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水下焊接技術研究和應用的進展
發布日期:2011-07-22 10:34

水下焊接技術研究和應用的進展
        
摘 要:水下焊接由于受水的影響,其焊接方法與焊接設備都比陸上的復雜很多,本文綜述了各種水下焊接技術研究與應用的最新進展,介紹了現在的一些新技術在焊接領域的應用現狀,并對水下焊接技術的發展趨勢提出了一些看法。
關鍵詞:水下焊接 濕法水下焊接 局部干法水下焊接 干法水下焊接 焊接方法

前言

海洋工程結構因常年在海上工作,其工作環境極為惡劣,除受到結構的工作載荷外,還要承受風暴、波浪、潮流引起的附加載荷以及海水腐蝕、砂流的磨蝕、地震或寒冷地區冰流的侵襲。此外,石油天然氣的易燃易爆性對結構也存在威脅。而且海洋結構的主要部分在水下,服役后焊接接頭的檢查和修補很困難,費用也高,一旦發生重大結構損傷或傾覆事故,將造成生命財產的嚴重損失。所以對海洋工程結構的設計制造、材料選擇以及焊接施工等都有嚴格的質量要求。而隨著海洋石油和天然氣工業的發展,海洋管道工程日益向深海挺進,我國作為一個發展中的沿海大國,國民經濟要持續發展,就必須把海洋的開發和保護作為一項長期的戰略任務。大量的海底管道施工工程對水下焊接技術提出了新的要求。
水下焊接由于水的存在,使焊接過程變得更加復雜,并且會出現各種各樣陸地焊接所未遇到的問題,目前,世界各國正在應用和研究的水下焊接方法種類繁多,應用較成熟的是電弧焊。隨著水下焊接技術的發展,除了常用的濕法水下焊接、局部干法水下焊接和干法水下焊接以外,又出現了一些新的水下焊接方法。但是,從各國海洋開發的前景來看,水下焊接的研究遠遠不能適應形勢發展的需要。因此,加強這方面的研究,無論是對現在或將來,都將是一項非常有意義的工作。

1 水下焊接技術的最新進展

1.1 濕法水下焊接
濕法焊接中,水下焊接的基本問題表現最為突出。因此采用這類方法難以得到質量好的焊接接頭,尤其在重要的應用場合,濕法焊接的質量難以令人滿意。但由于濕法水下焊接具有設備簡單、成本低廉、操作靈活、適應性強等優點。所以,近年來各國對這種方法仍在繼續進行研究,特別是涂藥焊條和手工電弧焊,在今后一段時期還會得到進一步的應用。
在焊條方面,比較先進的有英國Hydroweld公司發展的Hydroweld FS水下焊條,美國的專利水下焊條7018’S 焊條,以及德國Hanover大學基于渣氣聯合保護對熔滴過渡的影響和保護機理所開發的雙層自保護藥芯焊條。美國的Stephen Liu等人在焊條藥皮中加入錳、鈦、硼和稀土元素,改善了焊接過程中的焊接性能,細化了焊縫微觀組織[1]。
水下焊條的發展促進了濕法水下焊接技術的應用。目前,在國、內外都有采用水下濕法焊條電弧焊技術進行水下焊接施工的范例。

