Революционная подводная сварка: Достижения и применение | MachineMFG

Революционная подводная сварка: Достижения и применение

0
(0)

1. Введение

Из-за суровых условий работы в океане морские инженерные сооружения подвергаются различным испытаниям, включая структурные нагрузки, шторм, волны, приливные силы, коррозию от морской воды, эрозию от песчаных потоков, а также угрозу пожара и взрыва от нефти и природного газа.

Кроме того, основные части морских инженерных сооружений погружены под воду, что затрудняет и удорожает проверку и ремонт сварных соединений после их эксплуатации. Любые значительные структурные повреждения или аварии с опрокидыванием могут привести к серьезным человеческим жертвам и материальным потерям.

Поэтому к разработке, производству предъявляются строгие требования к качеству, выбор материалаи сварочное строительство морских инженерных сооружений. С развитием морской, нефтяной и газовой промышленности проекты морских трубопроводов все чаще уходят на большие глубины.

Поэтому проведение исследований и совершенствование применения подводных технология сварки имеет огромное значение для развития морской индустрии, эксплуатации морских нефтяных месторождений и использования богатых морских ресурсов на благо человечества.

В настоящее время технология подводной сварки широко применяется в морских инженерных сооружениях, подводных трубопроводах, кораблях, верфях и портовых сооружениях, речном строительстве и обслуживании атомных электростанций.

Подводная сварка стала ключевой технологией для сборки и обслуживания крупных морских сооружений, таких как нефтяные бурение платформы и нефтепроводы.

2. Классификация и характеристики методов подводной сварки

2.1 Классификация методов подводной сварки

В настоящее время во всем мире применяются и исследуются различные методы подводной сварки. Можно сказать, что почти все технологии сварки, используемые в наземном производстве, были опробованы под водой.

Однако наиболее зрелыми и широко используемыми методами являются несколько дуг методы сварки.

Подводную сварку можно разделить на три категории в зависимости от условий сварки: мокрая подводная сварка, сухая подводная сварка и локальная сухая подводная сварка.

Однако с развитием технологии подводной сварки появились новые методы, такие как подводная сварка шпильками, подводная сварка взрывом, подводная электронно-лучевая сварка и подводная экзотермическая сварка.

2.2 Характеристики подводной сварки

Процессы сварки под водой намного сложнее, чем на суше, из-за подводной среды. Помимо технологий сварки, в дело вступают такие факторы, как водолазные работы.

Подводная сварка характеризуется следующими особенностями:

(1) Плохая видимость:

Вода поглощает, отражает и преломляет свет гораздо сильнее, чем воздух, что приводит к быстрой деградации света при распространении через воду. Кроме того, во время сварки вокруг дуги образуется большое количество пузырьков и дыма, что значительно снижает видимость подводной дуги.

В районах с илистым морским дном или водами, заполненными осадочными породами, видимость под водой становится еще хуже. В результате подводная сварка традиционно считалась сваркой вслепую, что сильно снижало производительность сварщиков-водолазов и способствовало появлению большого количества дефектов и низкому качеству сварных соединений.

(2) Высокое содержание водорода в сварных швах:

Водород является одной из основных проблем при сварке, поскольку превышение допустимого содержания водорода может легко привести к образованию трещин и повреждению конструкции. Подводные дуги вызывают термическое разложение окружающей их воды, увеличивая содержание растворенного водорода в сварном шве.

Как правило, содержание диффундирующего водорода при подводной сварке составляет 27-36 мл/100 г, что в несколько раз выше, чем при сварке кислыми электродами на суше. Низкое качество сварных соединений при подводной сварке в защитном металле дуговая сварка тесно связано с высоким содержанием водорода.

(3) Быстрая скорость охлаждения:

При сварке под водой морская вода обладает более высокой теплопроводностью по сравнению с воздухом, примерно в 20 раз. Даже пресная вода имеет теплопроводность в несколько раз выше, чем воздух.

При использовании мокрой или локальной сухой подводной сварки заготовка непосредственно контактирует с водой, что приводит к значительному эффекту быстрого охлаждения сварного шва, который может привести к образованию закаленных структур высокой твердости.

Поэтому только сухая подводная сварка может избежать эффекта холода.

(4) Эффект давления:

С ростом давления (увеличение на 0,1 МПа на каждые 10 метров глубины) столб дуги становится тоньше, ширина шва сужается, а высота шва увеличивается.

Кроме того, повышенная плотность проводящей среды затрудняет ионизацию, что приводит к повышению напряжения дуги, снижению ее устойчивости, увеличению количества брызг и дыма.

(5) Трудности в обеспечении непрерывной работы:

Из-за влияния и ограничений подводной среды, непрерывная сварка часто является сложной задачей. Во многих случаях сварку приходится выполнять прерывисто, что приводит к образованию прерывистых швов.

