水下濕法焊接工藝在沉船打撈工程中的應(yīng)用*

杜永鵬， 郭 寧， 劉志強(qiáng)， 袁 新

（1．山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），山東 威海 264209；3.山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 威海264209；4．交通部煙臺(tái)打撈局，山東 煙臺(tái) 264000）

水下濕法焊接工藝在沉船打撈工程中的應(yīng)用*

杜永鵬1， 郭 寧2，3， 劉志強(qiáng)4， 袁 新1

（1．山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），山東 威海 264209；3.山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 威海264209；4．交通部煙臺(tái)打撈局，山東 煙臺(tái) 264000）

針對(duì)某次沉船事故打撈方案中需要在水下焊接扳正樁頭的情況，設(shè)計(jì)了原樁頭1/4尺寸的縮比模型，為驗(yàn)證水下焊接質(zhì)量，在不同焊接規(guī)范下對(duì)縮比模型進(jìn)行焊接，并對(duì)焊后試件的力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，在該焊接規(guī)范下所焊試件的焊縫成形良好，目測(cè)無(wú)明顯缺陷，所設(shè)計(jì)試件結(jié)構(gòu)的承載拉力達(dá)到了設(shè)計(jì)承載力的2倍，且焊接效率較高，能在短時(shí)間內(nèi)完成施焊工作，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

焊接；沉船打撈；水下濕法焊接；抗拉強(qiáng)度

0 前 言

水下濕法焊接技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中，不采取特殊的排水設(shè)施，直接在水中引燃電弧進(jìn)行焊接，相對(duì)于干法焊接，焊接接頭質(zhì)量等方面有一定的差距，但憑其成本低廉、操作方便、生產(chǎn)效率高及設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于沉船打撈和采油平臺(tái)維護(hù)等工程[1-3]。

常用的沉船打撈方法有：恢復(fù)浮力法、浮船塢打撈、解體打撈法、浮力材料法、充氣打撈法、圍堰打撈法和泡沫塑料打撈法等[4-6]。在打撈施工過(guò)程中，為便于起吊，需要在沉船船體上安裝扳正樁頭[7]。如何安裝符合要求的扳正樁頭是打撈工藝中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。抗拉強(qiáng)度較大的扳正樁頭具有保證施工安全、降低成本等優(yōu)勢(shì)。

扳正樁頭一般由潛水員在水下焊接完成，由于施工水域的水質(zhì)、流速以及樁頭安放位置等影響，對(duì)焊接工藝要求較為嚴(yán)格。因此，開(kāi)展扳正樁頭濕法水下焊接工藝研究，研制專用的焊接材料，設(shè)計(jì)特殊的焊接工藝，提高樁頭抗拉強(qiáng)度，對(duì)于改進(jìn)沉船打撈工藝及提高打撈效益意義顯著。

1 試驗(yàn)方案

以打撈某失事化學(xué)品船為應(yīng)用背景，項(xiàng)目組聯(lián)合煙臺(tái)打撈局設(shè)計(jì)一種沉船打撈方案，該方案中所設(shè)計(jì)的扳正樁頭如圖1所示。

圖1 扳正樁頭結(jié)構(gòu)示意圖

為保證起吊過(guò)程安全可靠，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗拉承載力為150 t。該扳正樁頭長(zhǎng)1 000mm，寬600mm，設(shè)計(jì)單道焊縫總長(zhǎng)度（1圈）為3 200mm；材質(zhì)為Q235，板材厚度為16mm，預(yù)計(jì)焊滿襯板需4層9道，焊縫總長(zhǎng)度為28 800mm。

圖2 扳正樁頭水下焊接試件

考慮到萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件尺寸的要求，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的試件如圖2所示，試件搭接有效尺寸為250mm×150mm，為實(shí)際工程結(jié)構(gòu)試件尺寸的1/4。試件母材與實(shí)際結(jié)構(gòu)母材相同，為16mm厚Q235板材。此結(jié)構(gòu)的抗拉承載力應(yīng)大于40 t。

由于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)最大拉力為100 t，考慮到裝卡方便，試驗(yàn)時(shí)未采用4面滿焊加中間塞焊的方式，而采用了只焊接3面、未塞焊的形式。每面焊接了2層3道。

