高压焊接实验舱管路系统设计文献综述

北京石油化工学院
本科毕业设计（论文）开题报告
题目名称: 高压焊接实验舱管路系统设计题目类型: 设计类
学生姓名：罗佳伟
专业：油气储运工程
学院：机械工程学院
年级：储071
指导教师：王中辉
2011年3月3日
一、选题背景、研究意义及文献综述
1、选题背景
当前，致力于海洋开发的国家或大公司都建有水下焊接模拟实验装置，在模拟实验装置中还可以进行焊接工艺评定实验。

为此，要研究适用于高压干水法下焊接的模拟实验系统，该模拟试验系统包括高压焊接实验舱、管路系统、监控系统、焊接系统等，本课题主要研究高压焊接实验舱的管路系统即氩气的回路系统包括（进气系统和回收系统）。

在设计回路系统时要进行管路系统的设计计算，压缩机、管件、仪表等的选型。

本课题来源于北京市教委项目“1500米水深高压焊接实验舱设计研究”，课题研究符合北京石油化工学院“能源工程先进连接技术北京高等学校工程研究中心”的发展方向，课题的成功实施为研究水下焊接技术打下基础。

2、研究意义
提出一套完整的管路系统设计计算方法，包括管径管道压降计算和管道选型、压缩机选型、阀门的选用和安装设计及其管道的布置设计。

为高压焊接实验舱氩气的回路系统设计提供依据。

此项目研究成果对于高压焊接实验舱的具体使用具有重要的理论意义和实际应用价值。

依据所设计的国内唯一一套全尺寸的高压干法模拟试验舱，可以进行1500米水深环境MIG焊、等离子弧焊工艺试验。

可为海底管道维修提供焊接工艺参数。

使我校在水下管道维修领域占有一席之地，在能源先进连接技术领域处于国内(国际)领先水平。

3、文献综述
前言
首先介绍了水下焊接技术的发展史，包括水下焊接的分类和水下焊接的发展历程。

接下来介绍了国内外高压干水法下焊接模拟实验装置（高压管路焊接实验舱）的发展现状，重点论述了为高压焊接试验舱、高压环境气体调配储罐以及焊接保护气吹送配备完整的供气系统。

包括高压焊接试验舱设计方案即首先在环境气体调配储罐内将压缩空气和氩气按照适当比例混合、并达到要求的压力级别，然后将该气体充入高压焊接试验舱内，焊接试验需要吹送的氩气由独立的气路提供，焊接过程中的压力稳定通过高压焊接试验舱上的溢气阀实现，试验完毕的气体通过氩气压缩机回收到环境气体调配储罐以供循环使用。

指出了高压干水法水下焊接技术的发展方向及我国研究高压干水法下焊接技术的必要性。

主题
1 水下焊接技术的发展史
1.1水下焊接的分类
水下焊接技术一本分为三大类：湿式焊接法、局部干式焊接法和干式焊
接法。

其中干式焊接法又包括高压干式水下焊接法和常压干式水下焊接法。

局部干式焊接法包括排水罩式焊接法、高压水帘式焊接法、钢刷式焊接法、移动气箱式焊接法和等离子弧MIG局部干式焊接法等。

湿式焊接指不采取任何挡水或排开水的技术措施，潜水焊工在水中对于浸泡于水中的工件进行直接焊接。

这种方法虽然要求设备简单、适用性比较强和成本较低，但是这种方法对焊工的素质要求和对焊接材料的特殊性要求较高。

所以现在可以采用水下等离子弧焊进行水下湿法焊接，由机器人代替真人的焊接工。

局部干式焊接法的特点是潜水焊工及待焊工件均处于水中，采用排水罩罩在焊接区域的方案。

干式焊接是将焊接部位的水排除，潜水焊工处于全干燥或半干燥的条件下焊接。

着重介绍一下高压干式水下焊接法，即采用高压气体，充满罩在焊接部位的气室内。

这是气室内的水被高压气体作用而由气室底部的排水孔排出，从而形成一个“无水”的小空间，因此焊接的环境为高压环境下，本次研究即为1500米水深高压焊接实验舱设计研究，采取氩气的惰性气保焊。