3. Применение, металлургические характеристики и конструкция сварочных электродов для сварки под водой

3.1 Применение мокрой подводной сварки в морской технике

Мокрая подводная сварка выполняется водолазами в водной среде, как показано на рисунке 2. Из-за плохой видимости под водой сварщики-водолазы не могут видеть процесс сварки ясно, что приводит к возникновению глухой сварки. Трудно обеспечить качество подводной сварки, особенно герметичность.

Поэтому получение высококачественных сварных соединений с помощью этого метода является сложной задачей, особенно при сварке конструкций, используемых в ответственных областях применения.

Однако благодаря своей простоте, низкой стоимости, гибкости и адаптивности мокрая подводная сварка с использованием покрытых электродов и ручная дуговая сварка все еще продолжают исследоваться в разных странах. В будущем ожидается дальнейшее применение этих методов.

Рисунок 1: Схематическая диаграмма мокрой подводной сварки

Мокрая подводная сварка широко применяется в Соединенных Штатах, а стандарт Американского общества сварки AWS (AWS D3.6) является наиболее влиятельным документом, определяющим конструкцию мокрой подводной сварки.

Наиболее часто используемыми методами сварки под водой в защитной среде являются металлическая дуга сварка (SMAW) и дуговая сварка с порошковым покрытием (FCAW). Во время сварки сварщики-дайверы используют электроды с водонепроницаемым покрытием и сварочные клещи, специально разработанные или модифицированные для подводной сварки.

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в области подводной сварки в мокрых условиях, можно сказать, что получение высококачественных сварных соединений на глубине более 100 метров все еще остается сложной задачей, и поэтому она пока не может быть использована для сварки ответственных морских инженерных конструкций.

Однако с развитием технологии мокрой подводной сварки многие проблемы, связанные с мокрой подводной сваркой, в определенной степени преодолеваются.

Использование хорошо продуманных покрытий электродов и водонепроницаемых покрытий, а также строгое управление процессом сварки и сертификация привели к успешному применению мокрой подводной сварки для ремонта неосновных структурных компонентов в Северном море в 1991 году. В настоящее время мокрая подводная сварка успешно применяется для ремонта вспомогательных компонентов на платформах в Северном море.

Кроме того, технология мокрой подводной сварки широко используется в мелководных зонах с благоприятными морскими условиями и для сварки деталей, не требующих высокой стойкости к нагрузкам.

В настоящее время Мексиканский залив является наиболее широко используемым регионом для мокрой подводной сварки и электродов для мокрой подводной сварки. Технология мокрой подводной сварки использовалась для ремонта барботерных трубок ядерных реакторов в Мексиканском заливе и для подводного ремонта на глубине 78 метров на нефтяной платформе Amoco Trinidad.

Исследование этой технологии имеет большое практическое значение для будущего ремонта подводных трубопроводов в Бохайском и Ляодунском заливах Китая, а также для ремонта некритичных компонентов, таких как замена жертвенного анода.

Таблица 1: Состав газа для дуги с экранированным металлом Сварочный флюс (Объем в процентах)

Типы электродовH2COCO2Другие
J422(E4303)45~5040~455~10<5
J507(E5015)20~3050~5520~25<5

По мере увеличения глубины воды при подводной сварке объем пузырьков дуги постепенно уменьшается из-за сжатия.

Однако недостаточное количество пузырьков дуги может привести к увеличению пористости металла шва. Когда пузырьков дуги становится слишком мало, дуга легко гаснет, что затрудняет плавное протекание процесса сварки. Рост пузырьков дуги должен удовлетворять следующим физическим условиям:

pg ≥ pa + ph + ps

В уравнении:

  • pg представляет собой давление внутри пузыря,
  • pa представляет собой атмосферное давление,
  • ph представляет собой гидростатическое давление вокруг пузырька,
  • ps представляет собой дополнительное давление, вызванное поверхностным натяжением пузырька.

При сварке на суше ph близок к нулю. Однако при подводной сварке ph увеличивается с глубиной воды, в то время как pa и ps можно считать не зависящими от глубины воды.

Поэтому для обеспечения плавной сварки необходимо увеличить pg. Одним из способов увеличения pg является повышение температуры дуги, что может быть достигнуто путем регулировки сварочного тока. Это связано с тем, что более высокая температура дуги позволяет диссоциировать достаточное количество водорода и кислорода. Другой способ - усилить газообразующую функцию электродного покрытия, чтобы увеличить количество CO2 и CO образуются при сгорании электродного покрытия.

Однако высокая доля водорода в пузырьках дуги может привести к возникновению двух типов дефектов, связанных с водородом: повышенная склонность к пористость сварного шва и повышенная восприимчивость к индуцированному водородом растрескиванию в металле шва и зоне термического влияния.

Поэтому при составлении покрытия электрода необходимо обеспечить достаточное давление в пузырьках дуги, одновременно пытаясь уменьшить долю водорода в пузырьках дуги. Добавление соответствующего количества CaF2 и SiO2 в покрытие может достичь этой цели, так как эти добавки помогают снизить содержание водорода.

