海洋石油工程水下焊接技术的现状及发展趋势

现代焊接 2009年第4期 总第76期 J-1 前 言 随着国民经济的高速发展，我国 能源的需求也快速增长。而国际石油 市场由于地缘政治的矛盾和地区冲突 的加剧，石油的供给更加具有不确定 性。因此，海洋石油资源已成为国际 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，提出建设综 合性国际能源公司的总体目标，加快 了向海洋拓展的速度，并于2004年8月 成立了中石油集团海洋工程股份公司, 为海洋油气勘探开发提供工程技术服 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、海底管线等，这些装置常年在环 境极为恶劣的海上工作，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 择以及焊接施工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，同时可能会造成严重 的环境灾难，一般都要求尽快实施修 复。然而，其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，减少国家和企业 的损失，采用水下焊接技术进行修复 将是一种必然的选择。 随着海洋石油工业的发展和各种 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 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 当前及今后一段时间内针对工程应用 海洋石油工程 水下焊接技术的现状及发展趋势 作者简介：唐德渝（1961-），男，重庆人，1982年毕业于 重庆大学焊接专业，1992年获天津大学工学硕士学位，高级 工程师。一直从事石油工程焊接技术的研究、开发及推广应 用工作，取得多项有应用价值的技术成果。 中国石油集团工程技术研究院 唐德渝 ［摘要］ ［关键词］ 随着海洋石油工程的快速发展，水下焊接技术的研究、开发及应用势在必行。本文简要叙述了水下焊接 方法的特点及存在的问题；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，对其今后的发展趋势及研发方向进行了探讨。 海洋石油工程；水下焊接；现状；发展 焊接行业热点话题、重点方向的专题阐述与分析 专 题 综 述 TOPIC SUMMARY 需开展的技术开发的工作内容，这对 于推进我国海洋石油工业的发展，具 有十分重要的意义。 由于水环境及水下压力的存在， 水下焊接过程与陆地有很大的差别。 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。其中对焊接过 程有直接影响的主要有下述问题： 由于光线在水中的传播距离为空 气中的1/1000，水对光有明显的衰减 作用，再加上焊接时电弧周围产生大 量气泡和烟雾，使水下电弧的可见度 非常低。在有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 1 水下焊接的基本问题 1.1 能见度差 Present situation and development trend of underwater welding technology in marine petroleum engineering J- 2009年第4期 总第76期2 现代焊接 专题综述TopicSummary 折射，使得观察物与实际位置出现偏 离。因此，水下焊接过程中，焊工几 乎看不清熔池，无法了解焊缝成形， 同时，对熔池位置的判断也有偏差。 实际焊接属“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 的重要原因之一。 电弧焊接时，会引起水的汽化和 蒸发，使熔池的冶金条件恶化，产生 大量的气孔，严重时甚至难以成形。 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。一般水下焊接 中焊缝扩散氢含量为30~40mL/100g， 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。 水下焊接时，由于水的热导率比 空气大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。 随着水深的增加，水下环境压力 也随之增加（水深每增加10m，压力 增加0.1MPa）。随着压力增加（实际 上是电弧气氛压力增加），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 1.2 气孔多，氢含量高 1.3 冷却速度快 1.4 压力的影响 性、焊缝性能以及焊缝的化学成分等 都会产生不利的影响。 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 段的方法进行，因而产生焊缝不连续 的现象。 上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 方法或者研究新的方法及设备时都必 须首先对这些问题加以充分考虑。 英国汉费莱·戴维（HumPhrey Davy）早在1802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止漏。1932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，水下 焊接技术在打捞沉船等方面占有重要 的地位。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，并要求 达到较好的焊接质量。这方面最早的 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可的潜水 焊工，并制定了水深小于100m的水下 湿法焊接工艺。1987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愈来愈多, 1.5 连续作业难以实现 2 水下焊接技术的发展简介 而且船舶进行船坞修理的成本增加， 湿法水下焊接技术得到进一步的发展。 水下焊接技术在中国也一直受到 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，开发了水下局部排水 CO气体保护焊接技术，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，有效地保障焊接质量。 近20年来采用LD-CO焊接法完成了多 项水下施工任务。近年来，北京石油 化工学院针对海底管道泄漏的水下维 修问题，开展了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。 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 是采用陆地焊接的常用方法，即以电 弧熔焊为主，但是为了消除或减少水 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，水下焊接方法又具有不同的特 点，而且由于水的存在，水下焊接存 在某些特殊问题。现分析如下： 2 2 2 3 现有的水下焊接方法及其 特点 3.1 湿法焊接及其特点 所谓湿法焊接，就是电弧直接在 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，湿法焊接中，水下焊接的基本问 题表现得最为突出。采用的方法主要 有水下焊条电弧焊和药芯焊丝半自动 焊两种。 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7018′S 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 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的质量。 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，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。当然，其焊接效率较手 工焊也有明显的提高。 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。 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 3.2 干法焊接及其特点 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的焊接。 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”。 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508mm、813mm及914mm的 海底管线。目前最大实用水深为300m 左右。在该焊接方法中，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，基本上可达 到陆地焊缝的水平，但也存在如下三 个问题： 3.2.1.1 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。 3.2.1.2 必须配有一套生命维持、湿 度调节、监控、照明、安全保障、通 信联络等系统。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公司的一套可焊接直径 813mm管线的焊接装置（MOD-1）价 值高达200万美元。 