课题主要研究内容为高压焊接实验舱的管路系统设计包括氩气的供气和回收系统。

1.2水下高压焊接的发展历程
1954年美国首先提出了高压干式水下焊接法，并在1966年正式用于海底管道的修复。

上世纪70年代中期，无人高压焊接研究装置开发成功。

而在上世纪90年代，德国、挪威、美国、英国都开始了此类研究并建立了无人高压焊接研究中心。

由于上世纪90年代开始石油公司作业已经进入更深的水域，第一个开始的巴西国家石油公司在亚马逊盆地的作业水深达到1000米。

在我国2002年的国家“863”计划中就有了关于水下高压干法焊接技术的研究项目。

由中国海洋石油工程公司、北京石油化工学院、中国石油大学、上海交通大学、哈尔滨工程大学联合研发设计的最大焊接水深60m。

随着世界海洋技术的发展以及对海洋资源的开发，水下焊接技术重要日益提高。

随人类涉足水深的不断增加，人类身体因素的影响存在潜水极限。

所以未来的水下焊接技术的发展方向就是高自动化，高压力和高质量，主要采用干法和局部干式焊接，由高性能的遥控水下机器人系统进行焊接及焊接过程的录像监控，以保证得到高质量的焊缝。

本课题的研究正是致力于海洋开发的国家或大公司的水下高水平研究，也符合“能源工程先进连接技术北京高等学校工程研究中心”的发展方向，课题的成功为水下1500深高焊接的实施打下了坚实的基础。

1.3 国内外高压干水法下焊接模拟实验装置的发展现状
目前高压干法水下焊接是管道修复中最为广泛使用的技术，其研究趋势正逐步向深海发展。

在国外主要有三个机构的研究最为先进，分别为巴西CENPES中心、挪威SINTEF和英国Cranfield大学。

巴西CENPES中心的水下高压焊接舱由环境控制室、气体供应室、气体回收室、高压室、电气控制室和自动焊接机器3部分组成。

最大模拟压力5MPa，最高环境温度60摄氏度，内部湿度30%-100%，环境气体为He、Ar、N2或压缩空气。

焊接舱空间1.2立方米。

主要开展的研究工作有：焊接方法的选择；焊接参数优化；焊接过程自动控制；环境、接头坡口、热循环、保护气体及冶金因素对
焊接性的作用等。

挪威SINTEF建立在挪威科技大学的舱内无人高压干法水下焊接模拟实验装置名为Simweld)。

整套装置由压力舱、气体控制单元、舱内焊接头、电源、顶部控制计算机、底部控制计算机、步进电机和焊枪控制箱6大部分组成。

压力舱为一端开口，另一端封闭的厚壁圆柱筒，开口端为球形封头。

焊接系统基于TIG 轨道焊机，焊丝从焊接熔池前方送进，采用脉冲焊接电流以改善焊接过程中对焊接熔池的控制情况。

英国Cranfield)大学海洋工程中心在原有1000—1100m水深舱内无人高压干法水下焊接模拟实验装置的基础上，于1990年初又研制了一套能模拟2500m 水深的舱内无人高压干法水下焊接模拟实验装置Hyperweld250Simulator。

该系统主要由压力舱、气体压力和流量控制系统、内部操作系统、焊接电源、控制和数据分析系统5大部分组成。

压力舱尺寸为φ1.1m*1.2m，为一端封闭，另一端开口的铸造厚壁圆柱筒状结构，开口端用管塞进行封闭，整个厚壁圆柱筒安放在滚轮支架上，在液压作用下来回移动，管塞外端固定安装在支撑架上，全部穿舱件安装在管塞中心部分与舱内相通。