SiO2 + 2CaF2 + 3[H] = 2CaO + SiF + 3HF

или

 SiO2 + 2CaF2 = 2CaO + SiF4 CaF2 + H2O(g) = CaO + 2HF

Химические и металлургические реакции с участием продуктов CaO, SiF или SiF4, MnO, SiO2и TiO2 в качестве флюса в расплавленной ванне при подводной сварке имеют большое значение. В результате этих реакций образуются газы типа HF, которые не оказывают вредного воздействия на металл шва, а также способствуют повышению давления в дуговых пузырях. Плавящийся шлак содержит CaO, SiF или SiF4, MnO, SiO2и TiO2которые помогают удалить примеси из расплавленной ванны. Газ HF также способствует повышению давления в пузырьках дуги.

Подводная сварка более восприимчива к образованию трещин под воздействием водорода, чем сварка на суше. Это объясняется сильным охлаждающим действием воды на заготовку, вызывающим фазовые превращения и образование мартенсит в зоне термического влияния низкоуглеродистых сталей. Когда эквивалент углерода в стали превышает 0,4%, твердость в зоне термического влияния может превышать 400 HV.

Кроме того, если во время сварки содержание водорода будет высоким и сварной шов поглотит значительное количество водорода, это может привести к образованию трещин, вызванных водородом, под воздействием сварочных термических напряжений и напряжений фазового превращения. Поэтому необходимо снизить долю водорода в дуговых пузырях, чтобы уменьшить риск образования трещин, вызванных водородом.

3.3 Разработка рецептуры покрытия электродов

(1) Выбор системы шлака

Шлак - это защитный слой, образующийся на поверхности сварного соединения в процессе сварки и состоящий из сплавления сварочного ядра, электродного покрытия и основного материала в результате высокотемпературных металлургических реакций.

Свойства шлака, такие как его окислительно-восстановительная способность, текучесть и проницаемость, напрямую влияют на защиту металла шва и формирование сварного соединения.

В данном эксперименте была выбрана шлаковая система, состоящая из SiO2 - TiO2 - CaF2 - CaO, которая находится между кислой и щелочной шлаковыми системами. Такой выбор обеспечивает хорошую производительность процесса сварки и эффективно снижает вредное воздействие водорода в дуговых пузырях. Соответствующие минералы и химические продукты были выбраны для удовлетворения требований к составу шлаковой системы.

(2) Оптимизация рецептуры покрытия

В таблице 2 приведены результаты тестирования 10 составов на металлургические характеристики мокрой подводной сварки.

Содержание каждого вещества в формулах следующее:

  • TiO2 в гематите: 52%;
  • CaF2 во флюорите: 98%;
  • CaCO3 в мраморе: 98%;
  • Mn в низкоуглеродистом ферромарганце: 85%;
  • Ti в ферротитане: 75%;
  • Si в ферросилиции: 45%; и SiO2 в полевом шпате: 93%.

Процесс оптимизации включал в себя проведение эксплуатационных испытаний при разработке новых составов. Все сварочные испытания проводились в сосуде под давлением, имитирующем глубину воды 70-100 метров.

Приносим извинения за путаницу. Вот исправленная информация:

Таблица 2: Состав и результаты испытаний различных рецептур

НЕТ.ГематитФлюорит Мрамор Низкоуглеродистый марганцевый чугун Ферротитан Ферросилиций Целлюлоза Полевой шпат Железный порошок Характеристики дугового пузыря 
120102010551218Уменьшенное гашение дуги за счет меньшего количества пузырьков
220102510661013Уменьшенное гашение дуги за счет меньшего количества пузырьков
32015201077 13Уменьшенное гашение дуги за счет меньшего количества пузырьков
4151225106631010Стабильные пузырьки
515122510665138Стабильные пузырьки
615122510667154Стабильные пузырьки
7101825106651010Стабильные пузырьки
810163010663127Стабильные пузырьки
910153010555155Стабильные пузырьки
101015355555155Стабильные пузырьки

3.3 Испытания на производительность процесса и механические характеристики

Небольшое количество сварочных прутков диаметром 4,0 мм было изготовлено с использованием составов 1-10 на 25-тонной гидравлической машине для нанесения покрытий. Были проведены следующие испытания:

(1) Испытание на пористость и формуемость

Для испытания используется Q235-C 6 мм листовой металл был использован. При сварке под водой на глубине 70 м с использованием составов 1-3 отсутствие достаточного количества газообразующих материалов затрудняло стабилизацию наличия пузырьков в дуге, что привело к сильной пористости. Процесс сварки не мог протекать гладко.

Составы 4-10, включающие повышенное содержание газообразующих материалов и пониженное содержание водорода, не имели пористости. Среди них составы 7-9 продемонстрировали хорошую формуемость. Морфологические характеристики представлены на рисунке 2.

(2) Определение содержания диффузионного водорода в металле сварного шва

Содержание диффундирующего водорода является ключевым показателем сварочный пруток эффективность. В данном исследовании для определения содержания диффундирующего водорода в составах 4-10 использовался метод глицерина, указанный в GB 3965-93, который показал удовлетворительную первоначальную эффективность.

