[doc格式] 水下焊接技术及其在我国海洋工程中的应用

[doc格式] 水下焊接技术及其在我国海洋工程中的应用 水下焊接技术及其在我国海洋工程中的应 用 水下焊接技术及其 在我国海洋工程中的应用 北京石油化工学院光机电装备技术北京市重点实验室(102617) 梁亚军薛龙吕涛王中辉邹勇 I摘要】简述了水下焊接技术及其水下焊接的主要方法.针对国内”十五” 期间研究开发的水下干式管道维修系统,介绍了实际应用于海洋工程中的水 下干式高压焊接系统的关键技术及其技术集成,并探讨了水下焊接技术的发 展趋势 随着人类对海洋的进一步开发,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r飞速发展,并已 广泛用于海洋工程结构,海底管线,船舶,船坞及港口 设施等领域. ,汉弗莱?戴维(HumphreyDavy)就指 _甲.在1802年 出:电弧在水下能连续燃烧,即指出了水下焊接的可行 性.但真正得以应用却是1917年,英国海军船坞的焊工 首先使用水下焊接的方法封住船吃水线以下部位漏水的 铆钉.在第_二次世界大战期间,水下焊接在打捞沉船等 方面获得r广泛的应用.随着海洋石油和天然气工业的 发展,水下焊接技术也取得了长足的发展. 水下焊接技术在我国也一直受到重视和应用.早 在2O世纪50年代,水下湿法焊条电弧焊就得到应用.6O 年代又自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_r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,开发了水下局部排 水CO!气体保护焊接技术,简称LD--CO焊接法,该方 法属于局部干法焊接.近20年来,采用LD—C0,焊接法 完成r多项水 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 任务. 由F我国拥有乍富的海石油和天然气资源,近 海油资源量为240~Lt,天然气资源量为140Zi~Lm, 因此开发利用好这些资源对我国经济的可持续发展具有 特别重要的意义.大量的海洋工程建设,海底管道建设 及海底管道维护都对水下焊接技术提出l『更新,更高的 要求. 一 ,水下焊接面临的主要问题 与普通陆地上的焊接相比,水下焊接由于水的存 在使焊接过程更复杂,并且出现了许多陆上焊接所未遇 到的技术问题.其中,对焊接过程有直接影响的因素包 括以下几个方面. (1)可见度差水对光的吸收,反射和折射等作 用比空气强得多,因此光在水中传播时减弱得很快.同 时,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,可几尢度更差,严重影响潜水焊工操作技术的 发挥.这是造成水下焊接容易出现缺陷,焊接接头质量 不高的重要原因之一. (2)氢含量高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.水下电弧会使 其周围的水产生热分解,导致溶解到焊缝中的氢增加. 一 股焊接中扩散氢的含量为27~36”g/g,为陆地酸性 焊条焊接时的好几倍.水下焊条电弧焊的焊接接头质量 差与氢含量高是直接相关的. (3)冷却速度快水下焊接时,海水的热传导系 数较高,是空气的20倍左右.即使是淡水,其热传导系 数也是空气的十几倍.当采用湿法或局部干法水下焊接 时,被焊工件直接处于水中,水对焊缝的急冷效果明 显,容易产生高硬度的淬硬组织. 参跏旺— 曼塑竺lTopic”lR (4)压力的影响随着压力的增加(水深每增加 10m,压力增加O.1MPa),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.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的影 响. =水下焊接的主要方法 目前,世界各国正在应用和研究的水下焊接方法 种类很多,但比较成熟,应用较多的还是几种电弧焊. 