[doc格式] 海洋石油工程水下焊接技术的现状及发展

[doc格式] 海洋石油 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 水下焊接技术的现状及发展 海洋石油工程水下焊接技术的现状及发展 壁堡lTo?icnIRi州?????????????????????_ 海洋石油工程 水下焊接技术的现状及发展 中国石油集团工程技术研究院(天津300451)唐德渝龙斌 中国石油天然气管道局(河北廊坊065000)郑树森 【摘要】随着海洋石油工程的开发,水下焊接技术的研究,开发和应用势在 必行.本文简要叙述了水下焊接方法的特点及问题,结合国内外水下焊接技 术的发展及应用现状,并根据当前海洋油气资源开发中海洋平台的建造,安 装和维修的需求,对今后的发展趋势及研发方向进行了探讨. 随着国民经济的高速发展,我国的能源需求也快 速增长.而国际石油市场由于地缘政治的矛盾和地区冲 突的加剧,石油供给更加具有不确定性.因此,海洋 油资源已成为国际各大石油公司竞争的热点.中国石油 集团公司承担着保障国家能源安全的重大责任.为保障 供给,提建设综合性国际能源公司的总体目标,加快 向海洋拓展的速度,并干2004年8月成立了中油集团 自己的海洋工程股份公司,为海洋油气勘探开发提供上 程技术服务. 开发海洋石油离不开海洋构筑物的建造和安装, 包括石油平台,导管架及海底管线等,这些装置常年在 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.因 此,海洋石油平台,海底管线等海上设施,尽管在设计 制造,材料选择及焊接 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 等方面都提出了严格的质量 要求,但在安装和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,同时还可能产生严重的环境 灾难,一般都要求尽快实施修复.由于损坏部分移出海 面维修几乎是不可能的,为缩短维修周期,降低维修作 业成本,减少国家和业的损失,采用水下焊接技术进 目I堡笪塑塑堡皇塑型参磊工热加工WWW.metalworking1950.com. 行修复将是一种必然的选择. 另外,随着海洋石油工业的发展,各种装置服役 年限的增加,水下焊接的工作量将日益增加,其需求也 日趋迫切.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 今后一段时间针对工程应用需要开展的技术开发工作. 一 ,水下焊接的基本问题 由于水及水下压力的存在,使得水下焊接过程与 陆上有很大的差别,例如,对于弧焊过程来说,水下焊 接的电弧形态,熔滴过渡特征,焊缝金属的冶金条件及 接头的力学性能都会发生很大的变化.同时,其焊接的 操作环境与陆地焊接差异很大,致使焊接过程显得更加 复杂.对焊接过程有直接影响的主要有以下儿方面. (1)能见度差由于水在光线中的传播距离为空 气中的1/1000,对光有明显的衰减作用,再加上焊接 时电弧周围产生大气泡和烟雾,使水下电弧的可见度非 常低.在淤泥的海底和夹带泥沙的海域中进行水下焊 接,水中能见度就更差了.另外,由于光线在水中的折 射,使得观察物与实际位置出现偏离.因此,在水下焊 接过程中,焊工几乎看不清熔池,无法-r解焊缝成形, 同时,对熔池位置的判断也有偏差.焊接处于”盲焊” 状态,潜水焊工操作技能难以发挥.这是造成水下焊接 容易出现缺陷,焊接接头质量不高的重要原因之. (2)气孔多,氢含量高电弧焊接时.会引起水 的气化和蒸发,使熔池的冶金条件恶化,产生大量的气 孔,严重时甚难以成形.另外,水下电弧的高温会使 部分水产生热分解,导致溶解到焊缝中的氢增加.而氢 是焊接的大敌,如果焊接中氢含量超过允许值,很容易 引起裂纹,甚至导致结构的破坏.一股焊接巾扩散氢含 量为30~40mL/1OOg,最高可达到60~70mL/100g,为 陆地酸性焊条焊接时的好几倍.因此,如直接在水中焊 接,其接头质量很难保证. (3)冷却速度快水下焊接时,由于水的热导率 比窄气大50倍,即水对焊缝金属及热影响区会产生强 烈的冷却作用.