水下焊接

在水下进行焊接

水下焊接由于水的存在，使焊接过程变得更加复杂，并且会出现各种各样陆地焊接所未遇到的问题，世界各国正在应用和研究的水下焊接方法种类繁多，应用较成熟的是电弧焊。随着水下焊接技术的发展，除了常用的湿法水下焊接、局部干法水下焊接和干法水下焊接以外，又出现了一些新的水下焊接方法。但是，从各国海洋开发的前景来看，水下焊接的研究远远不能适应形势发展的需要。因此，加强这方面的研究，无论是对现在或将来，都将是一项非常有意义的工作。

作用

水下焊接与切割是水下工程结构的安装、维修施工中不可缺少的重要工艺手段。它们常被用于海上救捞、海洋能源、海洋采矿等海洋工程和大型水下设施的施工过程中。

方法

水下焊接有干法、湿法和局部干法三种。

干法焊接

这是采用大型气室罩住焊件、焊工在气室内施焊的方法，由于是在干燥气相中焊接，其安全性较好。在深度超过空气的潜入范围时，由于增加了空气环境中局部氧气的压力，容易产生火星。因此应在气室内使用惰性或半惰性气体。干法焊接时，焊工应穿戴特制防火、耐高温的防护服。

与湿法和局部干法焊接相比，干法焊接安全性最好，但使用局限性很大，应用不普遍。

局部干法焊接

局部干法是焊工在水中施焊，人为地将焊接区周围的水排开的水下焊接方法，其安全措施与湿法相似。

由于局部干法还处于研究之中，因此使用尚不普遍。

湿法焊接

湿法焊接是焊工在水下直接施焊，而不是人为地将焊接区周围的水排开的水下焊接方法。

电弧在水下燃烧与埋弧焊相似，是在气泡中燃烧的。焊条燃烧时焊条上的涂料形成套筒使气泡稳定存在，因而使电弧稳定。要使焊条在水下稳定燃烧，必须在焊条芯上涂一层一定厚度的涂药，并用石蜡或其他防水物质浸渍的方法，使焊条具有防水性。气泡由氢、氧、水蒸气和由焊条药皮燃烧产生的气泡；浑浊的烟雾生的其他氧化物。为克服水的冷却和压力作用造成的引弧及稳弧困难，其引弧电压要高于大气中的引弧电压，其电流较大气中焊接电流大15%～20%。

水下湿法焊接与干法和局部干法焊接相比，应用最多，但安全性最差。由于水具有导电性，因此防触电成为湿法焊接的主要安全问题之一。

焊接特点

水下环境使得水下焊接过程比陆上焊接过程复杂得多，除焊接技术外，还涉及到潜水作业技术等诸多因素，水下焊接的特点是：

1、可见度差，水对光的吸收、反射和折射等作用比空气强得多，因此，光在水中传播时减弱得很快。另外焊接时电弧周围产生大量气泡和烟雾，使水下电弧的可见度非常低。在淤泥的海底和夹带沙泥的海域中进行水下焊接，水中可见度就更差了。

2、焊缝含氢量高，氢是焊接的大敌，如果焊接中含氢量超过允许值，很容易引起裂纹，甚至导致结构的破坏。水下电弧会使其周围水产生热分解，导致溶解到焊缝中的氢增加，水下焊条电弧焊的焊接接头质量差与氢含量高是分不开的。

3、冷却速度快，水下焊接时，海水的热传导系数高，是空气的20倍左右。若采用湿法或局部法水下焊接时，被焊工件直接处于水中，水对焊缝的急冷效果明显，容易产生高硬度淬硬组织。因此，只有采用干法焊接时，才能避免冷效应。

4、压力的影响，随着压力增加，电弧弧柱变细，焊道宽度变窄，焊缝高度增加，同时导电介质密度增加，从而增加了电离难度，电弧电压随之升高，电弧稳定性降低，飞溅和烟尘增多。