气体压力和流量控制系统分别针对纯氦气、纯氩气和混合气体使用了3个独立的气体存储系统，分别存储>,2MPa、6MPa和20MPa 3种气体压力，最后通过一个气体压力为35MPa的缓冲储气瓶向压力舱供气。

为了能同时进行平板和管状构件的焊接，Hyperwald250 Simulator以机械框架的形式来构建焊接系统，该机械框架能安装在一个圆形或直线轨道上，框架上带有其自身运动所需的驱动电机、焊枪及其摆动机构、送丝机构以及焊接熔池观察系统。

国内目前在高压干法水下焊接技术的研究仍然处于探索阶段，还缺乏适
合我国的水下焊接作业标准和规范。

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。

2 高压焊接实验舱管路系统的介绍
实验舱管路系统的功能如下：首先,在环境气体调配储罐内将压缩空气和氮气按照适当比例混合并达到要求压力,然后将该混合气体充入高压焊接试验舱内。

焊接试验需要吹送的氩气由独立气路提供。

焊丝盘(送丝装置)放置在轨道焊机上,焊接电源和轨道焊机控制器都放置在高压焊接试验舱外。

每次焊接工艺试验完成后,先将高压焊接试验舱内的气体通过专用气体排放管路导出舱外,待舱内气压降至0 MPa后,再打开试验舱。

实验舱的设计要求为：
a)舱内气体压力为0.11~0.70 MPa,无级可调。

b)舱内气体成分可以改变(根据压缩空气的爆炸实验而定)。

c)必须方便开闭,利于焊接试件进出。

d)要能在舱体密闭的情况下,观察内部的焊接过程。

e)焊接试验过程中舱内无法进人,试验设备要求自动化。

f)TIG焊接保护气单独送入。

g)舱体内外电信号、气体和焊接试件交换量大而且频繁。

3高压干水法水下焊接技术的发展方向及我国研究高压干水法下焊接技术的必要性。

随着人类对海洋的开发，海底石油的开采及组装、维修采油平台、输油管线和海底舱及舰船的应急修理、海上救护、桥梁架设都受到重视。

海底油气输送管道的里程数也日益增加。

这些管道服役期的日趋延长,发生各种破坏的可能性也日益增加。

大量的海底管道施工工程对水下焊接技术提出了新的要求。

现今世界上海洋石油天然气平台及其配套的海洋钢结构已经接近万座，海洋石油的作业深度也逐渐由近海大陆架向深海区域发展。

因此，发展水下焊接技术已刻不容缓。

世界各国正在应用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。

最主要的技术就是高压干水法下的焊接技术。

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，但随着世界海洋技术的发展以及对海洋资源的开发,水下焊接技术的重要性日益提高。

随着人类涉足水深的不段增加,水下焊接技术必将向更大水深、更高压力的方向发展。

人类由于身体因素的影响,存在潜水极限，必须发展智能化的无人焊接机器人。

因此,未来水下焊接技术的发展方向就是高自动化、高压力和高质量。

主要采用干法和局部干法焊接,由高性能的遥控水下焊接机器人系统进行焊接,焊接过程自动监控,以保证能够得到高质量的焊缝。

海底管线焊接维修是一项复杂而庞大的工程,最初依靠潜水员入水检查并实施作业,从20世纪70年代开始,英、美等国开始发展各种水下管线维修装置,目前已趋向成熟。

与国外相比,我国在技术、设备等方面还有不小差距,我国还没有能够实施水下管线维修的作业装置, 相关维修技术受制于国外，水下管线的维修工作几乎都委托给国外的工程公司进行,维修费用昂贵。

在过去几年里仅为数不多的几次维修工作就耗费了上亿元人民币的资金，因此,开展水下焊接技术的研究,开发具有自主知识产权的水下管线维修设备非常必要。

总结
参考文献
二、研究的基本内容、拟解决的主要问题
三、研究步骤、方法
四、研究工作进度
五、主要参考文献
六、系（教研室）评议意见
评议人：
年月日。