2 焊接材料與試驗(yàn)條件

2.1 水下焊接專用焊條

試驗(yàn)所采用的焊條為水下濕法焊接專用焊條，其主要力學(xué)性能見(jiàn)表1。目前，按照不同強(qiáng)度等級(jí)、不同用途，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了系列水下焊條。所焊焊縫成形良好，無(wú)焊瘤、咬邊等缺陷，可滿足不同實(shí)際工程的需要。

表1 水下濕法焊接專用焊條主要力學(xué)性能

沉船打撈施工過(guò)程中，需要采用平焊、立焊、仰焊等多種位置焊接，因此所選用焊材要適應(yīng)工程特點(diǎn)，根據(jù)需要采用不同的焊接位置進(jìn)行施工。水下濕法焊條電弧焊焊接規(guī)范見(jiàn)表2。

表2 水下濕法焊條電弧焊焊接規(guī)范

考慮到工程應(yīng)用實(shí)際情況，水下濕法焊接對(duì)焊條脫渣性的要求較高。焊接后，按照GB/T 25776—2010對(duì)焊接接頭脫渣性的評(píng)定要求，對(duì)該焊件的脫渣性能進(jìn)行評(píng)定，得出脫渣率平均為87%，可見(jiàn)該焊接規(guī)范的脫渣性良好，部分渣殼在焊后呈較大塊狀并能自行崩離，無(wú)粘渣現(xiàn)象。熔渣表層光滑致密，無(wú)氣孔和團(tuán)塊，但熔渣中出現(xiàn)較多氣孔，直徑最大達(dá)到3mm以上。熔渣松脆，呈碎顆粒狀或塊狀脫落。水下堆焊脫渣前和脫渣后的宏觀照片如圖3所示。

圖3 水下堆焊脫渣前和脫渣后的宏觀照片

2.2 試驗(yàn)用焊接電源

試驗(yàn)采用的焊接電源為水下焊接專用焊機(jī)，如圖4所示。該焊機(jī)可以根據(jù)用戶需要，調(diào)節(jié)推力點(diǎn)、電弧力以及引弧電流等。

圖4 水下焊接、切割專用電源

普通陸上焊條電弧焊焊接電源一般具有推力功能，即當(dāng)電弧電壓低于一定值時(shí)（一般為16～19 V），弧長(zhǎng)較短，有粘條的趨勢(shì)，此時(shí)增大輸出焊接電流，加快焊條的燃燒速度，可以避免粘條。水下焊接時(shí)，焊接電纜較長(zhǎng)，這也導(dǎo)致了回路壓降的增加。以截面積為70mm2、長(zhǎng)度為50 m焊接電纜為例，電纜阻抗約為0.03 Ω，焊接電流為200 A時(shí)，壓降就可達(dá)6 V。若正常情況下弧壓為18 V時(shí)增加推力，考慮到回路壓降的影響，需要當(dāng)焊機(jī)輸出端電壓為24 V時(shí)輸出推力電流。針對(duì)這一情況，將推力點(diǎn)這一參數(shù)設(shè)為可調(diào)，操作者可以根據(jù)焊接電流及回路阻抗變化，靈活設(shè)置推力點(diǎn)。

引弧電流調(diào)節(jié)是在焊接過(guò)程開(kāi)始階段，輸出電流略大于預(yù)置焊接電流，等焊接過(guò)程穩(wěn)定后，焊接按照預(yù)置值輸出。借助該功能，在小電流焊接引弧難的情況下，通過(guò)加大引弧電流值，確保順利引燃電弧。

除此之外，改進(jìn)后的焊機(jī)可以使操作者通過(guò)遙控盒上的紐扣開(kāi)關(guān)，結(jié)合內(nèi)部控制電路，在不增加回路阻抗的基礎(chǔ)上，輕松實(shí)現(xiàn)焊機(jī)啟?？刂?。

2.3 試驗(yàn)條件及測(cè)試設(shè)備

為了模擬實(shí)際海況，本試驗(yàn)在山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所岸邊試驗(yàn)站進(jìn)行，施工現(xiàn)場(chǎng)照片如圖5所示。該試驗(yàn)由交通部煙臺(tái)打撈局三位專業(yè)潛水員在水下進(jìn)行焊接操作。焊接作業(yè)水深6 m，水下能見(jiàn)度2 m。為保證焊工安全，便于試驗(yàn)開(kāi)展，潛水員在吊籠完成作業(yè)。