所以焊缝和热影响区冷却得非常快,必 然会导致淬硬组织的产生,接头的韧性变差,很容易产 生焊接裂纹. (4)压力的影响随着水深的增加,水下环 境压力也随之增加(水深每增加l0m,压力增加 0.1MPa).随着压力增加,电弧气氛压力增加,电弧 弧柱变细,焊道宽度变窄,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,焊缝性能及焊缝的化学 成分等都会产生不利影响. (5)连续作业难以实现由于受水下环境的影响 与限制,许多情况下不得不采用焊一段,停一段的方 法,因而产生焊缝不连续的现象. 述问题对水下焊接的质量有着重要的影响,因 此在选择水下焊接方法或者i=【f究新的方法及设备时,都 必须首先对这些问题给予充分的考虑. 二,水下焊接技术的发展简介 英国汉费莱’戴维(HUmPhreYDavY)早在l802 年指出,电弧在水下能连续燃烧.然而,电弧焊在水 下的应用却较晚.据报道,水下焊接最早出现在1917 年,英国海军造船所采用水下电弧焊对船舶的铆接接缝 及铆钉的漏水部分进行焊接l卜漏.l932年Khrenov发 明了厚药皮水下专用焊条,在焊条外表面涂有防水层, 使水下焊接电弧的稳定性得到一定程度的改善.到第二 次世界大战接近结束时,水焊接技术在打捞沉船等方 面发挥了重要作用.20世纪60年代后期,尤其是随着 海洋石油和天然气的开发,对海洋工程结构的疲劳,腐 蚀或事故损伤迫切要求进行水下焊接修理,并要达到 较好的焊接质量.这方面最的报道是1971年Humble 石油公司对墨西哥湾钻采平台的水下焊接修理工作. 1985年产生了第一批经过认证的潜水焊工,并制定厂 水深<l00m的水下湿法焊接工艺.l987年水下湿法焊 接技术还在核电厂不锈钢管道的修理工作中得到应用. 20世纪90年代,由于要求修理的水下工程结构越来越 多,而用船舶进行船坞修理的成本增加,进一步推动了 湿法水下焊接技术的发展. 水下焊接技术在中国也一青受到重视和应用.早 在20世纪50年代,水下湿法焊条电弧焊已得到应用. 60年代白行开发了水下专用焊条.从70年代起,华南 理工大学等单位对水下焊条及其焊接冶金开展了大量的 研究工作.70年代后期哈尔滨焊接研究所在上海海难 救助打捞局和天津石油勘探局的协助下,开发r水下局 部排水CO:气体保护焊技术,简称LD—CO焊接法.该 法属于局部干法焊接,特制的水下半自动焊枪能有效地 排除焊接烟雾,使潜水焊工能清楚地观察焊接坡口的位 置,有利地保障焊接质量.近20年来采用LD—CO焊接 法完成r多项水下施工任务.近年来,北京石化学院针 对海底管道泄漏的水下维修问题,开展_lr水下局部干法 焊接技术的研究,对60m水深的TIG焊过程进行了系统 深入的研究,取得了突破性进展,推动了我国水下焊接 技术的实用化进程. 三现有的水下焊接方法及其特点 到目前为止,已研究和应用的水下焊接方法达20 多种.虽然本质上仍是采用陆上焊接的常用方法,即 以电弧熔焊为主,但为r消除或减少水对焊接过程的影 响,必须采用不同的手段或装置.一般将水下焊接方法 分为三大类,即湿法,干法及局部干法.这样,使水下 焊接方法又具有不同的特点,而且由于水的存在,使水 下焊接存在某些特殊问题. 1.湿法焊接及其特点 所谓湿法焊接,就是电弧直接l在水中燃烧,焊接 的熔滴过渡及焊缝结晶成形过程也是直接在水中完成. 因此,水下焊接的基本问题在湿法焊接中表现得最为突 出.主要有水下焊条电弧焊和药芯焊丝半自动焊. 参磊工~jn-r生壁塑型!!兰!塑-www.metalworking1950.com 耋曼堡兰ITo,oicIRevi????????????????????一 在焊条研发方面,比较先进的有英国Hydroweld 公司开发的HydroweldFS水下焊条,美国专利的水下 焊条7018s焊条,以及德国Hanover大学基于渣气联 合保护对熔滴过渡的影响和保护机理开发的双层自保 护药芯焊条.美国的StephenLiu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 质量. 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.与光焊丝相比,采用药芯焊丝,其金属与焊药的 配合在热量上更为有效,加进的焊药能有效地改善电弧 电离条件并促进金属过渡的稳定.