Результаты измерений для составов 4-10 были следующими (мл/100 г): 15.5, 16, 18.2, 7.2, 6.7, 6.9, 7.2. Видно, что составы 7-10 соответствуют требованиям GB 5117-95 (диффундирующий водород ≤ 8 мл/100 г).

Рисунок 2: Внешний вид сварного шва, сформированного составами 4-10

(3) Испытание механических характеристик

На основании комплексных результатов испытаний характеристик процесса можно сделать вывод, что сварочные прутки с составами 7, 8 и 9 соответствуют требованиям для подводной сварки. Хотя состав 10 удовлетворяет требованиям по содержанию диффузионного водорода, но сварной шов Сформированный по этой рецептуре состав обладает плохой формуемостью и поэтому не принимается.

С помощью сварочных прутков с составами 7, 8 и 9 (на пластинах 16Mn толщиной 19 мм) были подготовлены сварные пластины для испытаний металла шва на растяжение и ударных испытаний с V-образным надрезом. Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Таблица 3: Механические характеристики металла сварного шва

НЕТ.Прочность на разрыв
(МПа)
Скорость удлинения
(%)
Скорость сокращения секции
(%)
Поглощение энергии удара
(Akv/J)
7525233885
84962441125
951624.543130

Из таблицы 3 видно, что показатели механических свойств сварочных прутков № 7-9 полностью соответствуют требованиям GB 5117-95 для низкоуглеродистой и низколегированной высокопрочной стали, что делает их пригодными для подводной сварки низкоуглеродистой и низколегированной стали. легированная сталь.

4. Применение технологии сухой подводной сварки

Сухая подводная сварка - это метод, при котором зона сварки полностью или частично осушается с помощью газа для удаления окружающей воды, что позволяет подводному сварщику работать в сухих или полусухих условиях. При выполнении сухой подводной сварки необходимо спроектировать и изготовить сложные камеры под давлением или рабочие станции.

В зависимости от давления внутри камеры или рабочей станции, сухая подводная сварка может быть разделена на сухую подводную сварку под высоким давлением и сухую подводную сварку под атмосферным давлением.

4.1 Применение технологии сухой подводной сварки под высоким давлением

Сухая подводная сварка под высоким давлением показана на рисунке 2. С увеличением количества проектов подводной сварки, глубины подводной техники и повышением требований к качество сваркиСухая подводная сварка под высоким давлением привлекает все больше внимания благодаря таким преимуществам, как высокое качество сварки и хорошие характеристики соединения.

Мокрая подводная сварка и локализованная сухая подводная сварка обычно используются только для ремонта некритичных конструкций на глубине от нескольких метров до десятков метров, при этом практическая глубина применения обычно не превышает 40 м.

Для того чтобы адаптироваться к развитию морской техники в направлении более глубоких вод, многие страны расширили исследования и применение технологии сухой подводной сварки под высоким давлением.

Рисунок 3: Схема сухой подводной сварки под высоким давлением

В настоящее время для проведения подводных ремонтных работ используются треки высокого давления Сварка TIG Системы широко используются. Среди известных систем - система PRS и система OTTO. Система PRS была разработана норвежской компанией Statoil с целью выполнения сварки на глубине 1000 м. Успешная сварка трубопроводов была проведена на глубине 334 м, при этом энергия удара при температуре -30℃ составила 300 Дж, а микротвердость сварного шва - менее 245HV.

На сегодняшний день эта система успешно выполнила более 20 задач по ремонту подводных трубопроводов. Система OTTO в Великобритании состоит в основном из сварочной камеры и аппарата для сварки TIG на гусеничном ходу. Результаты экспериментов показали, что сварной шов на глубине 135 м достигает энергии удара -10℃ в 180 Дж и прочности на излом в 550 МПа. Эта система непрерывно работала под водой в течение 4 недель, выполнив в общей сложности 18 сварных швов, а процедуры и качество сварки были сертифицированы норвежским регистром Ллойда.

В Китае в октябре 2002 года технология подводной сухой сварки под высоким давлением была запланирована в качестве важной части проекта "Ключевые технологии для разведки и разработки Бохайского нефтяного месторождения" в рамках Национальной программы 863. Этот проект возглавляет Пекинский институт нефтехимических технологий.

В настоящее время разработана и создана первая в Китае лаборатория сварки под высоким давлением, оснащенная испытательной камерой высокого давления для проведения сварочных испытаний и исследований при различных уровнях давления. Впоследствии были реализованы ежегодные планы по проведению экспериментов и оценке процессов сварки под высоким давлением.

Сухая сварка под высоким давлением была впервые предложена в США в 1954 году и стала применяться в производстве с 1966 года. Она позволяет сваривать подводные трубопроводы диаметром 508 мм, 813 мм и 914 мм.