藥芯焊絲的出現和發展適應了焊接生產向高效率、低成本、高質量、自動化和智能化方向發展的趨勢。英國TWI與烏克蘭巴頓研究所成功開發了一套水下濕法藥芯焊絲焊接的送絲結構、控制系統及其焊接工藝[2]。華南理工大學機電工程系劉桑、鐘繼光等人開發了一種藥芯焊絲微型排水罩水下焊接方法[3],從實用經濟的角度出發,完全依靠焊接時自身所產生的氣體以及水汽化產生的水蒸氣排開水而形成一個穩定的局部無水區域,使得電弧能在其中穩定的燃燒。微型排水罩的尺寸和結構決定了焊接過程中無水區(局部排水區)的大小和穩定程度。除此之外,他們還通過復合濾光技術和水下CCD攝像系統,采集出了藥芯焊絲水下焊接電弧區域圖像,從而為水下濕法焊接電弧的機理分析及水下焊接過程控制奠定了基礎。
由于傳統的邊緣檢測算子如梯度算子、拉普拉斯算子、Sobel算子等對噪聲敏感,梁明等采用了Bubble函數過零點檢測來提取焊縫圖像邊緣的小波多尺度方法[4],通過調整尺度參數σ的值,得到焊縫邊緣提取效果最好的σ范圍是:0.4≤σ≤0.6,有效降低了噪聲,同時又較好地保持了焊縫邊緣細節,在水下藥芯焊接焊縫邊緣檢測中獲得較好的效果。
盡管如前所述濕法焊接已經取得了較大的進展,但到目前為止,應該說水深超過100m濕法水下焊接仍難得到較好的焊接接頭,因此還不能用于焊接重要的海洋工程結構。但是,隨著濕法水下焊接技術的發展,很多濕法水下焊接的問題在一定程度上正在克服,如采用設計優良的焊條藥皮及防水涂料等,加上嚴格的焊接工藝管理及認證,現在濕法水下焊接已在北海平臺輔助構件的水下修理中得到成功的應用,另外,濕法水下焊接技術也廣泛用于海洋條件好的淺水區以及不要求承受高應力構件的焊接。目前,國際上應用濕法水下焊條以及濕法水下焊接技術最廣的是墨西哥灣?,F在濕法水下焊接中最常用的方法為焊條電弧焊和藥芯焊絲電弧焊。在焊接時潛水焊工要使用帶防水涂料的焊條和為水下焊接專門設計或改制的焊鉗。在質量要求較高的場合,可把焊條放入充氣容器,防止焊條使用前吸水。

1.2 局部干法水下焊接
局部干法水下焊接的種類很多,包括干箱式焊接、干點式焊接、水簾式干法焊接、鋼刷式水下焊接以及局部干法大型氣罩法水下MIG/TIG焊接等。由于局部干法水下焊接降低了水的有害影響,使焊接接頭質量比濕法焊接得到了明顯改善。
我國哈爾濱焊接研究所較早的對CO2氣體保護局部排水半自動水下焊接進行研究,研制成功了LD—CO2焊接方法,并開發了配套NBS-500型水下半自動焊機,在國內進行了多次成功施焊。華南理工大學水下焊接課題組成功研制出一套采用微型排水罩的水下局部干法藥芯焊絲焊接設備和工藝,為進一步發展成適合我國國情的水下焊接方法打下了基礎。

水簾式水下焊接法由日本首先提出,通常的水簾式焊接的焊槍結構分為兩層,這種方法的焊接接頭強度不低于母材,焊接接頭面彎和背彎都可達到180度。焊槍輕便,較靈活,但可見度問題沒有解決。保護氣體和煙塵將焊接區的水攪得混濁而紊亂,焊工基本處于盲焊狀態。另外,噴嘴離焊件表面的距離和傾斜度要求嚴格,對焊工的操作技術要求較高,再加上鋼板對高壓水的反向作用,這種方法在焊接搭接接頭和角度接頭時效果不好,手工焊十分困難,應向自動化方向發展。最近,日本又成功研制了一種機械化的水簾式水下焊接機構,能很好的對水下較大移動構件進行焊接[5]。對于水簾式局部干法水下焊接,Hoffmeister等建立了基于降低氫吸附量時最小保護氣流與熱輸入和壓力之間的關系。Mattias等在對輻流抽氣機原理認識的基礎上設計了一種新型排氣罩,使得罩內焊接區氣壓下降,獲得了良好的焊縫。
張旭東等人對水下局部干法激光焊接進行了研究,采用填絲熱導焊的方法研究了水下激光焊接的基本物理現象,利用氣體噴嘴形成局部干燥空間,其保護效果取決于噴嘴結構和氣體流量等參數,噴嘴外徑大小對保護效果影響顯著,良好保護條件下的水下焊縫的力學性能和大氣中一致 [6]。
與干法焊接相比,局部干法無需大型昂貴的排水氣室,適應性明顯增大。它綜合了濕法和干法兩者的優點,是一種較先進的水下焊接方法,也是當前水下焊接研究的重點與方向。局部干法水下焊接可直接獲得接近下一步的接頭質量,同時由于設備簡單,成本較低,又具有濕法焊接的靈活性,因此是很有前途的水下焊接方法。

