水中切断装置と材料：究極のガイド

1.水中切断装置

(1) 水中アーク酸素切断

水中アーク・酸素切断に使用される主な機器には、切断電源、切断トーチ、切断ケーブル、サーキットブレーカー、酸素供給システムなどがある。

1) 電源の切断

水中アーク酸素切断で使用される電源は、水中電極アーク溶接で使用される電源と同様で、直流アーク溶接電源である。

ただし、定格電力が高く、公称出力電流は500Aを下回ってはならない。

一般的な水中切断ジェネレーターには、AX1-500やAX8-500といったモデルがある。

また、ZDS-500タイプの水中用 溶接パワー 電源とZXG-500型アーク溶接整流器電源は、水中切断にも使用できます。

特に、ZDS-500タイプの水中用。 溶接電源船舶専用アーク溶接電源は、耐水性、耐湿性、耐振動性、高過負荷容量、容易なアーク開始、安定したアークを持ち、切断効率を向上させることができます。

2) カッティング・トーチ

水中アーク酸素切断トーチは、以下の技術要件を満たす必要がある：

カッティングバーホルダーからハンドル中心までの距離は150～200mmとし、水中重量は1000g以下とする；

トーチヘッドの乾燥を防ぐため、トーチヘッドには自動アーク遮断装置が必要です；

トーチには、高温のスラグがガス通路を塞いだり、酸素バルブが燃えたりするのを防ぐために、逆火防止装置のような装置が必要です；

トーチとケーブルおよび酸素パイプの接続装置は、便利で信頼性が高く、接続の堅固さと気密性を保証するものでなければならない。切断バー 締め付け トーチの装置はシンプルで、一定のクランプ力を持つものでなければならない；

ケーブルコネクタはソリッドであること、充電部は絶縁されていること、絶縁抵抗は35MΩ以上であること、1000V（工業用周波数AC）に耐えること；

酸素バルブは柔軟に開閉し、接続部は堅固で、0.6MPa の気圧でも漏れず、ガス流量は 1000L/min 以上であること；

トーチ部品の外表面は、耐食性のためにクロムメッキまたは銀メッキが施され、コーティングに剥離などの欠陥がないこと。

下の写真は、わが国で生産されたSG-III型水中アーク酸素切断トーチである。経験上、このタイプのトーチはかなり適している。

適切にメンテナンスされていれば、寿命は長い。しかし、トーチ先端のカッティングバーホールは、しばらく使用しているとカッティングバーとの接触性能が低下し、この部分でアークが発生し、トーチが破損することが多い。

また、長期間使用するとトーチの絶縁性が低下し、切断中に漏電してダイバーの安全を脅かす恐れがある。

したがって、トーチを定期的に点検し、損傷した部品を適時修理または交換する必要がある。

3) ケーブルとスイッチの切断

水中でのアーク酸素切断に使用するケーブルは、多芯銅線と海水腐食に耐えるゴムシースを備えたマリンケーブルでなければならない。ケーブルの断面積は一般に70～100mmである。²その長さは水深に依存する。

水流速度が速い場合は、ケーブルを延長する必要がある。船舶用ケーブルが使用できない場合は、陸上用の溶接ケーブルで代用できるが、定期的に点検する必要がある。ゴムシースの経年劣化やひび割れが発見された場合は、漏電を防ぐために直ちにケーブルを交換する必要がある。

電源と切断トーチをつなぐケーブルは俗に "トーチライン "と呼ばれ、電源と切断ワークをつなぐケーブルは "アースライン "と呼ばれる。

水中での作業を安全にするため、カットオフスイッチをトーチラインに接続し、ダイバーの要求に応じて速やかに電力を供給または遮断する。カットオフスイッチは、シングルブレードスイッチまたは自動サーキットブレーカーであり、その導電要素は十分な導電断面積を持つ必要があります。

自動サーキットブレーカーは、点火時にアーク放電に必要なレベルまで急速に電圧を上昇させ、アーク破壊時や電極交換時には素早く電源を遮断することができる。

大きさは420mm×340mm×270mm、重さは約30kgで、ダイレクト・プラス回路に適している。

4) 酸素供給システム

水中アーク酸素切断用酸素供給システムは、酸素ボンベ、減圧器、酸素パイプで構成される。

酸素ボンベ

酸素ボンベの容積は一般的に40L、重量60kg、外径219mm、高さ1450mm。

スカイブルーに塗られ、黒いペンキで「酸素」と記されている。酸素ボンベは高圧容器で、定格圧力は15.15MPa。

酸素ボンベを使用する際は、以下の点に注意してください：

a.使用中は安定させて置かなければならず、他のボンベ、特に可燃性ガスボンベや液体燃料容器と混ぜてはならない。

b.酸素ボンベは、火源から少なくとも5m、一般的な熱源から少なくとも1mの距離に置く。強い日光や裸火にさらされないように保護する。

c.酸素通路、特に酸素ボンベ・バルブがグリースで汚染されてはならない。

d.ボンベ内の酸素を完全に空にしないこと。少なくとも1～2ゲージの圧力を保ち、埃を吹き飛ばし、再充填時に他のガスが入らないようにする。

e.シリンダーには防振ゴムリングを取り付け、衝撃やスリップを避けるため静かに取り扱うこと。

f.酸素ボンベは定期的に静水圧試験を行うこと。不適格なボンベは、速やかに修理または廃棄されるべきである。

② 減圧器：

減圧器は、酸素ボンベ内の高圧酸素を作業に必要な圧力まで下げ、作業中の酸素圧力の安定を確保するために使用される。

減圧器には2つの圧力計が取り付けられ、それぞれシリンダー内圧力と作動ガス圧力を示す。

減速機には多くの種類があり、作動原理によって直動式と反応式に、減圧段数によって単段式と多段式に分けられる。

実際には、水中アーク酸素切断には1段反応型の減圧器が一般的に使用されている。減圧器を使用する場合、次の点に注意する必要がある：

a.減圧器を取り付ける前に、まず酸素ボンベのバルブを開き、バルブノズルに付着したほこりや不純物を酸素で吹き飛ばしてください。運転中、酸素ボンベバルブのノズルを本体に向けてはならない。

b.すべての接続が締まっているか、ねじ山が滑っていないかを確認し、ねじを緩んだ位置に調整する。

c.c.減圧器を取り付けた後、酸素ボンベのバルブを再び開き、圧力計が正常に作動しているか、漏れがないかを確認してください。正常であれば、酸素ホースを接続してください。

d.減速機にグリースが付着している場合は，使用前に拭き取ること。

e.減速機が凍結した場合、火を使って霜を取ることは許されない。熱湯または蒸気で霜を取ることができる。

f.レデューサーの調整ねじを緩めても低圧計が自動的に上昇するようなセルフフロー現象が見られる場合は、レデューサーのスプールやスプールシートの汚れ、接触面の凹凸などにより、高圧ガスが低圧室にしみ込んでいる可能性があります。

このとき、汚れを取り除き、スプールを目の細かいサンドペーパーで滑らかにする必要がある。スプールシートに亀裂が見つかった場合は、適時に交換しなければならない。

セルフフローが発生するのは、二次側の損傷による場合もある。 スプリング圧力不足につながるため、交換する必要がある。

(2) 水中プラズマアーク切断

1) 電源を切る：

水中での特別な要求に応える プラズマアーク切断水中プラズマアーク切断用電源は、サイリスタトランジスタスイッチと整流器を使用し、水冷式である。

急峻な垂下特性を持ち、アーク長（アーク電圧）が変化しても切断パラメータとアークの安定性を確保し、「小アーク」から切断アークへの移行は、自然断続特性に従ってサージ電流を発生させることなく、所定の電流値にスムーズに到達することができる。

この電源は、制御回路で無負荷電圧を110Vに下げ、手動アーク溶接に必要な外部特性曲線を得ることを考慮したもので、水中手動溶接にも適している。

表1に、典型的な水中プラズマアーク切断電源装置の主な技術パラメータを示す。

表1：典型的な水中プラズマアーク切断電源の主な技術パラメータ

2) 水中切断トーチ

水中プラズマアーク切断と地上切断トーチの違いは以下の通り：

ノズルに外部シールドを追加し、そこに冷却水またはガスを流し、アーク部分への水の侵入を防ぐ「ウォーターカーテン」（またはガスカーテン）を形成する。これにより、アークを安定的に燃焼させるとともに、海水の電気分解による正常な切断への影響を防ぐことができる；