水下焊接依据所处的环境大体上分为三类:湿法水下焊 接,于法水下焊接和局部干法水下焊接. 1.湿法水下焊接 湿法水下焊接时工件直接置十水环境中,焊接区 域既受到水压的影响,义受到水的强烈冷却作用,电弧 仅靠焊条在焊接过程中产生的气体以及水汽化形成的气 泡来保护.该方法的优点是操作方便,灵活,设备简 单,施工造价较低,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洋工程结构. 在湿法水下焊接中最常用的方法是焊条电弧焊和 药芯焊丝电弧焊,而水下焊条的发展促进r水下湿法焊 接的应用.英国Hydroweld公司发展了多种水下焊条, 其q~HydroweldFS焊条成为惟一被国防部认可的军舰 水下修补焊条.美国专利焊条——7018’s,适用于高 强度钢材的水下焊接.德国Hanover大学基于渣气联合 保护对熔滴过渡过程的影响和保护机理研制开发了双层 自保护药芯焊条.华南理工大学研制的新型水下焊条在 30m水深以内可获得良好的焊接性能,成功地应用于海 军某港171的水下施工中. 2.局部干法水下焊接 局部干法水下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, 使焊接接头的质量比湿法焊接得到了明显的改善.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.集合_r湿法和干法两者的优点,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及钢刷式,美 国,英国多采用干点式及气罩式,法国新近发展了一种 旋罩式.另外,等离子MIG局部干法水下焊接也是一种 ?I生笙!塑蕉皇塑参磊工热加工ww~metalworking1950com 极有发展前途的水下焊接方法. 国内方面,哈尔滨焊接研究所从70年代就开始对 CO气体保护局部排水半自动水下焊接技术进行研究, 并开发 配套设备NBS一5O0型水下半自动焊机.该方 法在国内多次成功施焊,其中包括1989年对青岛黄岛码 头装焊556块材质为Q345(16Mn)的牺牲阳极. 3.干法水下焊接 干法水下焊接是用气体将焊接部位周围的水排 除,使焊接过程在干燥或半干燥的条件下进行.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.根据压力舱或丁作室『大]的压力不同,干法水下焊接 又叮分为高压干法水下焊接和常压干法水1焊接. 干法焊接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时一 样,因此其焊接质量也最有保证.但常压干法焊接所需 设备过于复杂,成本昂贵,目前还不能广泛使用.高压 干法焊接以其焊接质量高,接头性能好及成本相对较低 等优点越来越受到重视.许多国家加大了对高压干法水 下焊接技术的研究与应用,迄今已经积累了大量的研究 成果和工程应用案例.美国干1954年首先提出高压干法 焊接的概念,1966年开始用于生产,目前最火实用水深 可以达到300m左右.工作时,气室底部是开口的,通 人气压稍大干工作水深压力的气体,把气室内的水从底 部开口处排出,焊接在干的气室中进行.一股采用焊条 电弧焊或惰性气体保护焊,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接焊缝的质量. TIG焊接因为电弧稳定性好,成形好,易于控制, 以及特别适合干封底焊等特点,成为高压环境首选的, 研究最为充分的焊接方法.在水下管道维修的高干 式焊接施工作业中,目前国外多采用高压轨道式TIG焊 接系统进行,较为知名的作业系统有由英国Aberdeen SubseaOffshoreLtd开发的OOTO系统,由挪威Statoil公 司组织开发的PRS系统以及由英国,法国合作的Comex 公司开发THOR21系统等.