1.3 干法水下焊接
干法焊接是用氣體將焊接部位周圍的水排除,而潛水焊工處于完全干燥或半干燥的條件下進行焊接的方法,進行干法水下焊接時,需要設計和制造復雜的壓力艙或工作室。根據壓力艙或工作室內壓力的不同,干法水下焊接又可分為高壓干法水下焊接和常壓干法水下焊接。

1.3.1高壓干法水下焊接
干法水下焊接試驗一般都是在高壓模擬艙中進行,同時壓力艙中還可以進行焊接工藝評定試驗。哈爾濱焊接研究所自20世紀80年代起開始研究干法水下焊接,先在模擬實驗艙內進行試驗研究工作,然后再到實際現場驗證。陳錦鴻、肖志平采用高壓干法焊接修復了廣州市一過河水管,使我國的水下焊接技術獲得了新的發展[7]。巴西CENPES中心的水下高壓焊接艙有環境控制室、氣體供應室、氣體回收室、高壓室、電氣控制室和自動焊接機器六個部分組成??蛇M行高壓自動TIG、MIG、FCAW、SMAW焊接工藝。德國GKSS中心對600~1100米水深下藥芯焊絲弧焊的短路過渡行為、電源輸出功率大小和梯度對熔滴過渡的影響、熔池反應機理、氧吸附的影響因素和保護氣體的選擇等進行了研究,該研究成果被應用于設計高壓焊接艙,取得了令人滿意的結果。在過去的七年里,Cranfield大學焊接工程研究中心已經將自動焊接技術應用于水深2500m壓力相當于250Bar條件下的深水焊接[8,9],這項深水高壓焊接研究分三個階段進行:

階段一:隨著焊接輔助設備的發展、優化和試運行,在焊接過程全為線性焊縫的條件下,演示了壓力范圍在0~250Bar范圍內,等離子弧焊和GMAW焊的焊接能力。 同時也開展了一些位置焊接,建立了焊接機械性能和焊縫微觀結構的評價系統。
階段二:使用軌道焊接設備,針對C-Mn管道鋼和13Cr鋼進行了進一步的等離子弧焊和GMAW焊接實驗,開發了電弧監視技術,以便進行更深層次的微觀結構和機械評估。
階段三:也就是現階段,Cranfield大學正在集中進行熱渣焊接和利用高壓GMAW焊來進行特定管線的維修工作的研究,并將上述第二個階段的過程進一步優化,以使之應用于更加復雜的操作參數。并對不同場合的位置焊接——平焊、立焊、仰焊以及各種焊縫進行研究,以降低深水焊接難度。此焊接研究組得出的結論是:高壓GMA焊提供了一種在400m~2500m的水深范圍內可行的連接方式,能在無人情況下對深水管道和支架進行條狀焊縫的修補,并能保證深水管道熱渣連接的密封性能。
由于人類飽和潛水的深度極限是650m,熟練深水焊工難以培訓,為了實現深水施焊以及水下焊接自動化,水下自動化軌道焊接系統以及水下焊接機器人迅速發展起來。TIG焊具有熔化率隨壓力增加而增加、低氫吸附率、可實現完全自動焊、利用磁場和相應的電源能對電弧進行有效控制等特點,最早用于發展水下高壓軌道焊系統。軌道式高壓TIG焊是成熟的、目前流行的海底管道焊接技術。目前水下高壓軌道TIG焊系統主要有Aberdeen Subsea Offshore Ltd的OTTO系統、Comex公司的THOR-1系統以及Norsk Hydro和SNITEF的IMT系統。
北京石油化工學院所承擔的國家“十五”863計劃項目“水下干式管道維修系統”,目前進展順利,正在對焊接電源進行適應性改造,并進行了焊接模擬實驗,常壓下電纜長度200m以上仍能正常焊接。高壓焊接實驗艙正在制造,并將于近期交付使用。水下高壓雙層管道自動焊機等方面的研究工作也正在開展。