用于深水中焊接,优 点更突出.当然,其焊接效率比焊条电弧焊也有明显的 提高. 由于湿法焊接难以得到质量好的焊接接头,尤其 在重要的应用场合,难以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. 2.干法焊接及其特点 干法焊接是指把包括焊接部位在内的一个较大范 围内的水人为地排开,使潜水焊工能在一个干的气相环 境中进行焊接的方法,即焊工在水下一个大型干式气室 中焊接.这种方法多用于深水,需要预热或焊后热处理 的材料,或质量要求很高的结构焊接.根据水下气室中 气体压力的不同,干法焊接又可分为”高压干法焊接” 及”常压干法焊接”. (1)高压干法焊接高压干法焊接由美国于1954年 首先提出,1966年开始用于生产,可焊接直径为508ram, 813mm;~ll914mm的海底管线.目前最大实用水深为300m 左右.住该焊接方法中,气室底部是开口的,通入气压稍 大于工作水深压力的气体,把气室内的水从底部开口处排 出,焊接是在干的气室中进行的.一般采用焊条电弧焊或 惰性气体保护电弧焊等方法进行,是当前水下焊接中质量 最好的方法之一,基本上可以达到陆上焊缝的水平,但也 存在以下三个问题:?因为气室往往受到工程结构形状, 尺寸和位置的限制,有一定的局限性,适应范围有限.目 前仅用于海底管线等规则焊缝的焊接.?必须配有一套生 命维持,湿度调节,监控,照明,安全保障和通信联络系 统,辅助工作时间长,水面支持队伍庞大,施工成本较 高.例如,美国TDS公司的一套可焊接驴8l3mm管线的焊 囵塑塑堡壁皇塑型参磊工热加工www.metalworking1950.com 接装置(M0D—1)价值高达200万美元.?存在压力影响 问题.在深水下进行焊接(如几十米到几百米)时,随着电 弧周围气体压力的增加,焊接电弧特性,冶金特性及焊接 工艺特性都要受到不同程度的影响.因此,要认真研究气 体压力对焊接过程的影响,才能获得优质焊缝. (2)常压干法焊接是指在很深的水下,焊工仍 然与在陆地一样的101.3kPa的气相环境中进行焊接, 排除了水深的影响.1977年法国LPS公司首先采用这种 方法在北海水深150m处成功地焊接了~426mm的海底 管线.气室是一个02.4m,长3.66m的圆筒,两端为椭 圆形.设备造价比高压干法水下焊接还要昂贵,焊接辅 助人员也更多,所以一一般只用于深水焊接重要结构. 干法焊接的最大优点就是可以有效地排除水对焊 接过程的影响,尤其是常压干法焊接,其施焊条件完全 和陆地焊接一样,因此焊接质量也最有保证.但干法焊 接设备复杂,施工费用高,其适应的接头形式也有限, 一 股只用于管线接头的焊接. 3.局部干法水下焊接及其特点 无论是湿法或干法水下焊接,都由于其固有的不 可克服的缺点,而极大地影响了它们对13益复杂化的海 洋结构的适用性.因此,寻找一种既具有湿法焊接简单 灵活的优点,而又能像干法焊接那样可获得优质焊缝的 新型水下焊接方法,成为各国水下焊接研究的主要目 标.由此而逐步形成的局部干法水下焊接,近年来得到 了比较迅速的发展.特别是小型局部干法,因设备简单 并易于进行自动及半自动焊接,更为受到重视.局部干 法焊接是用气体把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.由于降低了水的有害影响,使焊接接头质量 比湿法焊接得到明显改善.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.局部干法种类较 多,日本提出了水帘式及钢刷式,在美国,英国是干点 式及气罩式,法国新近发展了一种旋罩式. (1)水帘式水下焊接法由日本首先提出,焊枪结 构为两层.高压水射流从焊枪外层呈圆锥形喷出,形成 一- 4”挺度高的水帘,阻挡外面的水入侵.焊枪内层通人 保护气体,把焊枪正下方的水排开,使保护气体能任水 帘内形成一个稳定的局部气相空腔,焊接电弧在其中不 受水的干扰,稳定燃烧.水帘有三个作用:一是形成一 个保护气体与外界水隔离的屏蔽;二是利用高速射流的 抽吸作用,把焊接区的水抽出去,形成气相窄腔;三是 把逸出的大气泡破碎成许多小气泡,使气腔内的气体压 力波动较小,从而保持气腔的稳定性. 