В настоящее время максимальная практическая глубина воды составляет около 300 м. В этом метод сваркиДно газовой камеры открыто, и давление газа, немного превышающее давление воды на рабочей глубине, подается для сброса воды из нижнего отверстия камеры, что позволяет выполнять сварку в сухой газовой камере.

Как правило, используются такие методы сварки, как дуговая сварка электродом или дуговая сварка в защитном газе. Это один из лучших методов сварки с точки зрения качества подводной сварки, который позволяет достичь уровня, близкого к качеству швов на суше. Однако есть три проблемы, которые необходимо решить:

(1) Из-за ограничений, накладываемых формой, размером и расположением инженерной конструкции, газовая камера имеет значительные ограничения и хуже адаптируется.

В настоящее время он подходит только для сварки конструкций простой и правильной формы, таких как подводные трубопроводы.

(2) Должен быть предусмотрен комплекс систем жизнеобеспечения, контроля влажности, мониторинга, освещения, обеспечения безопасности, связи и других систем.

Вспомогательные работы занимают много времени, требуют привлечения большой бригады поверхностной поддержки, что приводит к удорожанию строительства. Например, сварочный аппарат (MOD-1) американской компании TDS, который может сваривать трубопроводы диаметром 813 мм, оценивается в сумму до $2 млн.

(3) Существует также проблема "влияния давления".

При сварке на большой глубине (от десятков до сотен метров) характеристики сварочной дуги, металлургия и процесс сварки в той или иной степени изменяются по мере увеличения давления газа вокруг дуги. Поэтому для получения высококачественных сварных швов необходимо тщательно изучить влияние давления газа на процесс сварки.

4.2 Применение технологии сухой подводной сварки под атмосферным давлением

Сварка производится в герметичной камере под давлением, где давление внутри камеры равно атмосферному давлению на суше и не зависит от давления воды в окружающей среде, как показано на рисунке 4.

На самом деле, этот метод сварки не зависит от глубины или наличия воды, а процесс и качество сварки аналогичны сварке на суше.

Однако применение атмосферных сварка под давлением систем в морском машиностроении ограничено. Основной причиной этого является сложность обеспечения герметичности сварочной камеры на конструкциях или трубопроводах и поддержания необходимого давления внутри камеры.

Подобная система, разработанная совместно компаниями Petrobras и Lockheed, была применена в бассейне реки Амазонки. Оборудование для сухой сварки под атмосферным давлением еще дороже, чем для сухой подводной сварки под высоким давлением, и требует большего количества обслуживающего персонала.

Поэтому он обычно используется только для глубоководной сварки ответственных конструкций. Самым большим преимуществом этого метода является его способность эффективно устранять влияние воды на процесс сварки. Условия сварки идентичны условиям на суше, что обеспечивает высочайшее качество сварки.

Рисунок 4: Схема сухой подводной сварки под атмосферным давлением

Особым случаем сухой подводной сварки под атмосферным давлением является использование коффердамов в мелководных зонах. Нестабильная рабочая среда в мелководных зонах, вызванная волнами, приливами и значительными изменениями глубины воды, создает определенные трудности.

Некоторые компании решили эту проблему, соединив сварочную камеру с поверхностью воды с помощью конструкции, напоминающей ковш и оборудованной лестницей, создав рабочую среду под атмосферным давлением, как показано на рисунке 5.

Перепад давления в этой строительной среде минимален, что позволяет применять эффективные методы герметизации. Несмотря на необходимость учета требований к вентиляции и технике безопасности, данная технология доказала свою практичность в некоторых специализированных областях применения, в частности, при обслуживании морских инженерных сооружений в приливных зонах.

Рисунок 5: Схематическая диаграмма сварки перемычки

5. Локальная сухая подводная сварка

Технология локальной сухой подводной сварки использует газ для искусственного вытеснения воды в зоне сварки, создавая локальную камеру с сухим газом для сварки. Использование газа обеспечивает стабильную дугу и значительно улучшает качество сварки.

В настоящее время предпочтительным методом сварки морских стальных конструкций является локальная сухая подводная сварка с частичным дренажом и дуговая сварка в среде защитного газа.

Сухая точечная подводная сварка была впервые предложена в США, а затем использовалась в производстве транснациональными компаниями в США и Великобритании. Она включает в себя переносную цилиндрическую газовую камеру, один конец которой герметичен, а другой имеет отверстие с гибкой уплотнительной прокладкой, которая соответствует геометрии зоны сварки. Сварочный пистолет в газовой защите крепится к гибкой горловине и выдвигается в подвижную цилиндрическую газовую камеру.

Газовая камера прижимается к зоне сварки, и газ под определенным давлением подается для вытеснения воды (заставляя воду в газовой камере проходить через полугерметичную прокладку) и обеспечения защиты сварки.

Водолаз переносит цилиндрическую газовую камеру со сварочным пистолетом вдоль сварного шва для сварки. Эта система с сухой газовой камерой может адаптироваться к сварке в любом положении под водой, а прочность шва не ниже, чем у основного материала, при этом холод угол изгиба до 180°.