1.3.2 常壓干法水下焊接
焊接在密封的壓力艙中進行,壓力艙內的壓力與地面的大氣壓相等,與壓力艙外的環境水壓無關。實際上這種焊接方式既不受水深的影響,也不受水的作用,焊接過程和焊接質量與陸上焊接時一樣。常壓干法焊接設備造價比高壓干法水下焊接還要昂貴,焊接輔助人員也更多,所以一般只用于深水,焊接重要結構。此方法的最大優點就是可以有效地排除水對焊接過程的影響,其施焊條件完全和陸地焊接時的一樣,因此其焊接質量也最有保證。目前常壓干法水下焊接技術應用很少,在焊接工藝與焊接冶金方面與陸上焊接也沒有什么差別。美國TDS公司正在研制能在600m深水下進行常壓干法水下焊接的裝置,用于焊接管徑900mm,壁厚32mm的管道,干法氣室為圓筒狀,直徑2.4m,長3.66m,兩端呈橢圓形。我國目前還沒有常壓干法水下焊接設備。

2 水下焊接技術研究的趨勢

(1) 由于每種焊接方法(濕法,局部干法,干法)都有其各自的優點和適應場合,因此,多種水下焊接方法并存的局面會長期存在。
(2) 濕法水下焊接的質量主要受水下焊條、水下藥芯焊絲等因素的影響和制約,英、美等國已發展了多種高質量的水下焊條,我們也應該加快開發研制高質量水下焊條、水下藥芯焊絲。通常濕法焊接的水深不超過100m,目前的努力方向是,實現200m水深濕法焊接技術的突破。
(3) 基于先進技術,對焊接過程進行監控的研究已經取得某些進展,主要體現在水下干法和局部干法焊接中的自動化和智能化。例如遙測遙控技術已經在水下焊接中取得了初步應用,采用遙控遙測技術,可以實現水下安裝檢測中的焊接加工,目前已在水下管道安裝維護中取得進展[10],最近華南理工大學的廖天發等人采用VC++編程實現了串口通訊(SPC),用于遠程控制水下焊接焊前的焊縫對中以及焊接過程中的焊縫跟蹤[11]。自動化的軌道焊接系統和水下焊接機器人系統,能對焊接過程自動監控,焊接質量好,節省工時,而且還能減輕潛水員的工作強度。但是目前的水下焊接機器人系統還存在許多問題,其靈活性、體積、作業環境、檢測和監控技術以及可靠性等還有待于進一步發展和提高,這是目前我們的努力方向。
(4) 模擬技術的出現及發展,為焊接生產朝著
“理論—數值模擬—生產”模式的發展創造了條件,使焊接技術正在發生著由經驗到科學、由定性到定量的飛躍。目前陸上焊接過程的溫度場、流場以及熔池、焊縫應力等的模擬取得了較大進展,焊接電弧的模擬也有一定的研究,但對水下焊接的模擬研究還比較滯后。德國的Hans-Peter Schmidt 等人對電流在50-100A范圍內,壓力0.1-10Mpa,鎢極氬保護情況下的水下高壓焊接電弧進行了模擬研究,用數學方法解守恒方程得出了溫度、速度、壓力和電流的分布。其中電弧溫度的測量結果與理論分布吻合良好。隨著海洋石油和天然氣工業的發展以及我國海洋工程向深海的挺進,應當重視和加快針對水下焊接這方面的數值模擬研究。目前我們也正在著手進行高壓環境下焊接電弧的數值模擬這方面的研究工作。
(5)計算機仿真是一項很有用的技術,它在焊接工藝的制定、焊接設備的研制以及控制系統的改進等方面的研究中都有應用[12]。 Dag.Espedalen等人對高壓干法水下焊接進行了仿真技術研究,首先利用SolidEdge建立焊接艙和焊接機器人的3D模型,然后再轉化為I-grip運動模型,編制合適的控制程序,整個海底管道維修操作過程就演示出來[13]。通過焊接仿真,有助于構思新方案,并能提前發現存在的問題,這也是我們以后應當研究的一個領域。 

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