海洋工程水下焊接自动化技术的应用解析

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摘要：随着国民经济的高速发展、能源战略的迫切需求，海洋工程不断地向深海推进。水下焊接作为海洋工程领域的重要技术，正受到越来越多的关注。下面本文简要对湿法水下焊接、局部干法水下焊接、高压干法水下焊接和常压干法水下焊接等方面的自动化技术应用现状及焊接设备进行介绍。

关键词：海洋工程； 水下焊接；自动化

中图分类号： P755.1 文献标识码： A

前言

随着国民经济的高速发展、能源战略的迫切需求，海洋工程不断地向深海推进。水下焊接作为海洋工程领域的重要技术，正受到越来越多的关注。从海上油气平台的安装建造到海底管线的铺设维修，从海上打捞营救工作到大型船舰的应急修理，随处可见水下焊接的身影。海洋结构件与陆地不同，除受到工作载荷之外，还要承受风暴、波浪、潮流所引起的附加载荷以及海水腐蚀、流沙磨蚀的作用。目前用于水下焊接的可用方法有20 多种，如水下焊条电弧焊、药芯焊丝半自动焊、高压干法 GTAW 焊、激光焊、铝热剂焊接、摩擦叠焊、水下爆炸焊等，但电弧焊由于具有操作性好、适用能力强等优点被广泛采用。

1 水下焊接方法

1.1 水下湿法焊接

湿法焊接是指被焊部件和焊枪直接暴露在水下环境中，电弧的形成、燃烧是在水中完成的。电弧气泡中的气体主要是由水蒸气高温解离形成的氢和氧，以及焊条药皮中燃烧分解的 CO 和 CO2气体组成，还有少量的 N2和微量气态金属构成。由于电弧气氛内氢的含量很大，所以氢脆敏感性成为特别关键的问题，极大地降低了焊缝强度。但由于湿法焊接具有设备简单、成本低廉、操作灵活、适用性强等优点，现已广泛用于海洋工程的建造安装及维修。目前采用的主要方法有水下焊条电弧焊和药芯焊丝半自动焊两种，一些先进水下焊接方法陆续被应用到工程中华,如激光焊、电阻焊、摩擦焊和爆炸焊等。

1.2 水下干法焊接

干法焊接的方法是指人为地将焊接部位及其周边一个较大范围内的水排开，在一个干的气相环境中让潜水焊工进行焊接。根据工程结构的具体形状、尺寸和位置的不同，通常需要设计相应的气室，气室中需备有一套生命维持、湿度调节、监控、照明、安全保障、通信联络的系统。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 φ813 mm 管线的焊接装置(MOD-1)造价高达 200 万美元。因此，这种方法多用于深水，且需要预热或焊后热处理的材料或质量要求很高的结构焊接。按水下气室中气体压力的不同，干法焊接又分为高压干法焊接和常压干法焊接。

1.2.1 高压干法焊接

高压干法焊接是当前最主要的优质水下焊接技术，目前最大实用水深约为 300 m。在该焊接方法中，气室底部是开口的，通过通入气压略高于工作水深压力的气体把气室内的水从底部开口处排出，从而保证焊接在干的气室中进行。一般采用焊条电弧焊或惰性气体保护电弧焊，其中 GTAW 具有电弧稳定、适于全位置焊接、易于实现自动化等特点，已成功应用于海底管道修复等水下钢结构焊接，并基本上可以达到陆地焊缝的水平。但是高压干法焊接

同样存在“压力影响”问题。在深水下进行焊接时，随着电弧周围气体压力的增加，焊接电弧的特性和焊接工艺都会受到不同程度的影响。因此，研究高压气氛中电弧特性是了解高压干法水下焊接过程，获得良好焊接接头的关键。北京石油化工学院蒋力培等人利用自制的高压干法水下焊接模拟实验平台，首次系统研究了高压空气环境下 GTAW电弧特性，并在实验数据的基础上，建立了高压环境下的GTAW电弧电压数学模型，综合分析了电弧长度、环境压力和焊接电流对 GTAW 电弧电压的影响。

1.2.2 常压干法焊接

常压干法焊接是指在深水下焊工仍然与在陆地一样的气压环境中进行焊接，排出了水深的影响，完全保证了焊接质量，其示意如图 1 所示。1977 年，法国 LPS 公司首次采用常压干法焊接技术在北海水深 150 m 处成功地实现了直径 426 mm 海底管线的焊接。但其设备造价比高压干法水下焊接还要昂贵，焊接辅助人员更多，所以一般只用于深水且非常重要的结构焊接。

1—浮箱；2—常压仓；3—液压测力计；4—装配塞；5—新管

子；6—调整短管；7—密封卡环

图 1 常压焊接原理示意

1.3 局部干法水下焊接

局部干法水下焊接是 20 世纪 60 年代末发展起来的，利用气体把被焊部件周围局部区域的水人为排开，形成一个较小的气相区，使电弧在其中稳定燃烧。局部干法焊接综合了湿法和干法两者的优点，由于降低了水的有害影响，使得焊接接头质量与湿法焊接相比有了明显的改善；与干法焊接相比，又无需大型昂贵的排水气室，其适应性和灵活性大大提高。如日本提出的水帘式焊接，该方法焊枪结构分为内外两层，外层通过喷出高压水所形成的水帘来阻挡外界水的进入，内层通入保护气体以在水帘内侧形成气相区，让电弧稳定燃烧。这种方法的焊接接头强度不低于母材，接头面弯和背弯均可达到180°，但是可见度问题没有解决。为克服水帘式的缺点，日本又相继开发了钢刷式，采用直径 φ0.2 mm 的不锈钢丝“裙”代替水帘的一种局部排水法，可进行自动焊和手工焊焊接，并已用于修补钢桩被海水腐蚀掉的焊缝。除此之外，现有的局部干法水下焊接方法还包括干箱式焊接、旋罩式以及局部干法大型气罩水下MIG/TIG 焊接等。

2 水下焊接设备

2.1 水下焊接机器人

水下焊接机器人作为一种专用的水下自动化焊接智能设备，不仅可以代替潜水焊工在危险水域进行焊接，保证人员生命安全，还能提高工作效率和保持焊接过程的稳定性。近年来，随着特定用途机器人的迅猛发展，水下焊接机器人被认为是未来水下焊接自动化的发展方向。目前，对水下焊接机器人的研究主要集中在结构密封、移动方式、远程通信及遥控和力觉、触觉传感系统的设计上。蒋力培等人在设计全位置智能焊接机器人时采用四磁轮方式，底板与左右两侧磁轮间通过铰链机构柔性连接，磁轮箱中的磁轮由交流伺服电动机通过减速器驱动，可自动保证四个磁轮同时接触焊接表面，磁吸力达 1 960 N 以上，并实现左右转弯，甚至原地转动。英国 Cranfield 大学海洋技术研究中心为实现水下无人焊接，用 Workspace 软件和 ASEA IRBL6/2机器人建立了水下焊接遥控仿真系统，并进行了水下环境模拟、远程操作、避障等方面研究。但是由于水下环境的复杂性和不确定性，水下机器人在焊接领域的主要应用还是焊缝无损检测和裂纹修复，这在英国北海的油井和天然气生产平台中得到了应用，目前世界上还没有完全将水下焊接作业交由水下机器人完成的实例。

2.2 水下焊接舱

深水中许多重要结构件的焊接为了获得质量高、性能好的焊缝，高压干法焊接仍是目前最主要的焊接方法。水下干式高压舱系统为水下干式维修作业人员提供了工作的平台，如图 2 所示。其核心是一套 TIG 焊接机器人，如图 3 所示，主要由焊接行走小车、钨极高度和横向自动调节器、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 焊接电源及焊炬、水冷系统、气体保护系统、弧长控制器、角度检测器、焊接监视系统和控制箱等部分构成。目前，国际上比较知名的作业系统有巴西CENPES中心的水下高压模拟实验装置，英国Aberdeen SubseaOffshore Ltd 开发的 OOTO 系统，挪威 Statoil 公司开发的 PRS 系统以及英、法合作的 Comex 公司开发的THOR21 系统等。近年来，北京石油化工学院海洋工程连接技术研究中心设计建造了压力为1.5 MPa，即相当于 150 m 水深的高压焊接实验装置，研制了钨极氩弧自动焊机，并获得了 0.1~0.7 MPa的16Mn 管道全位置自动焊接工艺。2006 年 11 月16日，该装置已在中国渤海湾天津新港锚地附近12 m水深海域进行实验，获得了外观良好的焊缝。

图 2 水下干式高压舱

图 3 TIG 焊接机器人

结束语

电弧焊仍是目前水下焊接的主要方法，其中湿法焊接因其成本低廉、操作简单等特点，在水下工程中的应用正在逐步扩大。水下焊接设备上正向自动化、智能化、高效化发展。随着海洋工程进一步向深海挺进，应发展更加智能的水下焊接机器人。

参考文献：

[1] 陈式亮.水下焊接技术的现状和展望[J].海洋技术，1982(2)：37-47.

[2] 蒋力培，王中辉，焦向东，等．水下焊接高压空气环境下GTAW 电弧特性[J]. 焊接学报，2007，28(6)：1-4．

[3] 叶建雄，尹 懿，张晨曙. 湿法水下焊接及水下焊接机器人技术进展[J].焊接技术，2009，38(6)：1-4.