这种方法的焊接接头强度不低于母材,焊接接头 面弯和背弯都可达到180.,焊枪轻便,较灵活,但可 见度问题没有解决.保护气体和烟尘将焊接区的水搅得 混浊而紊乱,焊工基本处于盲焊状态.另外,喷嘴离焊 件表面的距离和倾斜度要求严格,对焊工的操作技术要 求较高,再加上钢板对高压水的反射作用,这种方法在 焊接搭接接头和角接接头时效果不好,手工焊分困 难,应向自动化方向发展. (2)钢刷式水下焊接法是日本发展的一种方法, 是为…r克服水帘式的缺点而研制的.此法是用妒0.2mm 的不锈钢丝”裙”代替水帘的一种局部排水法,不仅 可以进行自动焊,也可以进行手工焊.为减小钢丝间的 间隙,增加空腔的稳定性,在钢丝裙上加一圈铜丝网 (100,200目);为避免飞溅粘到钢丝上,在钢丝裙 内侧衬上一圈0o.1mm的SiC纤维丝.这种方法曾用于焊 修钢桩被海水腐蚀掉的焊缝,水深是l,6m. (3)罩式水下焊接法是在焊件上安装一个透明 罩,用气体将罩内的水排出,潜水焊工在水中将焊枪 从罩的下方伸进罩内的气相区进行焊接,并通过罩壁观 察焊接情况.这种水下焊接可对不同接头形式的焊缝进 行空间位置焊接,多采用熔化极气体保护焊,也可采 用钨极氩弧焊及焊条电弧焊.实际应用的最大水深是 40m.属于大型局部干法,焊接质量lzt,4,型局部干法 高,但灵活性和适应性稍差.另外,焊接时间过长,罩 内烟雾变浓,影响潜水焊工视线,应注意排气,始终保 持罩内气体清澈,是该法必须解决的问题. (4)可移动气室式水下焊接法是l968年由美国首 先提出,后由美英跨国公司应用干生产.它具有一个可 移动的一端开口的气室,通入的气体既是排水气体又是 保护气体.这种方法是通过可移动气室压在焊接部位 上,用气体将气室内的水排出,使气室内呈气相,电弧 在其中燃烧.气室直径只有l00,130mm,属于干点式 水下焊接法. 焊接时,将气审开口端与被焊部位接触,在开口 端装有半透密封垫与焊枪柔性密封,焊枪从侧面伸人气 室中,排水气体将水排出后,便可借助气室中的照明灯 看清坡口位置,而后引弧焊接,焊一段,移动一段气 室,直至焊完整条焊缝.该法可进行全位置焊接.由 于气室内的气相区及电弧较稳定,焊接质量较好,接 头强度不低于母材,面弯和背弯均为l80.,焊缝无夹 渣,气孔,咬肉等缺陷,焊接区硬度也较低.焊接接头 性能满足美国石油学会规程的要求,并在最大水深30, 40m中应用.但这种水下焊接法也存在一些不足之处: 不能很好地排除焊接烟雾的影响;气室与潜水面罩之间 仍有一层水,在清水中对可见度影响不太大,但在浑水 中可见度问题仍未得到解决;焊枪与气室是柔性连接, 焊一段,停一次弧,移动一次气室,焊缝不连续,焊道 接头处易产生缺陷. 综上所述,合理采用局部排水措施可有效解决水 下焊接的三个主要技术关键,从而能提高电弧的稳定 性,改善焊缝成形,减少焊接缺陷,在水深不超过30, 40m的情况下,可以获得性能良好的焊接接头,局部干 法水下焊接是很有发展前途的水下焊接方法.但是目前 提出的几种小型局部干法水下焊接,除r干点式已初步 在实际中应用外,其他尚处于试验阶段. 四,现状及发展趋势探讨 影响水下焊接质量的主要因素是焊接水深,相应 的环境压力及潮湿而恶劣的工作环境.而湿法焊接直接 受环境,水压的影响,质量难以保证.尽管英国,美国 等发达国家已发展了多种高质量的水下焊条,且适应水 深已超过100m,并向200m水深发展,但目前的焊接 质量难以满足重要结构的要求.因此,提高水下湿法焊 接质量是研究的重点,并且需要在焊条研制上进一步努 力,但短期内难以突破. 局部干法水下焊接是一种比较有发展前途的焊接 方法.该方法简单易行,用较少的投资就能较快地获得 经济上的收益,但多数方法仍难以保证焊缝的质量,且 水深不超过30,40m,将其用于海洋工程的焊接,还需 在许多方面开展攻关,甚至还需在方法上有所创新. 目前能够保证焊接质量的方法,实际上只有水下 干法焊接,但干法尤其是高压水下焊接方法的装备复 杂,施工时间长,辅助人员多,施工成本高.而且水下 焊接工作室的尺寸可能受到施工周围环境的限制和风 暴,海浪的影响,在适应水深方面还需有所发展.可 见,目前使用较多的水下焊接方法都有局限性. 从各国海洋开发的前景来看,水下焊接的研究远 不能适应形势发展的需要.