各接続部は水密性が高い；

高電圧絶縁耐性を有する。

図4と図5は、それぞれ2種類の水中プラズマアーク切断トーチの構造を示している。KB型トーチは淡水切断用に設計されており、寸法は160mm×370mm×40mm、重量は2.5kgである。

PM型トーチは海水切断用で、寸法150mm×350mm×35mm、重量2.5kg。

すべての接続部分の水密性を確保するため、一般的にはペースト状の有機シリコーン接着剤が使用される。この材料は室温で加硫してゴムのような物質に変化し、耐湿性、断熱性、良好な絶縁性を提供する。

広い温度範囲（-55～300℃）で優れたシール性能を維持する。

アーク発生中に空気が作動ガス流路に入り、電極を損傷するのを防ぐため、ガス入口に逆止弁を設置する必要があります。作動ガス圧力がバルブを開き、一時的に貯まった空気を排出します。

PM型トーチについては、電源の開放電圧を180Vとした場合、海水中での漏洩試験を行った。最高リーク電圧は10Vであり、塩分質量分率が1.7%〜2.0%の海水中で使用しても安全で信頼できることがわかった。

これら2つのトーチのノズルは、淡水または圧縮空気で冷却できる。カーボンの水中切断に使用できる。 スチールステンレス・スチール、アルミニウム合金製で、水深52メートル以内。

3) 溶融電極ウォータージェットによる水中切断

溶融電極ウォータージェットによる水中切断は、主に半自動である。中国ではGSS-800という専用の切断装置がある。

切断設備は、主機（切断電源、制御装置、水回路システム、高圧水ポンプを含む）、ワイヤー供給装置、切断トーチ、遠隔操作ボックス、複合ケーブル・リール、地上ケーブル・リールで構成される。

溶融電極ウォータージェットによる水中切断用電源は、基本的には地上溶融電極ガスシールド溶接用電源と同じで、自然平板特性アーク溶接整流器であるが、より高出力である。

定格出力電流は一般に500-1500Aである。表2に溶融電極ウォータージェットを用いたGSS-800型水中切断装置の主な技術パラメータを示す。

表2 溶融電極ウォータージェットを用いた水中切断装置GSS-800モデルの主な技術パラメータ

この切断装置は、水深60mで炭素鋼、ステンレス鋼、銅、アルミニウムなどの厚さ10～28mmの金属を半自動で切断することができる。

特に水中に適している。 金属切断 水中サルベージ、海底採掘、海底石油パイプライン敷設などのプロジェクトで使用される。直径2.5mmの切断ワイヤーを使用し、切断幅は4～5mm。

2.切断材料

(1) 水中アーク酸素切断

水中アーク酸素切断は導電性金属に適しているが、主に酸化しやすい低炭素鋼や低合金の切断に使用される。 高張力鋼板.

一般に、水中アーク酸素切断に使用される切断帯には、鋼管切断帯、セラミック管切断帯、炭素棒切断帯の3種類がある。

水中アーク切断で使用される酸素は一般工業用酸素で、純度は一級が99.2%以上、二級が98.5%以上の2種類に分けられる。酸素の供給方法はボトル式で、酸素を120～150気圧に圧縮し、酸素ボトルに充填して使用・保管する。

1) 鋼管切断ストリップ

鋼管切断帯の構造と製造方法は水中溶接棒に似ている。シームレス鋼管を芯材とし、ミネラルコーティングを施したり、プラスチック繊維フィルムで包んだりして作られる。

コーティングは主に防水、絶縁、アーク安定化の役割を果たす。

1つは塗膜に防水剤を添加し、乾燥後に防水性能を持たせる方法、もう1つは乾燥後に防水剤の層をカッティングストリップに塗布し、防水目的を達成する方法である。カッティング・ストリップの構造を図6に示す。

カッティングストリップコアの外径は一般的に6～10mm、内径は1.25～4.0mm、長さは350～400mm。

切断効率は切断ストリップの内径に大きく関係していることは、これまでの実践で証明されている。また、気泡ブロックの厚さも重要である。

同じ切断条件では、表3に示すように、切断ストリップの内径が大きくなるにつれて、切断速度と効率も向上する。

表3：10-12mm厚鋼板切断時の切断能率

切断ストリップの内径を大きくすると切断速度が向上するが、これはおそらく酸素供給量の増加により酸化が促進されるためであろう。同時に、溶融金属とスラグに吹き付ける力が強化され、切断領域からそれらを素早く除去するのに役立つ。

外径10mm、内径4mmのカッティングストリップを使用した外国例がある。 厚鋼切断 プレートである。しかし、海上での作業では酸素の供給が難しく、酸素を大量に消費するのは適さないため、内径の大きなカッティング・ストリップは一般的に使用されない。

カッティング・ストリップのコーティングに適量の金属粉末を添加することで、その効果を高めることができる。 電気伝導度アークを安定させ、切断ストリップの酸化反応の熱を大幅に高め、切断速度を向上させる。

中でも鉄粉が最も効果が高く、次いでマグネシウム粉、アルミニウム粉の順となる。これらの金属粉末を別々にイルメナイト型皮膜に添加する場合、鉄粉は35%以下、マグネシウムとアルミニウムの粉末は10%以下が望ましい。

金属粉の添加量が多すぎると、塗膜の性能が低下し、強度や防水性も低下する。もし 金属の種類 粉末を同時に添加する場合は、その割合を適切に減らす必要がある。

さらに、金属粉を添加したコーティングについては、その重量比を適切に増加させる必要があるが、コーティングの性能を損なわないように、30%を超えてはならない。- 江蘇金豊水中技術工程有限公司

鋼材切断 ストリップは丈夫で価格も手頃、切断品質も良い（切り口が狭く、切断面が滑らか）。

アーク熱により溶融し、頻繁な交換が必要となるが、19mmより厚い被加工物を切断する場合、鋼管切断ストリップの総合的な切断効率はセラミック管切断ストリップより高いことが実践的に示されている。鋼管切断ストリップは、水中アーク酸素切断で最も一般的に使用されている。

わが国で生産される水中アーク酸素鋼管切断帯は304型で、外径8mm、内孔径3mmの低炭素シームレス鋼管を1mm厚のメディシン層で被覆したものである。

防水絶縁層はフェノール・ワニスで、長さは350mmと400mmの2種類。

担当者タオ・シャオビン304型切断帯鋼はイルメナイト系厚膜切断帯鋼で、重量比は20%である。その性能は類似の外国製品に劣らない。

新たに開発された水中アーク酸素切断ストリップは、コーティングのバインダー材料として従来の水ガラスに代わって混合バインダーを採用しており、長期保存や深海での切断に適している。

この切断帯は240時間海水に浸した後でも使用可能で、その切断効率はタイプ304よりもさらに高い。

2) セラミック管切断ストリップ

セラミック・チューブ・コアで作られたカッティング・ストリップは、セラミック・チューブ・カッティング・ストリップとして知られています。通常、外径12～14mm、内径3mm、長さ200～250mmです。

製造工程では、まずセラミック管を高温で焼き付けて一定の強度を持たせた後、セラミック管の強度を高めるために外面に鋼鉄のコーティング（厚さ約8ミリ）を吹き付ける。

長さ32mmほどのセラミック・チューブの端は、クランプのために切断トーチのサイズに合う直径に研磨しておく。残りの部分は絶縁材料でコーティングするか、水密絶縁材料で包んでセラミック管切断片とする。

セラミック管切断ロッドの外側の金属は、ロッドの強度を高めるだけでなく、導電性とアーク発生性能を向上させます。切断中、まず外側の金属が切断される被加工物に接触します。

電流の表皮効果により、電流の一部が外側の金属から被加工物に流れると、最初に外側の金属と被加工物の間にアークが発生し、外側の金属が最初に溶ける。

同時に、アークと溶融金属が切断棒先端のダイヤモンド砥粒を予熱し、導電性を高める。

このとき、切断電流はセラミック管切断ロッドの外側の金属だけでなく、セラミック管自体にも流れ、アークをロッドの端に向け、安定した燃焼を実現する。

セラミックは高い耐酸化性を持つため、セラミック管切断棒1本で40～60分間使用でき、水中切断作業の補助時間を大幅に短縮できる。

しかし、純粋な切断時間当たりの切断速度は鋼管切断棒より低く、アークの安定性も劣る。したがって、時間的制約があり、1本か2本の切断棒で十分な場合には、鋼管切断棒を使用するのが望ましい。

3) 炭素棒切断

カーボンロッド切削棒は、銅の外層でメッキされた中空のカーボンロッドまたはグラファイトチューブから作られている。

外径10～11mm、内径1.6～2mm、長さ200～300mm。

カーボンロッドの切断ロッドは圧縮強度が低く、切断トーチのクランプによってロッドの端が潰されるのを防ぐため、一端に真鍮製のエンドキャップが取り付けられている。切断を開始するには、エンドキャップをクランプに挿入する。感電防止のため、銅メッキの上に絶縁層（プラスチックや樹脂）が施されている。

カーボンロッド切削棒の寿命は非常に長く、セラミックチューブ切削棒に次ぐ。

長さ200mmの炭素棒切断ロッドの場合、その作業時間は長さ400mmの鋼管切断ロッドの約10～12倍であるが、純粋な切断時間単位当たりの切断速度は鋼管切断ロッドよりも低い。

(2) 水中プラズマアーク切断

水中プラズマアーク切断では、プラズマガスとして主にN2、Ar-H2混合ガス、O2、圧縮空気を使用し、シールドガスとしてCO2、Ar、N2、圧縮空気を使用することができる。

プラズマガスが異なれば、対応する電極材料が必要となる。一般的に、プラズマガスがN2またはAr-H2混合ガスの場合はタングステン電極を選択し、プラズマガスがO2または圧縮空気の場合はハフニウム電極を使用する必要があります。

水中切断には大電流が必要なので、寿命を延ばすには水冷電極を使うべきである。

プラズマガスにN2を使用した場合、切断速度、品質ともに高いが、消費速度が速く、作業者に高い熟練度が要求される。特に深さ40～60m以上の切断では、ノズルが破損しやすい。

したがって、深海切断用のプラズマガスとしてはArを、浅海切断用のプラズマガスとしてはAr-H2混合ガスを使用することが望ましい。

(3) サブマージアーク・ウォータージェット切断

現在のサブマージアーク・ウォータージェット切断プロセスでは、ソリッドコア切断ワイヤまたはフラックスコア切断ワイヤが使用されている。

1) ソリッドコア切断ワイヤー

この方法では、CO2ガスシールド溶接ワイヤまたはアルミニウム・ワイヤを使用し、通常直径は2.4mmである。使用方法 CO2溶接 水深200mm以内で切断するためのワイヤーは、次のような特徴がある：

i) 水深は、切断可能な厚さや切断結果に大きな影響を与えない。

ii)アーク電圧が高くなると、切り口は広くなり、下部がフレアすることもある。水深が100m深くなった場合、アーク電圧を5～10V上げると、浅瀬と同じような切断形状になる。

iii) ウォータージェットの圧力は、水深が深くなるにつれて高くなるべきである。適切な水圧は、水深に相当する静水圧に0.5MPa（低炭素鋼切断用）または0.35MPa（低炭素鋼切断用）を加えたものである。 アルミニウム切断).

iv) アルミニウムは低炭素鋼よりも切断しやすい。アルミニウムは 融点 アルミニウムの切断は、同じ板厚と切断電流の条件下では、低炭素鋼の切断よりも50%速い。

v) 低炭素鋼を切断する場合、切り口の下縁にスラグが多く付着するが、アルミニウムを切断する場合はスラグが少なく、ワイヤーブラシで除去できる。これは、切断中に形成される脆い鉄アルミ合金によるものである。

低炭素鋼の切断にアルミニウム・ワイヤーを使用すると、スラグが切断面の下端に付着せず、切断面が滑らかになる。

しかし、CO2溶接ワイヤで切断した場合と同じ切断電流を得るには、ワイヤ送給速度を上げる必要があり、標準的なMIG溶接ワイヤ送給速度の範囲を超えることが多い。

2) フラックスコア切断ワイヤー

フラックス・コア・カッティング・ワイヤーは低炭素鋼のMIG溶接ワイヤーを使用し、通常直径は2.4mmである。サブマージアーク ウォータージェット フラックス入りカッティングワイヤーは、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウムの切断が可能です。