Сообщается, что квалифицированные сварные швы могут быть получены на глубине 29 м, а в Великобритании сварка была выполнена на глубине 27 м. Этот метод был использован для ремонта двух труб диаметром 350 мм, расположенных на глубине 7 м, на буровой платформе Ekofisk на норвежском континентальном шельфе, и после проведения магнитопорошкового тестирования дефектов обнаружено не было.

Кроме того, существует применение крупномасштабной локальной сухой подводной сварки с использованием съемного прозрачного колпака. Это устройство устанавливается или размещается вокруг свариваемой подводной стальной конструкции. Нижняя часть колпака открыта, и в нее подается инертный газ для вытеснения воды и поддержания сухой зоны сварки. Водолаз выдвигает сварочный пистолет снизу и выполняет сварку MIG в сухой среде.

После завершения сварки и осмотра кожух снимается. При этом методе в основном используется сплошная проволока или проволока с флюсом для полуавтоматической сварки в среде защитного газа, сварки вольфрамовым электродом в инертном газе (TIG) и дуговой сварки в защитной оболочке.

В США этот метод был использован для ремонта 406-миллиметрового стояка на нефтедобывающей платформе на глубине 12 м, который прошел испытания давлением воды и соответствовал требованиям. Локальная сухая сварка MIG под водой также привлекает внимание как перспективный метод подводной сварки.

На основе изучения фундаментальной теории сварки в газовой среде были созданы математические модели, разработаны подходящие конструкции сопел и скорости воздушного потока, а также определены взаимосвязи между давлением воды, защитный газБыли изучены поведение процесса, поведение дуги и скорость осаждения.

Для проверки и анализа распределения воздушного потока и фазового распределения в локальных пустотах была использована доплеровская велосиметрия, а также изучена взаимосвязь между вытяжкой, теплопередачей и давлением. На основе понимания принципа работы радоновых вакуумных насосов был разработан новый тип дренажного кожуха, снижающий давление газа в зоне сварки.

Результаты экспериментов показали, что качество сварки, достигнутое с помощью этого дренажного кожуха, сопоставимо с качеством сварки на воздухе. Ванг Гуоронг и др. изучили технику локальной сухой подводной сварки.

Теория механики жидкостей была использована для расчета и тестирования дренажного кожуха, определения соответствующей структуры и размера. Были проведены локальные эксперименты по сухой сварке, результаты которых показали, что данный метод имеет более низкую скорость охлаждения, содержание диффузионного водорода и максимальную твердость HAZ в сварное соединение по сравнению с мокрыми методами сварки.

Полученные сварные швы не имеют таких дефектов, как пористость, трещины и шлаковые включения. Механические свойства сварных соединений с V-образными канавками соответствуют требованиям стандартов API 1004 и ASME. Этот метод прост в эксплуатации, требует простого оборудования, имеет низкую стоимость и обеспечивает удовлетворительное качество шва.

Университет Цинхуа провел экспериментальные исследования подводного лазерная сварка. 304 нержавеющая сталь в качестве основного материала, в качестве присадочной проволоки - ULC308, мощность лазера - 4 кВт. Результаты показали, что скорость потока газа оказывает значительное влияние на качество сварки.

При низкой скорости потока газа содержание кислорода в сварном шве достигало 800 г/г, а при высокой скорости потока газа содержание кислорода снижалось до 80 г/г. Прочность металла шва на растяжение не изменялась в зависимости от расхода газа, но пластичность снижалась с уменьшением расхода газа.

Форма сопла оказывает значительное влияние на условия защиты при сварке, а увеличение диаметра сопла привело к образованию более стабильной газовой полости и удовлетворительному качеству сварки. Локальная сухая подводная сварка может обеспечить качество соединения, близкое к качеству сухой сварки.

Кроме того, благодаря своей простоте, низкой стоимости и гибкости, сравнимой с мокрой подводной сваркой, этот метод является перспективным для подводной сварки. В настоящее время разработано несколько локальных методов сухой подводной сварки, и некоторые из них уже используются в производстве.

5.1 Метод подводной сварки с водяной завесой

Этот метод был впервые предложен в Японии. Сварочный пистолет имеет двухслойную структуру. Из внешнего слоя сварочного пистолета вода под высоким давлением вытекает в форме конуса, образуя жесткую водяную завесу, которая блокирует проникновение воды извне.

Внутренний слой сварочного пистолета подает защитный газ для вытеснения воды непосредственно под сварочным пистолетом, создавая стабильную локализованную полость газовой фазы внутри водяной завесы. Сварочная дуга не подвержена влиянию воды и стабильно горит в полости газовой фазы.

Водяная завеса выполняет три задачи: защищает зону сварки от окружающей воды, использует всасывающий эффект высокоскоростной струи для удаления воды из зоны сварки и формирования полости газовой фазы, а также разбивает крупные пузырьки воздуха, выходящие из воды, на множество мелких пузырьков для поддержания стабильности внутри газовой полости.

