水下焊接技术在海洋工程中的应用及发展趋势

水下焊接技术在海洋工程中的应用及发展趋势

马陈勇1

，赵继文2，宋文强1 （1.中国石油集团海洋工程有限公司辽河事业部，辽宁 盘锦 124120；2.中国石油集团辽河石油勘探局测

井公司，辽宁 盘锦 124120）

摘要：随着海洋石油的开发利用和潜水技术的发展，海底输油输气管线以及海洋工程结构的日益增多，水下焊接技术已成

为海洋工程和水下管道组装和维修的关键性技术。本文综述了水下焊接技术特点及在海洋工程中的应用，并就水下焊接技术

在海洋工程应用中的发展趋势提出了一些看法。

关键词：海洋工程；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设计

制造、材料选择以及焊接施工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。

因此，开展水下焊接技术的研究，加强对其应用，对于开发海洋事业，开采海底油田、使丰富的海洋

资源为人类服务，具有重要的现实意义。目前，水下焊接技术已广泛用于海洋工程结构、海底管线、船舶、

船坞港口设施、江河工程及核电厂维修。水下焊接已成为组装维修诸如采油平台、输油管线等大型海洋结

构的关键技术之一。

2 湿法水下焊接技术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1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[1]。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

[2]，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 标准（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

大的进展，但到目前为止，应该说水深超过100m 的湿法水下焊接仍难得到较好的焊接接头，因此还不能

用于焊接重要的海洋工程结构。但是，随着湿法水下焊接技术的发展，很多湿法水下焊接的问题在一定程

度上正得到克服，如采用设计优良的焊条药皮及防水涂料等，加上严格的焊接工艺管理及认证，1991年首次在北海对一个非主要结构杆件进行了湿法水下焊接，现在湿法水下焊接已在北海平台辅助构件的水下修

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理中得到成功的应用。另外，湿法水下焊接技术也广泛用于海洋条件好的浅水区以及不要求承受高应力构

件的焊接。目前，国际上应用湿法水下焊条以及湿法水下焊接技术最广的是墨西哥湾。墨西哥湾核反应堆

供水起泡管的修复、Amoco Trinidad 石油公司的石油平台78m 深的水下焊补都采用了水下湿法焊接技术。

该技术的研究对于我国渤海湾和辽东湾今后的海底管道修复、一些非关键性的构件的修复，如牺牲阳极的

更换等具有非常重要的现实意义。

3 局部干法水下焊接技术在海洋工程中的应用

局部干法焊接是用气体将正在焊接的局部区域的水人为地排开，形成一个较小的气相区，使电弧在其

中稳定燃烧的焊接方法。由于它降低了水的有害影响，使焊接接头质量较湿法焊接有明显改善，与干法焊

接相比，无需大型昂贵的排水气室，适应性明显增大。它综合了湿法和干法二者的优点，是一种较先进的

水下焊接方法，也是当前水下焊接研究的重点与方向。局部干法种类较多，日本较多采用水帘式和钢刷式，

在美、英是干点式和气罩式，法国新近发展了一种旋罩式。

局部干法水下焊接技术在海洋工程中的成功应用的实例也很多。干点式水下焊接是由美国首先提出来

的[3]，据报道，在水深29m 处能焊出合格的焊缝，英国曾在水深27m 处进行焊接。此法曾用于北海大陆架

挪威海域，修复遭受冬季风暴破坏的Ekofisk 钻井平台两根位于水深7m 、直径350mm 的管子，焊后经磁

粉探伤，没有发现缺陷。美国曾用局部干法大型气罩法水下焊接在水深12m 处修复采油平台管径406mm

的立管，焊后经水压试验，符合要求。

4 干法水下焊接技术在海洋工程中的应用

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[1]。

4.1高压干法水下焊接技术在海洋工程中的应用

高压干法水下焊接如图2所示。随着海底焊接工程的增多、海底工程深度的加大和对焊接质量要求的

提高，高压干法水下焊接以其焊接质量高、接头性能好等优点越来越受到重视。由于湿法水下焊接与局部

干法水下焊接,一般只用于几米至几十米水深非重要结构物修复,实际应用水深通常不超过40m ，为了适应

海洋工程向深海发展的形势，许多国家加大了对高压干法水下焊接技术的研究与应用。

图2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 ，断裂强度达到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