这些系统的共之处是整个 系统采用计算机监控,高压舱中配备潜水员,主要是为 了完成更换电极,调整送丝角度和位置等辅助工作,’ 旦焊接过程开始,就不再需要潜水员干预.潜水员对焊 接质量的影响非常小,可以显着降低对潜水员的资质要 求. 我国对干法水下焊接的研究起步较晚.哈尔滨焊 接研究所从80年代开始研究干法水下焊接,先后研制 I’HSC21型~I]HSC22两台模拟水下焊接试验舱.该所利 用这两台模拟水下焊接试验舱先后进行T5Om水深coz 气体保护焊接特性研究,50m水深脉iOMrG焊接研究, 200m水深MMA焊接研究~11200m水深T1G焊接研究,为 国内高压干式管焊接提供了初步探索性的研究成果. 三水下千式高压焊接技术在我国海底 管道维修中的应用 在我国863计划重大专项”渤海大油田勘探开发关 键技术”中,将”海底管道修复技术”作为一项专题开 展深入研究.水下干式管道维修系统是”海底管道修复 技术”中的一项课题,分”水下干式舱设计”,”水下 干式高压焊接”,”水下密封与封堵”和”海管维修专 用作业机具”4项子课题,其中”水下干式高压焊接” 子课题filet京石油化工学院光机电装备技术北京市重点 实验室承担.该课题的主要任务是,研制一套能够对 60m水深海底不同管径单(双)层油气输送管道进行维修 的水下管道干式压力维修作业舱系统,并研制出一套适 合60m水深的海底管道干式高压焊接样机与工艺,同时 也开展对水下管线的封堵技术和水下维修的辅助机具的 研究.该系统已于2006年l1月在渤海成功地进行了海底 试验. 1.水下干式高压舱 水下干式高压舱系统提供了水下干式维修作业人 员的工作平台,如图1所示.其总体结构为舱架组合形 式,由外框架,内框架和干式舱舱体三大部分组成.舱 体安装在内框架上,可通过液压系统相对外框架移动, 外框架两端装有机械手,用于管道的提升,对中和固 定.干式舱的总体性能是:最大作业水深60m,舱体在 空气中质量不大于200t,舱内工作人员2,3人,作业时 最大海流速度不大于2节,能够对外径l52~609mm的 海底管线进行干式维修,干式舱最大外形尺寸为1215m X8m×6114m,无自航能力. 干式舱水下维修作业可大致分为3个过程:首先是 甲板准备阶段.潜水员,干式舱和甲板设备就位,检查 舱室气密性,对系统设备进行测试,为下水作业做好准 备;其次是吊放及就位阶段.甲板起吊设备将干式舱吊 起,缓缓放入海中,在监控系统的指引下将干式舱吊放 到作业地点,并调整内外框架的相对位置,以便于机械 手提升受损管线;最后是焊接作业阶段.潜水人员进入 舱室后将舱门密封,系统向舱内注入压力为该深度海水 图1水下干式高压舱 压力的高压空气,将舱室中的海水压出,使受损管道与 水脱离,形成千式作业环境后对管路进行修复. 2.水下高压焊接系统 水下高压焊接系统的核心是一套TIG焊接机器人, 见图2.其系统构成主要由焊接行走小车,钨极高度自 动调节器,钨极横向自动调节器,钨极二维精细调准 器,焊接摆动控制器,遥控盒,送丝机构,导轨,TIG 焊接电源,TIG焊炬,水冷系统,气体保护系统,弧长 控制器,角度 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 器,焊接监视系统和控制箱等部分 组成. 图2FIG焊接机器人 按照”水下干式管道维修系统”干式舱总体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,需要将研制的焊接系统设备分开放置,即高压焊 接电源及其控制计算机,保护气瓶放置在支持母船上, 轨道焊机及其控制器,送丝机放置在干式舱内,二者之 间通过长ZOOm的焊接专用脐带相连.焊接前,首先由 非焊接专业的潜水员完成轨道安装,机器人安装,更换 电极,调整送丝角度和位置等辅助工作.开始焊接时, 由焊接专家在支撑母船上监控操作焊接.由于焊接机器 人具有很高的自动化程度,焊接过程不需要潜水员干 参曷工拗旺—— 璧堡Iro?icnIRvi”?????????????????????? 预. 3.水下密封与封堵 在确认管道损坏位置和损坏状况后,如果决定采 用水下干式维修工艺更换损坏的管段,则在实施高压干 式焊接之前必须完成管道的封堵,目的是防止干式舱里 的气体与管道内的介质相互串动,破坏实施高压干式焊 接的环境.由于封堵作业需要较大的空间,所以一般来 说不便在干式舱内进行,封堵作业是在水下环境中进行 的. 维修完成后封堵器暂时滞留在管道内,靠供输压 力(供输压力一般都在4MPa以上)将其从远端出El推出 或将其击碎后推出,严禁出现卡堵情况,保证管内绝对 畅通.为此,经过反复试验,封堵器采用聚氯酯材料制 成柱状,靠其与管道的适当过盈配合来进行封堵,封堵 压差为0.1MPa. 4.海管维修专用作业机具 金刚石绳锯机是专用的海管维修作业机具.海底 输油管线一般有单层管和双层管两种,单层管的主要结 构是其外面覆盖一层防腐层和钢筋混凝土配重层;双层 管主要结构是在两层钢管中间添加防腐层和保温层.由 于金刚石绳锯机能同时切断钢管和钢筋混凝土的保护 层,且安装方便,可控性好,作业时冲击低,对操作者 和环境不产生有害影响,可以针对所切割的物体形状, 尺寸及工作环境进行针对性设计.既能够在陆上,又适 合于在水下作业,因此在海底输油管线修复的过程中, 金刚绳锯机是非常理想的管道切割作业工具. 四,结语 通过水下焊接技术的综述和国内海洋工程的实际 应用状况分析,探Hr未来水焊接技术的发展趋势. (1)干式焊接向无人辅助的深水发展目前的高 压f:法水下焊接通过采用自动化和智能化的技术,实现 厂焊接过程的自动监控,焊接质量好,效率高.但于法 水焊接仍然需要潜水焊工,焊接设备的安装,维护和 监测都需要潜水员的辅助,因而实际应用的焊接系统还 不能超过650m.水下焊接技术要向更深的海洋深处应 用,必须发展智能化的无人水下焊接机器人. (2)湿法焊接的新材料突破由于水卜湿法焊接 的质量无法保证,因此提高湿法焊接的质量是研究的重 点.相信随着对新材料研究的不断深入,必将有高质量 的水下焊条问世,到时湿法焊接也将进入一个崭新的阶 段. (3)先进的水下焊接方法研究除r传统的,应 用最广泛的电弧焊以外,一些先进的焊接方法也已获得 了广泛的研究与应用,如激光焊,电阻焊,摩擦焊和爆 炸焊等.这些焊接方法的应用,极大地促进了海洋资源 的开发和利用.MW(20090208) (上接第l6页) 或API?1104 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的要求,焊缝具有较好的硬度值和较 高的低温冲击韧度.激光焊接技术对海底管道的海上 铺管是一种很有前途的高效自动焊方法(管道焊接只 需一个工位即可),可极大地提高海上作业速度. 3.海底集束管道施工技术 渤海湾油田多处于滩浅海水域,油田距岸相对 较近,油田内部平台之间或平台与单点系泊之间,需 要多根油,气,水海底管线和电缆的安装铺设,工作 量大,多次安装费用高.加之渤海湾(如胜利埕岛油 田)有些海区开发的油气田群已铺设了较多的单根海 底管线和电缆,有些地方已显拥挤,亟待将多根管线 整合安装的技术.集束管具有以下优点:可将以上这 些不同用途的管线汇集在一个大口径的承载管或护套 I墨丝兰塑塑壁.!塑参曷工热加工WW14~.metalworking1950.com 管中,将诸多的管线一次性安装就位,简化管道海 上安装.不但节约费用,而且也使其内部输送油气 的管线得到可靠的机械保护,同时也节约了海底空 间,避免了海底不必要的拥挤.另外,也使抛锚对 海底管道损伤的风险降到最低.护套管对内置液流 管发生泄漏起到保护屏障作用,这就把对环境污染 的风险降到最低.集束管道可在岸上预制和检测, 施工便利,安全可靠,海上安装不需专用铺管船. 集束管道施工技术在国外已经大量用于深海的海洋 管道铺设施工,而国内尚无此项技术.因此,开展 集束管道施工技术的研究,将填补国内空白,赶超 世界先进水平,也会为企业带来巨大的经济效益和 社会影响.MW(20090115)