3.2.1.3 同样存在“压力影响”这个 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。 3.2.1 高压干法焊接 3.2.2 常压干法焊接 现代焊接 2009年第4期 总第76期 J-3 专题综述Topic Summary 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 相环境中进行正常焊接，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 地焊接了直径426mm的海底管线。这 个气室是一个直径为2.4m、长为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，所以一般只用于深水 且重要结构的焊接。 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 陆地焊接时一样，因此其焊接质量也 最有保证。 但采用干法焊接设备复杂，施工 费用高，其适应的接头形式也有限， 一般只用于管线接头的焊接。 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 大影响了它们对日益复杂化的海洋结 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，已成为各国水下焊接 研究的主要目标。由此而逐步形成的 局部干法水下焊接，近年来得到比较 迅速的发展。特别是小型局部干法， 设备简单并易于进行自动及半自动焊 接，因此更为受重视。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法。由 于它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 3.3 局部干法水下焊接及其特点 气室，适应性明显增大。它综合了湿 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，日本提出了水帘式及钢刷式，在 美国和英国是干点式及气罩式，而法 国新近发展了一种旋罩式。 该方法由日本首先提出。焊枪结 构为两层。高压水射流从焊枪外层呈 圆锥形喷出，形成一个挺度高的水帘, 阻挡外面的水入侵。焊枪内层通入保 护气体，把焊枪正下方的水排开，使 保护气体能在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 气相空腔；三是把逸出的大气泡破碎 成许多小气泡，使气腔内气体压力波 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 工焊十分困难，应向自动化方向发展。 这是日本发展的一种方法，是为 克服水帘式的缺点而研制的。此法是 用直径0.2mm的不锈钢丝“裙”代替水 帘的一种局部排水法，它不仅可进行 3.3.1 水帘式水下焊接法 3.3.2 钢刷式水下焊接法 自动焊，也可进行手工焊。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 侧衬上一圈直径0.1mm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1~6m。 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，焊工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。这种气罩式局部干法水下 焊接属于大型局部干法，焊接质量比 小型局部干法高，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。 1968年由美国首先提出，后由美 英跨国公司应用于生产。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，气室 内呈气相，电弧在其中燃烧。气室直 径只有100~130mm，属于干点式水下 焊接法。 焊接时，将气室开口端与被焊部 位接触，在开口端装有半透密封垫与 焊枪柔性密封，焊枪从侧面伸入气室 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 3.3.3 罩式水下焊接法 3.3.4 可移动气室式水下焊接法 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较稳定, 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180°, 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 煤矿测量规程下载煤矿测量规程下载配电网检修规程下载地籍调查规程pdf稳定性研究规程下载 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： 3.3.4.1 不能很好地排除焊接烟雾的 影响。 3.3.4.2 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。 3.3.4.3 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 焊接方法，除了干点式已初步在实际 中应用外，其它尚处于试验阶段。 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 水环境、水压的影响，质量难以保证。 尽管英、美等发达国家已发展了多种 高质量的水下焊条，并且其适应水深 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 4 现状及发展趋势探讨 J- 2009年第4期 总第76期4 现代焊接 专题综述TopicSummary 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，短期内难以突破。 局部干法水下焊接是一个比较有 发展前途的焊接方法，这种方法简单 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，因其服役条件恶劣，对可靠 性、安全性要求很高，且材质一般都 采用低合金高强钢，因此，对焊接质 量提出了很高的要求。如果安装和维 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， 通过进一步完善系统的装备及焊接技 术，才有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，水下焊接技术的要求越来越 高。目前，水下干法研究的范围仅涉 及60m水深，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，国内外都处于探索之中。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 机器人焊接技术。 因此，鉴于目前的技术基础以及 今后海洋工程的发展需求，需尽快开 发研究的水下技术有： 4.1 焊接电弧直接影响焊缝成形和接 头质量，研究电弧行为非常重要，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 地研究高压环境下电弧的物理特征， 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压力对 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。 4.2 目前，对60m水深范围内的高压 干法GTAW焊接方法进行了较深入的 研究，形成了相应的应用技术，对于 更深海域的开发，目前的研究明显不 足，需针对深水进行更深入的研究。 4.3 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。目前， 这方面的工作国外刚刚起步，它涉及 水下高压环境中的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。 4.4 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，水下熔池图像的 摄取将面临许多难题，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。 4.5 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 内实现了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，焊接设备的安装、维护和检测都 需要潜水员的辅助，因而在实际使用 的焊接系统还不能超过650m，而且对 潜水焊工的专业和技术要求很高。所 以，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。因高压干法水下焊接 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，从海洋石油开发的前景来 看，水下焊接需研究解决的问题还很 多，这些问题严重制约水下焊接的实 用化进程。因此，需尽快开展并加强 这方面的研究，以适应海洋开发对水 下焊接技术的迫切需求。 [1]宋宝天.水下焊接与切割[M].北京：机械工业出版 社,1989 [2]史耀武,张新平,雷永平.严酷条件下的焊接技术[M]. 北京：机械工业出版社, 1999 [3]Michael D.Trolling thedepths with a new system[J]. 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