Благодаря этому методу прочность соединения не ниже прочности основного материала, а углы изгиба как с лицевой, так и с обратной стороны сварного соединения могут достигать 6708. Сварочный пистолет легок и относительно гибок, но проблема видимости не решена.

Присутствие защитного газа и дыма перемешивает воду в зоне сварки, делая ее мутной и нарушая видимость водолаза, что заставляет сварщика работать, по сути, вслепую. Кроме того, существуют строгие требования к расстоянию и наклону сопла от поверхности заготовки, что требует от сварщика высоких эксплуатационных навыков.

В сочетании с отражением стальная пластина на воде под высоким давлением, этот метод неэффективен для сварки нахлесточных и филейных соединений, а ручная сварка сложна. Поэтому его следует развивать в направлении автоматизации.

5.2 Метод подводной сварки стальной щеткой

Этот метод был разработан в Японии для устранения недостатков метода водяной завесы. В нем вместо водяной завесы используется проволочная "юбка" из нержавеющей стали толщиной 0,2 мм для локального отвода воды. Этот метод можно использовать как для автоматической, так и для ручной сварки.

Чтобы уменьшить зазоры между стальными проволоками и повысить стабильность газовой полости, к юбке из стальных проволок добавляется сетка из медной проволоки (100-200 меш). Для предотвращения прилипания брызг к стальным проволокам с внутренней стороны юбки из стальной проволоки выкладывается слой проволоки из SiC волокна диаметром 0,1 мм. Этот метод был использован для ремонта сварных соединений на стальных сваях, подвергшихся коррозии под воздействием морской воды на глубине 1-6 м.

5.3 Метод подводной сварки

Этот метод предполагает установку прозрачного колпака на заготовку, использование газа для вытеснения воды из колпака, а также выдвижение сварочного пистолета в зону газовой фазы внутри колпака для сварки.

Сварщик наблюдает за процессом сварки через кожух. Этот метод подводной сварки может использоваться для пространственной позиционной сварки различных форм соединений, в основном с использованием дуговой сварки в среде защитного газа, а также сварки вольфрамовым инертным газом (TIG) и дуговой сварки в среде защитного металла.

Максимальная практическая глубина воды для этого метода локальной сухой сварки в кожухе составляет 40 м. Этот метод локальной сухой подводной сварки в кожухе представляет собой крупномасштабный локальный сухой метод, обладающий более высоким качеством сварки по сравнению с мелкомасштабным локальным сухим методом.

Однако он обладает меньшей гибкостью и адаптивностью. Кроме того, время сварки увеличивается, что приводит к увеличению задымленности внутри колпака, что ухудшает видимость водолаза. Для поддержания чистоты газа внутри колпака необходима правильная вытяжная вентиляция, поэтому эту проблему необходимо решать.

5.4 Метод подводной сварки в мобильной камере

Этот метод был впервые предложен в США в 1968 году и впоследствии применялся в производстве транснациональными компаниями в США и Великобритании. Он предполагает наличие подвижной камеры с одним открытым концом, обеспечивающей как отвод воды, так и защиту от газа.

Подвижная камера прижимается к месту сварки, вытесняя воду, создавая полость с газовой фазой, в которой горит сварочная дуга. Диаметр камеры составляет всего 100-130 мм, что позволяет использовать этот метод для сухой точечной подводной сварки.

Во время сварки открытый конец камеры соприкасается с изделием, и в отверстие устанавливается полупрозрачная уплотнительная прокладка и гибкая уплотнительная прокладка для сварочного пистолета.

Сварочный пистолет вставляется в камеру сбоку, и откачиваемый газ вытесняет воду, позволяя сварщику использовать внутреннее освещение камеры для четкого наблюдения за положением канавки и последующего включения сварочной дуги. Сварщик перемещает камеру сегмент за сегментом вдоль сварного шва, пока не будет завершен весь шов.

Этот метод позволяет выполнять сварку в любом положении. Благодаря стабильной газовой фазе внутри камеры улучшается качество дуги и сварки, в результате чего прочность шва получается не ниже, чем у основного материала. В сварных швах отсутствуют такие дефекты, как шлаковые включения, пористость и подрезы, а твердость в зоне сварки также низкая.

Механические свойства сварных соединений соответствуют требованиям Американского института нефти и используются на максимальной глубине 30-40 м. Однако этот метод подводной сварки имеет и некоторые ограничения:

(1) Он не позволяет эффективно устранить влияние сварочного дыма.

(2) Между камерой и лицевой маской дайвера все еще остается слой воды. Хотя в прозрачной воде он практически не влияет на видимость, в мутной воде проблемы с видимостью остаются нерешенными.

(3) Сварочный пистолет гибко соединен с камерой, и процесс сварки прерывается при каждом перемещении камеры, что приводит к прерывистой сварке и возможным дефектам на стыке сварочного прохода.

В целом, рациональное применение мер по частичному осушению может эффективно решить три основные технические проблемы при подводной сварке, тем самым улучшая стабильность дуги, повышая качество сварного шва и уменьшая его количество. дефекты сварки.