5、连续作业难以实现，由于受水下环境的影响和限制，许多情况下不得不采用焊一段，停一段的方法进行，因而产生焊缝不连续的现象。

运用

1、建议50平方以上专用焊线所有水线以下的和水下的电缆部件必须完全绝缘。

2、开始操作之前，检查所有电缆和连机器有无损坏了的绝缘。损坏的必须更换，有缺陷的要修理。

3、电缆的能力必须能满足工件的最大电流的要求。连机器的能力至少应该等于电缆的能力。

4、所有连机器必须紧固和彻底绝缘。所有水下连机器最后应该用橡胶袋紧紧藵住，以防电流损失。

5、要确定距离电焊钳十英尺以内的电缆是没有接头的。

6、这样布置接地电缆到工件，使潜水员的身体绝不会处于电焊条与焊接电路接地侧之间。

7、要保持电源电缆与焊接电缆分开。

组装办法

1、将安全开关负极导线接到电焊钳，并且使安全开关处于看管人够得着的地方。

2、将电焊机设置为正接。检查极性是否正确：负极至电焊钳，正极接地。

3、确定电流设定值，并且用钳形表（或者安培表）检查。

4、使所有电缆连机器完全绝缘。

5、确定电缆和连机器处于良好的工作状态，以及所有电缆在离电焊钳十英尺内没有接头。

6、将接地夹固定在工件上。

事故原因

水下焊接与切割的致险因素的特点是：电弧或气体火焰在水下使用，它与在大气中焊接或一般的潜水作业相比，具有更大的危险性。

水下焊接与切割作业常见事故有：触电、爆炸、烧伤、烫伤、溺水、砸伤、潜水病或窒息伤亡。事故原因大致有以下几点：

1、沉到水下的船或其他物件中常有弹药、燃料容器和化学危险品，焊割前未查明情况贸然作业，在焊割过程中就会发生爆炸。

2、由于回火和炽热金属熔滴烧伤、烫伤操作者，或烧坏供气管、潜水服等潜水装具而造成事故。

3、由于绝缘损坏或操作不当引起触电。

4、水下构件倒塌发生砸伤、压伤、挤伤甚至死亡事故。

5、由于供气管、潜水服烧坏，触电或海上风浪等引起溺水事故。

安全措施

水下焊接与切割安全措施

准备工作

水下焊接与切割安全工作的一个重要特点是：有大量、多方面的准备工作，一般包括下述几个方面：

1、调查作业区气象、水深、水温、流速等环境情况。当水面风力小于6级、作业点水流流速小于0.1～0.3m/s时，方可进行作业。

2、水下焊割前应查明被焊割件的性质和结构特点，弄清作业对象内是否存有易燃、易爆和有毒物质。对可能坠落、倒塌物体要适当固定，尤其水下切割时应特别注意，防止砸伤或损伤供气管及电缆。

3、下潜前，在水上，应对焊、割设备及工具、潜水装具，供气管和电缆、通讯联络工具等的绝缘、水密、工艺性能进行检查试验。氧气胶管要用1. 5倍工作压力的蒸汽或热水清洗，胶管内外不得粘附油脂。气管与电缆应每隔0.5m捆扎牢固，以免相互绞缠。入水下潜后，应及时整理好供气管、电缆和信号绳等，使其处于安全位置，以免损坏。

4、在作业点上方，半径相当于水深的区域内，不得同时进行其它作业。因水下操作过程中会有未燃尽气体或有毒气体逸出并上浮至水面，水上人员应有防火准备措施，并应将供气泵置于上风处，以防着火或水下人员吸入有毒气体中毒。

5、操作前，操作人员应对作业地点进行安全处理，移去周围的障碍物。水下焊割不得悬浮在水中作业，应事先安装操作平台，或在物件上选择安全的操作位置，避免使自身、潜水装具、供气管和电缆等处于熔渣喷溅或流动范围内。

6、潜水焊割人员与水面支持人员之间要有通讯装置，当一切准备工作就绪，在取得支持人员同意后，焊割人员方可开始作业。

7、从事水下焊接与切割工作，必须由经过专门培训并持有此类工作许可证的人员进行。

防火防爆安全措施

1、对储油罐、油管、储气罐和密闭容器等进行水下焊割时，必须遵守燃料容器焊补的安全技术要求。其他物件在焊割前也要彻底检查，并清除内部的可燃易爆物质。

2、要慎重考虑切割位置和方向，最好先从距离水面最近的部位着手，向下割。这是由于水下切割是利用氧气与氢气或石油气燃烧火焰进行的，在水下很难调整好它们之间的比例。有未完全燃烧的剩余气体逸出水面，遇到阻碍就会在金属构件内积聚形成可燃气穴。凡在水下进行立割，均应从上向下移，避免火焰经过未燃气体聚集处，引起燃爆。

3、严禁利用油管、船体、缆索和海水作为电焊机回路的导电体。

4、在水下操作时，如焊工不慎跌倒或气瓶用完更换新瓶时，常因供气压力低于割炬所处的水压力而失去平衡，这时极易发生回火。因此，除了在供气总管处安装回火防止器外，还应在割炬柄与供气管之间安装防爆阀。防爆阀由逆止阀与火焰消除器组成，前者阻止可燃气的回流，以免在气管内形成爆炸性混合气，后者能防止火焰流过逆止阀时，引燃气管中的可燃气。

换气瓶时，如不能保证压力不变，应将割炬熄灭，换好后再点燃，或将割炬送出水面，等气瓶换好后再送下水。

5、使用氢气作为燃气时，应特别注意防爆、防泄漏。

6、割炬点火可以在水上点燃带入水下，或带点火器在水下点火，前者带火下沉时，特别在越过障碍时，一不留神有被火焰烧伤或烧坏潜水装具的危险，在水下点火易发生回火和未燃气体数量增多，同样有爆炸的危险，应引起注意。

7、防止高温熔滴落进潜水服的折迭处或供气管，尽量避免仰焊和仰割，烧坏潜水服或供气管。

8、不要将气割用软管夹在腋下或两腿之间，防止万一因回火爆炸、击穿或烧坏潜水服，割炬不要放在泥土上，防止堵塞，每日工作完用清水冲洗割炬并凉干。

防触电安全措施

1、焊接电源须用直流电，禁用交流电。因为在相同电压下通过潜水员身体的交流电流大于直流电流。并且与直流电相比，交流电稳弧性差，易造成较大飞溅，增加烧损潜水装具的危险。

2、所有设备、工具要有良好的绝缘和防水性能，绝缘电阻不得小于1M。为了防海水、大气盐雾的腐蚀，需包敷具有可靠水密的绝缘护套，且应有良好的接地。

3、焊工要穿不透水的潜水服，戴干燥的橡皮手套，用橡皮包裹潜水头盔下领部的金属钮扣。潜水盔上的滤光镜铰接在盔外面，可以开合，滤光镜涂色深度应较陆地上为浅。水下装具的所有金属部件，均应采取防水绝缘保护措施，以防被电解腐蚀或出现电火花。

4、更换焊条时，必须先发出拉闸信号，断电后才能去掉残余的焊条头，换新焊条，或安装自动开关箱。焊条应彻底绝缘和防水，只在形成电弧的端面保证电接触。

5、焊工工作时，电流一旦接通，切勿背向工件的接地点、把自己置于工作点与接地点之间，而应面向接地点，把工作点置于自己与接地点之间，这样才可避免潜水盔与金属用具受到电解作用而致损坏。焊工切忌把电极尖端指向自己的潜水盔，任何时候都要注意不可使身体或工具的任何部分成为电路。

研究趋势

1、由于每种焊接方法（湿法、局部干法、干法）都有其各自的优点和适应场合，因此，多种水下焊接方法并存的局面会长期存在。

2、湿法水下焊接的质量主要受水下焊条、水下药芯焊丝等因素的影响和制约，英、美等国已发展了多种高质量的水下焊条，我们也应该加快开发研制高质量水下焊条、水下药芯焊丝。通常湿法焊接的水深不超过100m，努力方向是，实现200m水深湿法焊接技术的突破。

3、基于先进技术，对焊接过程进行监控的研究已经取得某些进展，主要体现在水下干法和局部干法焊接中的自动化和智能化。例如遥测遥控技术已经在水下焊接中取得了初步应用，采用遥控遥测技术，可以实现水下安装检测中的焊接加工，已在水下管道安装维护中取得进展，最近华南理工大学的廖天发等人采用VC++编程实现了串口通讯（SPC），用于远程控制水下焊接焊前的焊缝对中以及焊接过程中的焊缝跟踪。自动化的轨道焊接系统和水下焊接机器人系统，能对焊接过程自动监控，焊接质量好，节省工时，而且还能减轻潜水员的工作强度。但是水下焊接机器人系统还存在许多问题，其灵活性、体积、作业环境、检测和监控技术以及可靠性等还有待于进一步发展和提高，这是我们的努力方向。

4、模拟技术的出现及发展，为焊接生产朝着“理论—数值模拟—生产”模式的发展创造了条件，使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。陆上焊接过程的温度场、流场以及熔池、焊缝应力等的模拟取得了较大进展，焊接电弧的模拟也有一定的研究，但对水下焊接的模拟研究还比较滞后。德国的Hans-Peter Schmidt 等人对电流在50-100A范围内，压力0.1-10Mpa，钨极氩保护情况下的水下高压焊接电弧进行了模拟研究，用数学方法解守恒方程得出了温度、速度、压力和电流的分布。其中电弧温度的测量结果与理论分布吻合良好。随着海洋石油和天然气工业的发展以及我国海洋工程向深海的挺进，应当重视和加快针对水下焊接这方面的数值模拟研究。我们也正在着手进行高压环境下焊接电弧的数值模拟这方面的研究工作。

5、计算机仿真是一项很有用的技术，它在焊接工艺的制定、焊接设备的研制以及控制系统的改进等方面的研究中都有应用。 Dag.Espedalen等人对高压干法水下焊接进行了仿真技术研究，首先利用SolidEdge建立焊接舱和焊接机器人的3D模型，然后再转化为I-grip运动模型，编制合适的控制程序，整个海底管道维修操作过程就演示出来。通过焊接仿真，有助于构思新方案，并能提前发现存在的问题，这也是我们以后应当研究的一个领域。

注意事项

1、焊割炬（枪、把）在使用前应作绝缘、水密性和工艺性能等方面的检查，需先在水面进行试验。氧气胶管使用前应当用1．5倍工作压力的蒸汽或水进行清洗，胶管内外不得粘有油脂。供电电缆必须检验其绝缘性能。热切割的供气胶管和电缆每0．5m间距应捆扎牢固。

2、潜水焊割工应备有无线通信工具，以便随时同水面上的支持人员取得联系，不允许在没有任何通讯联络的情况下进行水下焊割作业。潜水焊割工人入水后，在其作业点的水面上半径相当于水深的区域内，禁止进行其他作业。

3、水下焊割前应查明作业区的周围环境，熟悉作业水深、水文、气象和被焊割物件的结构形式等情况。应当给潜水焊割工一个合适的工作位置，禁止在悬浮状态下进行焊接操作。一般潜水焊割工应停留在构件上或事先设置的操作平台上。

4、在水下焊割开始操作前应仔细检查、整理供气胶管、电缆、设备、工具及信号绳等，在任何情况下，都不得使这些装备和焊割工本身处于熔渣溅落和流动的路线上。应当移去操作点周围的障碍物，将自身置于有利的安全位置上，然后同水面人员联系并取得同意后方可施焊。

5、水下作业点所处的水流速度超过0．1～0．3m/s，水面风力超过6级时，禁止水下作业。

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