水下焊接技术的发展与挑战

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：但在其后的二三十年间，水下焊接仅在船舶紧急维修等有限场合获得应用。近几十年来，水下焊接技术取得了很大的发展，已经成为海洋工程建造和维修的关键技术之一。随着海洋工程的建设向深水进军，水下焊接技术也面临着新的挑战。水下焊接环境比空气中焊接复杂得多，在水下实施焊接，必然受到水及水深压力的影响。只有常压干法水下焊接和空气中焊接的含氢量接近。

早在1802年，Humphrey Davy就指出：电弧能在水下连续燃烧。1917年，英国海军造船所采用水下电弧焊对船舶吃水线以下部位的铆接漏水部分进行焊接止漏。1932年前苏联Khrenov发明了表面涂有防水层的水下药皮焊条，使水下焊接电弧的稳定性得到改善。但在其后的二三十年间，水下焊接仅在船舶紧急维修等有限场合获得应用。

随着人类对海洋资源的开发力度逐渐加强，海洋采油平台、输油气管线、海底矿产开发、海上机场等工程的建造与日俱增。目前，仅美国墨西哥湾就有超过4000座的海洋石油平台及超过2092km的输油管线。到2009年，我国海域已有30多个油井、100多座采油平台，海底油气管线超过2000km。近几十年来，水下焊接技术取得了很大的发展，已经成为海洋工程建造和维修的关键技术之一。随着海洋工程的建设向深水进军，水下焊接技术也面临着新的挑战。

大多数陆上的焊接方法都可应用于水下，但必须采取一定的措施，克服水和水深（压力）给焊接造成的困难。按隔水措施的不同可将水下焊接分为三大类：湿法焊接、干法焊接和局部干法焊接，如图1-8-1所示。湿法焊接直接在水中进行焊接，焊工和焊接区（包括电极、电弧和焊件）均在水中；干法焊接时焊工与焊接区完全与水隔开，在焊接舱内干的环境下焊接；局部干法焊接时焊工在水中，而焊接区与水隔开。

水下焊接环境比空气中焊接复杂得多，在水下实施焊接，必然受到水及水深压力的影响。

图1-8-1 水下焊接分类

1.水的影响

（1）可见度水对光的吸收、反射及折射作用比空气强得多，光线在水中的传播能力仅为空气中的千分之一左右，而且采用湿法或局部干法水下焊接时，电弧周围不断产生气泡，因此可见度很差，潜水焊工很难清楚地观察到焊接熔池的状况。

（2）焊缝冷却速度湿法和局部干法焊接时，虽然电弧周围有“气泡”或排水罩保护，但其尺寸较小，随着电弧的移动，刚凝固的焊缝尚处于高温时即与水接触。水对焊缝的急冷效应显著，容易产生淬硬组织，甚至出现裂纹。

（3）焊缝含氢量湿法水下焊接时，电弧高温将水分解成大量的氢和氧，电弧气氛中氢的体积分数高达62%～82%，使焊缝金属含氢量达20～70mL/100g。高于在空气中焊接时的几倍。高压干法水下焊接时，由于电弧气氛压力高，氢在熔池中的溶解量大，也导致焊缝含氢量高和产生气孔。只有常压干法水下焊接和空气中焊接的含氢量接近。

2.水深压力的影响

水深每增加10m，则水压力增加0.1MPa。随着压力增加，焊接电弧周围气流冷却作用明显增强，使弧柱受到压缩，电流密度显著增大，电弧电压升高，电弧稳定性降低。

另外，水压增大导致熔池金属中气体溶解度增加，焊缝中的氢气和氧气的含量增加，因此深水焊接中气孔和非金属夹渣问题突出。水深增加，焊缝金属中C含量也有增加的趋势，而Si、Mn的含量则呈减少的趋势。

水下焊接技术的发展与挑战

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