Используемые в настоящее время методы подводной сварки имеют свои ограничения: на качество сварки влияют условия работы и глубина воды. Однако с точки зрения перспектив развития шельфа исследования в области подводной сварки значительно отстают от потребностей отрасли. Поэтому активизация исследований в этой области имеет большое значение как сейчас, так и в будущем.

6. Исследовательский прогресс в технологии подводной сварки

6.1 Применение и развитие технологии подводной сварки

Впервые подводная сварка появилась в 1917 году, когда Кораблестроительный институт британского флота применил подводную дуговую сварку для ремонта негерметичных заклепочных соединений и заклепок на кораблях. В 1932 году Хренов разработал специальные электроды для подводной сварки, покрытые водонепроницаемым слоем на внешней поверхности, что в определенной степени повысило стабильность подводной сварочной дуги.

К концу Второй мировой войны технология подводной сварки приобрела большое значение в спасательных операциях, таких как спасение затонувших кораблей.

В конце 1960-х годов, особенно с развитием морской нефтегазовой отрасли, возникла острая необходимость в ремонте подводной сварки морских инженерных сооружений для устранения усталости, коррозии или аварийных повреждений, обеспечивая при этом хорошее качество сварки. Самое раннее сообщение на эту тему появилось в 1971 году, когда компания Humble Oil Company провела подводный сварочный ремонт на буровых платформах в Мексиканском заливе.

В 1958 году была подготовлена первая группа сертифицированных коммерческих водолазов, и были созданы процессы подводной мокрой сварки на глубине менее 100 м. В 1987 году технология подводной мокрой сварки была применена при ремонте труб из нержавеющей стали на атомных электростанциях. В 1990-х годах, когда количество подводных инженерных сооружений, требующих ремонта, увеличилось, а стоимость ремонта на верфях возросла, технология мокрой подводной сварки получила дальнейшее развитие.

В Китае также уделяется внимание и применяется технология подводной сварки. Уже в 1950-х годах применялась подводная мокрая сварка электродами. В 1960-х годах Китай самостоятельно разработал специальные электроды для подводной сварки. С 1970-х годов Южно-Китайский технологический университет и другие учебные заведения проводят обширные исследования электродов для подводной сварки и металлургии.

В конце 1970-х годов при содействии Шанхайского бюро спасения и Тяньцзиньского бюро нефтеразведки Харбинский научно-исследовательский институт сварки разработал технологию сварки LD-CO2, которая представляет собой локальный метод сухой подводной сварки. Специально разработанный полуавтоматический сварочный пистолет для подводной сварки эффективно удаляет сварочный дым, позволяя водолазу четко наблюдать за положением канавки и обеспечивая качество сварки. За последние 20 лет с помощью метода сварки LD-CO2 было выполнено множество строительных работ.

Основными факторами, влияющими на качество подводной сварки, являются глубина воды, соответствующее давление окружающей среды, а также влажная и суровая рабочая среда. Обеспечение качества мокрой подводной сварки является сложной задачей, поэтому повышение качества мокрой подводной сварки является одним из основных направлений исследований. В Великобритании и США разработаны различные высококачественные электроды для подводной сварки.

Как правило, глубина воды для мокрой подводной сварки не превышает 100 м. В настоящее время основное внимание уделяется достижению прорыва в технологии мокрой подводной сварки на глубине 200 м. Исследования в области контроля процесса сварки с использованием передовых технологий достигли определенного прогресса, особенно в автоматизации и интеллектуальном обеспечении сухой и частично сухой подводной сварки. Были разработаны автоматизированные системы сварки на гусеничном ходу и подводные сварочные роботы с автоматизированным контролем процесса, что позволило повысить качество сварки, сократить время работы и уменьшить нагрузку на водолазов.

Использование автоматизированной сварки с дистанционным управлением позволяет преодолевать ограничения по глубине, накладываемые ручными водолазами. Трековые сварочные системы имеют модульную структуру, что упрощает их обслуживание. Быстро развивающиеся подводные сварочные роботизированные системы обеспечивают большую гибкость и способны обеспечить удовлетворительное качество сварки при сухой подводной сварке под высоким давлением, например, газом дуговая сварка вольфрамовым электродом (GTWA), газовой дуговой сварки (GMAW) и дуговой сварки с порошковым покрытием (FCAW), даже на глубине 1100 м.

Подводные сварочные роботы, управляемые лазерными устройствами, обеспечивают большую гибкость при обнаружении и контроле сварных швов и дефектов, способствуя повышению качества сварки. Система подачи проволоки является сложной задачей при подводной сварке из-за глубины воды. Применяется новый тип высоконадежной системы подводного переворота и обратной связи с проволокой.

В целом, в современных системах подводных сварочных роботов остается еще много проблем, включая гибкость, размеры, условия эксплуатации, технологии обнаружения и мониторинга, а также надежность, которые требуют дальнейшего развития и совершенствования.

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх