊接研究所从上世纪80年代起开始研究干法水下焊接，并研制出了HSC-1和HSC-2高压干法水下焊接模拟实验装置。

最近，在国家863重大专项“渤海大油田勘探开发关键技术”中，北京石油化工学院与海洋石油工程股份有限公司成功研制了高压干法水下焊接装置，推动了我国在此领域的新发展。

应用方面，最早报道的美国在1965年墨西哥湾的水下管线施工中，采用高压干法对直径152mm的支线管道与直径406mm的干线管道进行连接。

1978年美国对水深308m的海底管线进行厂连接，并认为这已到达了水下焊接实际应用的最大深度。

陈锦鸿、肖志平采用高压干法焊接修复厂广州市一过河水管，是我国在此方面成功应用的典型事例。

1.4水下其他焊接方法

1.4.1水下螺柱焊

水下螺柱焊接系统最早是英国焊接研究所（TWI）在上世纪80年代中期开发的，在焊接之前，用聚合物环套住螺柱就可以解决海水的冷却问题。

在我国，某船厂对500t下水船排滑行轨道22mm压紧螺栓进行调换工作时，首次采用了水下螺柱焊接工艺。

由于这种方法作业深度较浅，受水的影响较小，而且焊接接头也产生了部分缺陷，焊接工艺参数及防电保护瓷套等对焊接质量的影响也没有完全解决，所以还需很长的时间研究完善。

1.4.2水下爆炸焊接

水下爆炸焊接利用炸药爆炸所产生的冲击力使焊接工件发生碰撞而实现金属材料连接。

水下爆炸焊具有准备工作简单，不需要预热、后热等热处理过程，不需要焊机，操作方便，技术要求不高等优点。

日本很早就进行了水下导管的爆炸焊接和水下爆炸复合板的工作，并在大阪市港湾局的协助下进行了海水的实验。

英国在促进北海油田和气田海底管线铺设时提供资金让国际科研及开发公司（In-tertlonalResearch＆DevelopmentCo．）对水下爆炸焊接进行研究。

在上世纪70年代后期，英国水下管道工程公司（BritishUnderwaterPipelineEngineeringCompany，BUPE）根据与挪威国家石油公司（StatoilofNorway）的合同，研制了一个完整的管道修补系统，其中采用了爆炸焊技术。

1.4.3水下激光焊接

水下局部干法激光焊是一种新兴研究发展的水下焊接方法，目前还处于试验研究阶段，我国清华大学对此进行了研究。

实验研究过程中，选用了304不锈钢作母材，ULC308作为填充焊丝，激光器功率为4kw。

结果表明：

保护气体的流速对焊缝质量影响很大，焊缝金属的抗拉强度不随保护气体流速而变化，塑性则随保护气体流速的降低而下降。

2水下切割技术

2.1氧-可燃气切到

水下氧一可燃气切割的机理是采用气体火焰把钢板预热到燃点温度，然后高速氧气射流喷向已经预热的金属。

氧-可燃气切割所使用的气体主要包括乙炔、碳氢化合物、氢和液体燃料。

1925年，美国海军为了便于海上打捞，使用了氧一氢割炬。

水下氧一可燃气切割可使用不需要发电机或其他电气装置的轻便型携带式设备，避免了触电的危险以及对潜水装备的电解腐蚀。

2．2水下氧弧切割

水下氧一弧切割的原理是在空心电极和切割对象之间产生电弧，并让氧气流通过空心电极吹向电弧加热的工件，工件金属在电弧的高温和喷射氧气流同切割金属产生的放热反应的作用下，加热并氧化燃烧形成切口。

切割可以在水下直接进行，不需要任何保护气体。

我国在1978年打捞“阿波丸”号沉船时，也采用了氧弧切割技术，船体切割总长度约2400m，氧气消耗2600多瓶。

2.3金属-电弧切割

金属-电弧切割技术使用与水下金属电弧焊相同的设备和熔化焊条，同切割件接触而产生电弧高温（可达6000－8000K），加热和熔化金属，使熔化金属从切口中流出从而达到切割金属的目的。

金属一电弧切割法可切割任何金属，对生铁、锰钢、钢及青铜等切割效率高。

其优点是设备简单，造价低，可切割金属的范围广；缺点是切割效率低，割口不整齐，所以这种切割方法不能应用于较大量的切割工作。

2.4水下喷水式熔化极电弧切割法

熔化极电弧切割是利用连续进给的金属丝极与工件间产生的电弧热（部分氧化燃烧热）局部熔化工件，同时借从喷嘴喷出的气流（或水流）的动能排除熔融金属的切割方法。

水下喷水式熔化极切割技术最早由日本在上世纪70年代发明，并在水中进行了实验：

最大切割厚度，碳素钢为30mm，不锈钢为45mm。

我国是在借助日本水喷射熔化极切割原理的基础上，成功研究了深海半自动熔化极水下电弧切割新技术，并在深海20m及60m水深处对20mm的钢板进行了切割实验，切割速度高达20m/h以上。

2.5水下机械切割

水下机械切割的原理与在大气中使用旋转的铣刀、单刃车刀或用砂轮片切割的原理一样，国外已经发展了多种水下机械切割专用设备。

水下机械切割设备有液压系统、气压系统和电动系统。

2005年营救俄海军AS-28小型潜艇时，英国装备有4部摄像机和机械切削装置的“天蝎”深水装置“Scorpio”underwatercraft仅用2h就将困住AS-28小型潜艇的缆索全部割断，艇上7名成员全部获救。

而在打捞“库尔斯克”时，为避免打捞时出现重心偏移，玛姆特公司（MAMMOET）与史密斯（Smith）船运公司采用了液压式链锯作为切割艇首舱的

切割工具。

2.6水射流切割

水射流切割是通过特定的增压装置，使水通过特殊设计的喷嘴时，将一定的机械能转换成水的动能，利用这种高速水射流的动能冲击分割工件。

水射流切割按所用的工作介质分为纯水射流切割和在水中加入各种磨料的加磨料水射流切割两种基本类型。

俄罗斯在打捞“库尔斯克”时，援救工程人员为方便起吊，需要在潜艇的艇体上方开26个供起吊钢缆固定用的孔洞，每个圆孔的直径为700mm，在切割工具的选用上就选择了高压水射流技术。

2.7水下等离子弧切割

水下等离子弧切割是利用高温高速等离子气流加热熔化待切割材料，并借助高速气流或水流把熔化材料排开，直至等离子气流束穿透背面形成切口。

水下等离子弧切割优点是切割速度快，生产效

率高，具有较高的切割质量，热影响区小，切割工件无变形，可切割所有导电材料，而且由于在水下切割，可有效降低噪音、弧光及烟尘的污染，具有较高的环保性。

水下等离子弧切割目前应用水深较浅，在较深的水中应用还有一定的困难。

并且由于切割电压和切割电流均较高，水下操作人员必须注意防护器具的配备，避免出现水下触电的危险。

2．8爆炸切割

爆炸用于水下救捞操作已有很长的历史了，通常将炸药包固定于被割件上产生的割口或撕裂很不规则。

由于聚能炸药的发展，爆炸切割的精度和效率大大地提高了。

如我国西安204所研制的橡皮炸药就具有柔软轻便，使用简单，爆炸切割精度较好等特点。

实际应用聚能炸药切割100mm厚度钢板和直径1.2m具有38mm钢套的混凝土套管曾获得成功。

用聚能炸药切割桩柱，还可以控制桩柱下倒的方向。

我国在打捞“阿波丸”号沉船时，也采用了预制形状的聚能炸药进行船体拆除，取得了理想的效果。

3结语

未来的发展属于海洋，海洋平台、海底管道、海底油库和海底隧道等海洋工程的逐渐增多，也给水下焊接和切割技术的发展带来了契机和空间。

目前水下焊接主要是从水下焊接设备、水下焊接技术的计算机仿真模拟以及水下焊接专家系统等方面人手，着重解决研究过程中出现的问题，努力促进水下焊接技术更快速的发展。

而水下切割技术在大深度切割作业中，也需要从设备器材等方面加以改善，以促进其更广泛的应用。

参考文献：

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机械工业出版社，1982．

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