1、焊接技术第!卷第期#$%年&$月按照环境压力的不同! 焊接可分为!种! 即常压焊接 高压焊接和负压焊接# 其中! 高压焊接通常应用于水下施工!水深每增加&$ ! 环境压力增加&($&)&$*+$ 负压焊接则通常是指低于大气压的太空焊接# 优先发展海洋石油是中国能源政策的基本策略之一! 平台的水下部分% 海底管道等水下结构物的修复需要广泛地使用水下焊接技术& 水下焊接技术从工艺的角度分为!种! 即直接与水接触的湿式焊接! 在焊接舱本体内外压力基本平衡的高压焊接舱中进行的高压焊接! 以及在焊接舱本体承受海水压力的常压舱中进行的常压焊接&湿式焊接因为焊接质量难以保证! 通常只应用于非重要结构物! 比
2、如牺牲阳极的焊接& 常压焊接则因为常压舱设备费用过于昂贵! 工程上很少应用& 高压焊接则是焊接质量与焊接成本的妥协! 广泛应用于海底管道等重要结构物的修复& 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& 在水深!$ 处!,-.焊接质量可以得到很好地保证! 而且因为,-.焊接易于实现自动化! 已成为应用最为广泛的高压焊接方法&随着我国海洋石油的飞速发展! 目前! 我国海域已铺设的海底管道达到# $ /!十五( 期间至少会有约& 0$ /新的海底管道投入运营# 其中大多数管道! 比如渤海海域管道都已经达到或者接近设计寿命! 管道维护的潜在需求量很大# 以前!
3、 我国海底管道修复基本上依赖国外设备和技术!成本非常昂贵! 而且容易延误生产# 所以! 完全有必要开发适合我国国情的% 具有自主知识产权的海底管道维修系统!这也是#$#年&$月国家科技部启动 十五(12!重大项目的水下干式管道维修系统(3&4的主要原因# 水下干式高压焊接是该项目中一个重要的子课题#!高压环境下的#$焊接行为英国56+789:;:6?9A的BCD7 E9FC7对高压环境下的,-.焊接行为进行了比较全面的介绍3#G# 在高压焊接舱封闭的高压环境中! 采用高频放电引弧是不安全的! 更多地采用在工件碳衬上击打电极的方法引弧# 这避免了如果电源的短路电流过大! 钨污染焊接接头的可能性#
4、 现代电源改进了电流控制!通过钨极和工件的直接接触实现引弧是可能的#&(&压力对,-.焊接弧压的影响压力对,-.焊的重要影响是增加弧压# 弧压分成 下降沿( 和 柱状( 两个部分! 压力对 下降沿( 部分影响很小!对 柱状( 部分有显著影响! 其遵循的规律是电场强度与绝对压力的平方根成正比# 这就要求焊接电源必须能够提供有一定的弧压裕量! 才能维持一定的工作电弧长度#用方程表达为)!HI5JKL!&1(!#$!*&+其中!HI5是弧压!M$%是&($&)&$*+时的电场强度!MN$&是绝对压力!*+$#是电弧长度!& 当,-.焊的电流位于正高 压 %$ 焊 接 技 术 及 其 应 用 研 究周
5、灿丰&! 焦向东&! 房晓明#*&(北京石油化工学院 机械工程系! 北京&$#2&0$#(海洋石油工程股份有限公司! 天津!$%#+摘要) 在分析高压焊接特殊物理行为的基础上! 借鉴国外类似系统的特点进行了整体方案设计& 设计了一套水下干式高压焊接系统!并对其进行具体分析! 该系统可以满足2$ 水深海底管道的高压,-.自动焊接&关键词) 水下焊接$ 高压,-.焊接$ 焊接系统设计$ 脐带中图分类号),.%2(文献标识码)O收稿日期)#$%P$%P$K$ 修回日期)#$%P$P&基金项目) 国家高技术研究发展计划 *#$#HH2$#$&#+机械工业出版社!&KK#( #$!P#2(Q#G,机械工
6、程标准手册-编委会(机械工程标准手册 焊接与切割卷3RG(北京S中国计量出版社T#$&( #0P#0%(Q!G刘云龙!杜则裕!刘余然(焊工技师手册QRG(北京S机械工业出版社!#$#( P&!2(Q%G美国金属学会(金属手册*第八版+ 第六卷QRG(北京S机械工业出版社!&K1%(作者简介) 杨国辉 *&K2%.+! 男! 高级工程师! 长年从事锅炉和压力容器技术管理! 现从事机械设计和焊接教研工作(#文章编号)&$#P$#UV#$%+$P$!%P$#/工艺与新技术/!#$%& ()*&+#+,-+#./01+.23)4. 5667常范围内时! 弧压仅仅受到工作电流或多或少的影响895压
7、力对:;焊接效率的影响焊接效率是传递到工件的功率与电源总功率的比值 对于:;862?时的A6B下降到!=CDE5F?时的GEH! 而!=I8E5F?J时又恢复到G2H! 之后基本保持恒定 对于恒定的工作电流! 弧压随水深增加的速度比焊接效率下降快 大约0EE K水深时!:;焊的熔敷效率与LLM相当 正如陆上焊接! 通过向富含氩气的屏蔽气体中增加氦气来提高熔敷效率! 但是! 过度增加氦气会导致电腐蚀890压力对:;焊接电弧稳定性的影响5E世纪IE年代的研究表明! 随着环境压力增加!:;焊电弧稳定性降低! 即电弧围绕钨极根部随机波动 不稳定程度与屏蔽气体的大量流动有关! 这是钨极尖端的空气动力学效
8、应与电弧周围的漂浮效应共同作用的结果 研究表明! 高压:;焊的工作深度极限大致是2EE K!海底管道高压#$焊接系统设计高压:;焊接是海底管道等重要水下设施最可靠的维修方法!MNO$& PQNRJ 3SSR*+O T4U的33(3系统#V+LW公司的(X3YZD系统#P:M:3;T公司的?YP系统均采用轨道式:;焊系统! 利用这些系统在北海油田进行了广泛的水下维修作业0!7与之类似! 笔者设计的海底管道高压焊接系统也是采用轨道式:;焊接机头598海底管道高压:;焊接系统总体设计根据美国M?;有关规范的要求! 干式舱内只提供0C -低压电! 按照 $水下干式管道维修系统% 干式舱总体设计方案!需
9、要将研制的焊接系统设备分开放置! 即高压焊接电源及其控制计算机# 保护气瓶放置在支持母船上! 轨道焊机及其控制器# 送丝机放置在干式舱内! 二者之间通过长866 K的焊接专用脐带相连! 其具体布置见图8焊接专用脐带传送焊接过程所需要的电力# 气体和控制信号! 并将有关的焊接数据传输到焊接电源控制计算机 具体的连接是! 将从焊接专用脐带引出的焊接电缆正负极分别与管道#:;焊枪相连! 保护气缆与:;焊枪喷嘴相连! 焊接电流# 弧压以及轨道焊机位置信号反馈给焊接电源控制计算机! 焊接电源控制计算机发送的送丝控制信号与送丝机相连焊接电源控制计算机根据采集的弧压! 通过判断和计算! 发送控制信号! 该控
10、制信号传输给轨道焊机控制器! 由轨道焊机控制器发出焊枪高度调节指令! 从而完成脉冲:;焊接M-V控制干式舱内的焊接由舱内潜水员使用轨道自动焊机完成!潜水员不直接控制焊接电源! 而是通过声讯系统与支持母船上的焊接监督工程师实现信息交流! 焊接监督工程师掌握焊接过程信息的另一个重要手段是参考焊接电源控制计算机上显示的焊接电流# 弧压以及轨道焊机位置信号支持母船上:;焊接电源的电力供应是通过776 -0I6 -三相变压器来实现的! 干式舱内与焊接有关的设备供电则是由水下分线箱MV0C -转换输出来实现&!路V 57 -输出作为轨道焊机控制器?TV的专用电源!路的 _V 85 -a!#_2 -b!$
11、_57 -b则为送丝机 V 57 -!57 !(# 焊机驱动直流电机V 57 -( 以及焊机控制电机和传感器供电595焊接专用脐带设计焊接专用脐带由87根缆管组成! 其中焊接电缆7根! 送丝机控制信号线缆5根!M-V控制信号线缆8根! 弧压反馈信号线缆8根! 焊接电流反馈信号线缆8根! 焊机位置 角度( 反馈信号线缆8根! 保护气管0根! 焊接电弧视频信号线缆8根 控制信号线缆与反馈信号线缆设计充分考虑备用# 选择双层屏蔽双绞线解决信号传输损失和干扰等%结论高压气氛环境对:;焊接有重要影响! 在其基础上进行的海底管道高压:;焊接系统设计必须综合考虑焊接# 海洋工程等多方面的制约因素参考文献&8
12、$十五%IC0计划重大专项申请指南c9566595 d+*& 1%W+&9 e&UOfJ4O OgJ%O 4)*&+#+,L9 VJKNO%$h i+$*J$?QN#%R*%& T4$9j 566690 L%)*J# Jk%R9 :O+#%& 4* $g4*R f%4* J &f R,R4Kd9 i#$%& lL4J# mJNO%)J4%+&j 8AACjC7_Ibh56Z5597 T,+&R Y P)+449 e&$OfJ4O +ON%4J# :; f#$%&d9 L4J# V+&R4OQ)4%+&j8AI2j8G_Ibh267Z26G9作者简介& 周灿丰 8AG6)(! 男! 副教授! 主要研究方向为水下焊接# 测控技术与仪器9776 -72 FieiPZ66GeiPZ66IeiPZ66AeiPZ665eiPZ660eiPZ662eiPZ667eiPZ66C水面部分水下部分干式舱直径I2nA2eiPZ688eiPZ685eiPZ680eiPZ68GeiPZ68IeiPZ6870C6- MVeiPZ682eiPZ68CeiPZ685eiPZ656eiPZ680 eiPZ650eiPZ652eiPZ65CeiPZ657eiPZ655eiPZ65A轨道管道图&水下干式高压焊接设计系统总图eiPZ668eiPZ65I#$C86IAG!*工艺与新技术*!
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