海洋结构物水下焊接修复技术发展现状

海洋结构物水下焊接维修技术

发展现状

学生姓名：王纪兵

课程名称：机械工程学科前沿讲座

学院：机械工程学院

班级：机研14

导师：焦向东

2015年7月

海洋结构物水下焊接维修技术发展现状

摘要：本文针对水下焊接面临的主要问题，并结合不同焊接工艺方法所适应的水深环境，介绍了水下湿法焊接、局部干法水下焊接、干法水下焊接等水下焊接修复技术在国内外的发展现状。简单介绍了具有应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复新技术。

关键词：水下焊接水下湿法焊接水下局部干法焊接水下干法焊接摩擦焊接激光焊接

Current situation of the development of underwater welding repair technology of Marine structures

Abstract：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 situation 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 introduced.

Key words：Underwater welding Underwater wet welding Local dry underwater welding

Hyperbaric underwater welding Friction welding Laser welding

0 前言

21世纪是海洋的世纪，加快发展海洋工程技术对我国发展有重大的战略意义。随着人们对海洋认识的深入以及国民经济的高速发展、战略能源的迫切需求，海洋资源的开发利用得到了长足的发展，尤其是随着海上石油天然气的开采技术及装备的发展，海洋工程也由浅海向深海不断地推进，人类在海洋里的活动日益频繁，建造的海洋结构物逐年增加，然而在安装和长期运行过程中也难免会出现损坏，这种损坏不但会造成经济损失，同时可能会造成严重的环境灾难，一般都要求尽快实施修复。因此水下焊接技术作为组装、维修诸如采油平台、输油管线以及海底仓等大型海洋结构的关键技术之一，也取得到了飞速发展。

随着水下焊接工作量日益增加，其需求也日趋迫切。由于海洋结构物的形状、尺寸、所处水深及结构所受载荷性质的差异，对焊接质量的要求也有所不同，因此在考虑经济与安全因素时所采用的焊接方法也有所不同。因此，必须及早关注和研究能够用于海洋石油工程的水下焊接方法、装备及系统配套技术，了解国内外水下焊接的技术现状及发展趋势，着手规划当前及今后一段时间内针对工程应用需开展的技术开发工作内容，这对于推进我国海洋工程的发展，具有十分重要的意义。

1.水下焊接面临的基本问题

1.1水下焊接的可见性差

在水下，由于水对光线的吸收、反射、折射等作用，致使水中的能见度比空气中差很多; 在焊接过程中，焊材燃烧产生的大量保护气体和烟雾也使操作者对焊接过程难以做到精确的把握; 此外，在海底有大量海藻和淤泥的情况时，更使焊接过程的可见性降低。因此，在水下焊接过程中，由于水下可见性差，操作者对焊接熔池、焊缝的成型及焊接的弧光很难做到精确把握，致使整个焊接过程基本属于“盲焊”，造成焊缝缺陷较多、焊接接头质量差。

1.2水环境对焊缝的影响

在水下焊接，电弧的高温燃烧极易使焊材周围的水分解，产生大量的氢气和氧气，致使焊缝中的氢含量过高，产生大量裂纹。一般水下接焊缝中的氢含量可达30 ～40 mL/100 g，最高可达60 ～70 mL/100 g，比陆上焊接高几倍[1]。

1.3 水对焊件冷却速度的影响

在水下焊接，由于水具有高传导热系数，致使焊件的热影响区和焊缝急速冷却，产生大量的淬硬组织，使工件的韧性变差，寿命降低。

1.4 水压的影响

在水下，随着深度的增加，水压会随之增大，致使焊接电弧弧柱变细，焊道变窄，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。因此，压力增加时对焊接过程的工艺特性、焊缝性能以及焊缝的化学成分等都会产生不利的影响。

1.5 焊接的连续性差

由于水下的特殊环境，焊接操作的不便性，焊接过程很难连续操作。

2.水下焊接技术分类

由于海洋结构物工作性质的差异，所处海洋环境不同以及结构形式多样，因此水下焊接形式也多种多样，如图1

所示[2]。到目前为止，已研究和应用的水下焊接方法达20多种。基本的技术发展方向均是:适应更大的水深,提供更高的连接质量,更大程度地提高自动化作业水平甚至发展到无潜水员支持的全自动化作业。

3.水下焊接技术的最新进展

3.1湿法水下焊接

这种方法不采取特殊的排水措施,焊接直接在水中进行。最常用的方法为焊条电弧焊和药芯焊丝电弧焊。

此类方法操作方便、灵活,设备简单,施工造价较低,故应用较广，但焊接缺陷多,焊接质量较差，因而这种方法不能用于焊接重要的海工程结构。一般只用于水深≤100m的海岸工程非重要结构物的维修。

在焊条方面，比较先进的有英国Hydroweld 公司开发的Hydroweld FS水下焊条、美国专利的水下焊条7018S焊条及德国Hanover大学基于渣气联合保护对熔滴过渡的影响和保护机理所开发的双层自保护药芯焊条。美国的Stephen Liu等人在焊条药皮中加入Mn、Ti、B和稀土元素，改善了焊接过程中的焊接性能，细化了焊缝微观组织，一定程度上提高了水下焊接的质量[3,18]。我国在焊条研制方面也有一定的进展，现在的主要产品有TSH-1、TS202、TS203、TS208。其中TS208 焊条具有优良的防水性能和绝缘性能，焊缝成形优良，电弧稳定，并具有良好的力学性能，抗拉强度大于530MPa，已用于重要桥梁等海洋设施的水下焊接。表1、表 2 列出了TS208焊条的熔敷金属力学性能和对接接头性能(实验用母材为Q345 钢)，并与英国某知名品牌水下焊条进行比较。

表1 TS208焊条和国外焊接熔覆金属力学性能[4]

表2 TS208焊条对接接头性能

药芯焊丝方法是近年来开发的一种新的水下焊接方法。由英国TWI与乌克兰巴顿研究所合作完成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。药芯焊丝其金属与焊药的配合在热量上更为有效，并且加进的焊药能有效地改善电弧电离条件和促进金属过渡的稳定，用于深水中焊接，其优点更突出。我国华南理工大学刘桑、钟继光等人开发了一种药芯焊丝微型排水罩水下焊接方法，使用该方法得到的焊缝成形美观，性能良好[5]。我国叶建雄等人也相继研究了旋转电弧水下药芯焊丝电弧焊的智能化焊接系统，并取得了良好的效果。该方法促使水下焊接向自动化方向发展，大大提高了焊接效率，降低焊接成本[6,7]。

图1 水下焊接技术分类