由于海洋工程结构及海底管 道系统的服役条件恶劣,对可靠性,安全性要求很高, 参磊肛工— 璧堡竺IzIR????????????????????一 且材质一般都采用低合金高强钢,因此对焊接质量提… 了很高的要求.如果在安装和维修中采用水下焊接方法 焊接,湿法和局部干法焊接都难以达到相关规程提出的 质量要求.只有采用干法焊接,并通过进一步地完善系 统的装备及焊接技术,还可能达到其质量要求. 随着海洋石油的开采从近海向深海发展,对水下 焊接提出了越来越高的要求.目前的水下干法研究仅涉 及60m水深的范围,而且仅限于GTAW焊接方法.对 于更深的水深范围,以及其他的焊接方法,无论国内还 是国外都处于探索之中.特别是水深650m是潜水员工 作的极限水深,因此,超过650m必须发展深水下的无 人焊接技术. 鉴于目前的技术基础以及今后海洋工程的发展需 求,应尽快开发研究的水下技术有: (1)焊接电弧直接影响焊缝成形和接头质量,但 目前有关高压电弧的研究理论只是初步的,还不十分完 整.因此,要系统地研究高压环境电弧的物理特征, 环境参数特别是压力对电弧行为的影响,包括压力对 电弧引燃性能的影响,压力对电弧电压和电弧形状的影 响,压力对电弧温度和熔敷效率的影响,压力对电弧稳 定性的影响,以及力对焊缝熔透和成形的影响等.研 究电弧行为和稳定性的控制规律和基于现代控制理论的 控制方法,实现高效自动化焊接生产. (2)目前,对50m水深范围内的高压干法GTAW 进行了较深入的研究,形成相应的应用技术.对于更 深海域的开发,目前的研究明显不足,需要针对深水进 行更深入的研究. (3)要真正保证水下焊接过程的连续性,并提 高水下焊接的效率,应加快水下GMAW焊接方法的研 究.日前,这方面的工作国外刚刚起步,涉及水卜高压 环境中的GMAW焊的电弧特性,熔滴过渡过程,焊缝 结晶特点及接头性能的研究.同时,针对水下焊接过程 的实施,还需配合系统装备的研究,其中包含水下高压 环境中系统设备的防水,绝缘等技术的开发研究. (4)基于先进技术,对焊接过程进行监控的研究 已经取得一定的进展.采用数字摄像结合光学成像技 术,能够获得较清晰的焊接熔池的图像,但在水下由于 水对光传播的折射和衰减,再加上水波的涌动,水F熔 池图像的摄取将面If缶许多难题,而水下焊接过程的监控 技术,是真正实施水下焊接的关键技术之一,应加快这 一 领域的研究步伐. (5)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,在高压仓内实现r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,焊按 设备的安装,维护和检测都需要潜水员的辅助,因而实 际使用的焊接系统还不能超过650m,且对潜水焊T的 专业和技术要求很高. 因此,随着海洋工程向深海的挺进,必须发展智 能化的无人焊接机器人.焊接智能控制系统的反馈传感 检测技术,正在研究之中.由于高压干法水下焊接环境 的复杂性和不确定性,如何采用多信息融合技术,最终 达到对焊接过程的智能监控将成为焊接领域的新课题. 总之,从各国海洋开发的前景来看,水下焊接需 研究的课题还很多,因此加强这方面的研究,无沦是现 在或将来,都将是一项非常有意义的工作. MW(200901l5) (上接第23页) 舶,如浮吊,抛锚艇,拖轮和自航驳等.在正常海 洋天气作业条件下,完成一处海上焊接作业共计需 要费用约197万元人民币,其中船舶工程费用占到 98%.可见,只有保证海上管道焊接一次合格,才 能在滩海海底管道施工领域获取最大效益.这就要 求滩海海底管道焊接技术必须有可靠的焊接工艺和 高效的质量保证措施,否则会导致船舶成本费用和 海上作业风险增加,甚至于项目失败. ll:I?堡苎!塑望堡塑 ww~.metalworking1950.com 参磊工热加工 七,结语 滩海海底管道是伴随着滩海石油勘探技术的发 展而新兴出现的一种管道产业.随着海洋石油采输 力量的迅速扩张,海底管道项目也迎来建设高峰. 只有确保海上施工向着高效率和高质量的运作模式 发展,积极研制开发焊接新技术,新工艺,新设 备,引导海底管道焊接技术向着自动化,智能化控 制的方向发展,才能满足未来的滩海海底管道建设 的需要.MW(20090115)