海洋结构物水下焊接修复技术发展现状

1、KJ此京/&蚀化工骨欲jerijgyBEUIMGINSTTLJTEQF PETROCHEM1QA. TECINOLQGY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

2、擦焊接激光焊接Current situation of the development of underwater weldingrepair technology of Marine structuresAbstract： 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 situati

3、on 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 in

4、troduced.Key words： Underwater welding Underwater wet welding Local dry underwater welding Hyperbaric underwater welding Friction welding Laser welding0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

5、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

6、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。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

7、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3040 mL/100 g，最高可达 6070 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，

8、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。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。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

9、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W 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】

10、。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焊条O 02/MPaO b/MPa6 /%叩/%TS20847057017.030.0国外焊条46554017.532.0表2 TS208焊条对接接

11、头性能4板拉伸冷弯O 02/MPa断裂位置d=6a，弯曲角度20评定540母材无裂纹合格545焊缝无裂纹合格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

12、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I67】。3.2局部干法水下焊接局部干法焊接是用气体把要进行焊接的局部 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。局部干法水下焊 接的种类很多，包括干箱式焊接、干点式焊接、 水帘式干法焊接、钢刷式水下焊接以及局部干法 大型气罩法水下MIG/TIG焊接等。其中已经在生 产中应用的焊接方法有气罩式水下焊接法、水帘 式水下焊接法和可移动气室式水下焊接法。国外发展状况：美国1968年首先提出可移 动气室式水下焊接概念的，可移动气室式水下焊 接有1个可以移动的一段开口的气室，通入的气

13、 体既是排水气体又是保护气体，用气体将气室内 的水排出，气室内呈气相，电弧在其中燃烧。1973 年开始在生产中应用，该方法的气室直径较小， 只有100130 mm；日本首先提出水帘式水下焊 接法由，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，稳定燃烧属于较小范围的局部干法，为 解决可见度问题，又相继提出了钢刷式局部干法 水下焊接，施焊时可采用自动焊，也可采用半自 动焊。国内进展：我国哈尔滨焊接研究所研制成功 了 LD-C

14、Q焊接方法，并开发了配套的NBS-500型 水下半自动焊机，在国内进行了多成功施焊，焊 接接头的质量可以满足国际上常用的 API 1104 规程的要求；张旭东等人对水下局部干法激光焊 接进行了研究，使激光焊接成功应用于水下焊接; 北京石油化工学院能源工程连接技术研究中心与 上海核工程研究设计院合作，共同研制了一套局 部干法自动水下焊接试验系统，并利用该试验装 置进行了模拟5m和15m水深条件下的局部干法 自动焊接；海洋石油工程股份有限公司与天津大 学合作，共同研制了一套基于固定式排水罩的水 下局部干法半自动GMAW焊接系统，采用压力 舱试验模拟开发了水深60m的海洋工程用结构钢 的焊接工艺，并

15、成功在渤海海域进行水深10 m和 22 m条件下的海试。局部干法水下焊接由于焊接局部区域排除了 水的干扰，改善了焊接接头质量且不需要大型焊接 舱，设备简单，成本较低，又具有湿法焊接的灵 活性，适应性明显增大，因此是很有应用前景的 水下焊接方法。3.3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。根据压力舱或工作室内的压力不同， 干法水下焊接又可分为高压干法水下焊接和常压 干法水下焊接。3.3.1高压干法水下焊接该焊接方法采用高压干式气室，气室底部是开 口的，通入气压稍大于工作水深压力的

16、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。该方法完全排除了水对焊接的影响， 是当前水下焊接方法中焊接质量最好的方法之 一，基本上可达到陆上焊缝的水平，目前最大实 用水深为360 m。高压干法水下焊接由于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。气室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，故其 辅助工作时间长，水面支持队伍庞大，施工成本 较高。同时还存在“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

17、性及焊接工艺特性都要受到不同程度的影响。而 且焊接质量及工艺方法还受舱内气体成分的限 制。国内外大部分高压焊接试验舱大多采用Ar气、 He气或者混合气体，北京石油化工学院开展了高 压空气环境下的TIG、MIG焊以及激光复合焊接工 艺的研究，取得了良好成果。理论上陆上使用的各种焊接方法均可以应用 于高压焊接，但是不同的焊接方法适应的压力范 围不同。根据目前的研究表明TIG焊适于用在水 深500m以下，500m甚至1000m以上的焊接可以 选择MIG焊接和等离子焊接。Cranfield University 的研究人员利用高压焊接试验装置HyperWeld250, 采用连续送丝、脉冲电流工艺，实现

18、了 250bar压力 即相当于2500m水深条件之下的MIG焊接,并且对 焊接电弧、熔滴过渡、焊接熔池等进行了深入研 究8。目前高压干法水下焊接模拟研究进展比较 大。国外进展：挪威SINTE-Simweld试验装置其压 力舱的设计压力为10 MPa，相当于海深1 000 m 处的压力；英国Cranfield大学Hyperweld250 Simulator试验装置能模拟2500m水深的舱内无 人高压干法水下焊接，提供了一种在的水深 2500m范围内可行的连接方式，能在无人情况下 对深水管道和支架进行条状焊缝的修补，并能保 证深水管道热渣连接的密封性能回；苏格兰NHC 的舱内载人高压焊接研究模拟试

19、验装置；德国 GKSS中心的试验装置对6001100 m水深处药 芯焊丝弧焊的短路过渡行为、电源输出功率大小 和梯度对熔滴过渡的影响、熔池反应机理、氧吸 附的影响因素和保护气体的选择等进行了研究， 该研究成果已应用于设计高压焊接舱，取得了令 人满意的结果。在国内，哈尔滨焊接研究所研制 了 HSC-1和HSC-2试验装置；北京石油化工学院 建立了目前国内最大的高压焊接试验装置试验舱 设计压力1.5 MPa，并且对高压空气下脉冲TIG、 MIG焊工艺参数进行了研究，获得良好的成果10】。陈锦鸿等人采用高压干法焊接修复了广州市 一过河水管，维修水深15m，水管直径为630 mm， 壁厚8 mm，使我

20、国的水下焊接技术获得了新的发 展口】。3.3.2常压干法水下焊接常压干法水下焊接技术是指在深水区域内焊 工仍能与陆地上一样，在特制的一个大气压的干 式气室里进行焊接如图2所示。焊接的最大优点 是可以有效地消除水对焊接质量的影响，焊接条 件几乎和陆地一样，焊接质量达到最好，但焊接 设备复杂，提供保障的人员更多、施工的费用更 高，比高压干焊法更复杂，且焊接接头的形式也 有局限性，一般只能用于管线接头的焊接，所以 还不能广泛应用。1-浮箱；2-常压舱；3-液压测力计；4-装配塞；5-新管；6调整短管；7-密封卡环图2常压焊接原理示意图6国外进展：1977年，法国LPS公司首先采用 这种方法在北海水深

21、150m处成功地焊接了直径 426mm的海底管线。2005美国TDS公司研制了能 在600 m深水下进行常压干法水下焊接装置，用 于焊接管径900 mm、壁厚32 mm的管道3】。目前 国内还没有常压干法水下焊接的设备12】。此外还有两种特殊情况的常压干法水下修复 技术：一种是将结构物主要是管道提升出水面，在 水上焊接，焊接完毕再下放到海底；另一种是修筑 围绕结构物待修部位，连接到水面的围堰，在干式 围堰内焊接10】。提升修复和围堰焊接只能应用于 某些特殊场合，而且通常只能应用于浅水区域。 2011年5月，中国石油天然气管道局维抢修分公司 在大亚湾利用围堰方式，完成了浅海海底管道维抢 修封堵改

22、线施工。3.4其他水下焊接技术3.4.1水下固相连接技术摩擦焊接与电弧焊接比较，因为接头性能优异 且高效、低耗、清洁、高精度而具有突出的优势, 已经成为当前发展最为迅速的焊接技术。对于水 下应用而言摩擦焊接容易实现水下机器人的自动 焊接，保证安全和减少费用，尽可能地淘汰人工 潜水操作。摩擦焊接质量对于水深不敏感,不同水 深焊接参数几乎没有变化，这是电弧焊接难以比拟 的巨大技术优势，所以摩擦焊接成为当前海洋结构 物水下修复的热门研究领域。摩擦焊接方法种类 很多，其中应用较多的有摩擦螺柱焊(Friction Stud welding)、搅拌摩擦焊接(Friction Stir welding)、摩

23、 擦叠焊(Friction Stitch welding)、径向摩擦焊接 (Radial Friction Welding)。摩擦螺柱焊(Friction Stud welding)在 ROV(Remotely Operated Vehicle)支持下已经成功 地应用于深水阳极修复等众多场合。英国Circle Technical Services Ltd.公司采用该技术实施的成功 案例最多。北京石油化工学院能源工程先进连接 技术研究中心自主提出结构方案，设计制造了摩 擦螺柱焊机，使得进行连接机理的相关研究具备 了一定的硬件基础，并进行了初步的水下摩擦螺 柱焊接研究13。摩擦叠焊是TWI于199

24、2年发明的以海洋平 台、海底管道修复为主要目的的固相焊接技术，将 一系列锥形螺柱塞入一系列相应的锥形预钻焊孔 之中,从而叠合搭接“缝合”(Stitch)出来完整焊缝 进行裂纹修复，其基本单元过程称为FHPP(Friction Hydro Pillar Processing)，其基本原理见图 3。图3摩擦叠焊单元过程与完整焊缝形成1997年6月-2000年5月,由德国GKSS研究 中心、英国国家高压焊研究中心 (NHC)、英国 CireleTechniealService公司、英国 StoltOffshoreLtd.、 瑞典NEOSRoboties等7家单位组成的项目组，研制 开发了一套基于电动

25、机器人和摩擦叠焊摩擦头的 无人操作钢结构水下裂纹修复系统。1998年12 月-2001 年 8 月，由 Stolt Offshore Ltd.、NHC、GKSS 联合开发了欧盟THERMIE Stitchpipe深水油气管道 修复用的摩擦叠焊系统样机。2006年北京石油化工学院与中国搅拌摩擦焊 中心合作，结合水下修复环境要求，成功开发出了 中国首台水下摩擦叠焊设备，主要用于钢板、钢管 等材料的焊接;可实现厚度10-25mm钢板对接及 管径W200mm管道焊接网。机器人技术是摩擦焊接新技术应用的重要条 件，对于深水修复，因为潜水员饱和潜水深度的 限制，所以必须采用的水下遥控机器人ROV进行 作业

26、。搅拌摩擦焊是一种机械摩擦生热连接方法， 搅拌头承受巨大的载荷，钢材的连接尤其如此，要 求机器人有很大的刚度，而传统的机器人是不能 满足要求的，并联机器人发挥了重要作用15。3.4.2激光焊接与爆炸焊接激光焊接能量便于长距离传输至待焊部位且 易于控制，焊接系统可以简化和集中，因此激光 水下焊接技术已成为核电厂远程处理的最佳工具 之一，激光焊接已经成功地应用于30m水深核反 应堆裂纹的湿式修复阳20，因此在海洋工程水下 焊接中也有着重要的应有前景。爆炸焊接是一种 锻压焊接技术，虽然在20世纪70年代曾经用于水 下连接，但是后来没有继续发展，其主要原因是 对于安全性的担心【17】。总结由于水下湿法

27、焊接的质量难以保证，因此 新型焊接材料的研究受到人们的重视。随着高质 量的水下焊条和药芯焊丝不断研发，水下湿法焊 接质量逐步提高且应用的水深增加，水下湿法焊 接的优势可以得到进一步的发挥。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3040m,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。目前的高压干法水下焊接仍然需要潜水 焊工的辅助，因而实际应用的焊接系统的水深还 不能超过650m。要实现水下焊接技术在更深的海 域应用，必须发展智能化的无人焊接机器人

28、。激光焊、电阻焊、摩擦焊和爆炸焊等先进 的水下焊接方法获得了广泛的研究，尤其是水下 摩擦焊接与机器人技术的结合，使得水下焊接修 复技术得到了极大的发展。参考文献吴 磊,宋红伟.水下焊接技术的现状及发展趋势J. 管道技术与设备，2012,2:37-39.周灿丰，焦向东，陈家庆，等.海洋工程水下连接新 技术J.北石油化工学院学报,2006,14(3):22-25.朱加雷，俞建荣，焦向东，等.水下焊接技术研究和 应用的进展J.2005,34 (4)： 1-3.吴伦发，王君民，郑晓光，等.低合金钢用湿法水下 焊条的研制及应用J.热加工工艺，2006, 35(11)： 65-67.刘桑钟，继光王，国荣.水下焊接技术研究与应用的 新进展J.中国修船，2000( 3) : 12 -14.周利,刘一搏，郭宁，等.水下焊接技术的研究发展现 状J.电焊机，2012,42 (11)： 6-10.叶建雄，张华.旋转电弧水下药芯焊丝电弧焊的智能 化焊接系统J.焊接学报，2008,29 (3)： 141-145.Amin S. Azara, Neil Woodwardb, Hans FostervolIc.Sta