圖5 水下焊接施工現(xiàn)場(chǎng)照片

試驗(yàn)過(guò)程中，潛水員攜帶指定尺寸的兩塊試板進(jìn)入吊籠，起重機(jī)將吊籠送入指定水深位置。待吊籠就位后，根據(jù)潛水員指令，開(kāi)啟焊接電源，開(kāi)始水下焊接作業(yè)。焊渣清理工作也在水下進(jìn)行，由潛水員通過(guò)手持清渣工具完成清理。

為了對(duì)比焊工焊接水平的差異，由三位潛水員分別完成水平位置的一塊試件。另外，由其中一位焊工完成傾斜角度為45°試件的焊接工作，用于對(duì)比不同焊接角度對(duì)焊接質(zhì)量的影響。試驗(yàn)過(guò)程所采用的焊接規(guī)范見(jiàn)表3。

表3 水下焊接規(guī)范

焊接完成后，對(duì)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備為100 t萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備加持寬度為120mm，最大拉力為100 t，加載速度為10mm/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 焊接位置對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

對(duì)試件的檢測(cè)結(jié)果表明，焊接位置對(duì)焊縫成形質(zhì)量有一定影響。使用焊條電弧焊進(jìn)行立焊、仰焊時(shí)，需壓低電弧，促進(jìn)熔滴過(guò)渡，一般情況下，立焊、仰焊的焊接質(zhì)量較平焊差。

圖6 水平位置焊接試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)水下扳正樁頭固定連接時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行全位置焊接。因此，就要保證不同焊接位置的焊接質(zhì)量都能滿足設(shè)計(jì)要求。為此，在試驗(yàn)過(guò)程中，由一名潛水員在不同焊接位置完成兩塊模擬試件的焊接，即分別在平焊位置和試件傾斜45°時(shí)施焊。

焊接完成后，目測(cè)焊縫外觀成形良好，無(wú)明顯表面缺陷。隨后對(duì)試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖7 傾斜45°焊接試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果

在對(duì)水平位置焊接試件進(jìn)行測(cè)試時(shí)，當(dāng)拉力達(dá)到86 t時(shí)，人為停止測(cè)試，此時(shí)未將試件拉斷，焊縫區(qū)域未見(jiàn)斷裂，母材區(qū)域開(kāi)裂。對(duì)于傾斜45°焊接試件，其最大抗拉力為96 t，斷裂位置為母材區(qū)域，焊縫區(qū)域未見(jiàn)斷裂趨勢(shì)。

綜上所述，對(duì)于兩種不同焊接位置獲得的試件，其最大抗拉能力都超過(guò)85 t，超過(guò)預(yù)期的40 t最大抗拉能力，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 施焊人員操作水平對(duì)焊接質(zhì)量的影響

水下濕法焊條電弧焊焊接設(shè)備簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度低，不同施焊者因其手法差異，焊接質(zhì)量會(huì)有所不同。由于潛水員水下施焊時(shí)間有限，為確保工程進(jìn)度和焊接質(zhì)量，往往需要若干潛水員分批次完成同一試件的焊接。

為了評(píng)價(jià)施焊者操作水平對(duì)焊接質(zhì)量的影響，本次焊接試驗(yàn)時(shí)，從煙臺(tái)打撈局具備水下施工資質(zhì)的潛水員中隨機(jī)挑選三位進(jìn)行焊接操作，并將焊接試件進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)過(guò)程中，三位潛水員在相同條件下獨(dú)立完成扳正樁頭試件的水下焊接，工作人員記錄其完成整套工作的時(shí)間及材料消耗，并對(duì)焊后的試件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水下焊接試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的試件結(jié)構(gòu)承載拉力達(dá)85 t以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)承載力的2倍，所有斷裂位置均發(fā)生在母材區(qū)域。在進(jìn)行水下焊接試件時(shí)，共焊接了2層3道，焊縫總長(zhǎng)度為1 950mm，平均所需焊條16根，平均用時(shí)52 min。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，在相同焊接條件下，可推算出焊接此結(jié)構(gòu)的焊接效率為：焊接1 m焊縫需要焊條約8根，水下作業(yè)用時(shí)約26 min。根據(jù)本次試驗(yàn)所采用的只焊3面并未塞焊的結(jié)果推算，在同種焊接條件下，采用1 000mm×600mm試件，焊接2層3道，并進(jìn)行塞焊的結(jié)構(gòu)，至少可以承載340 t拉力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)150 t的設(shè)計(jì)拉力。

4 結(jié) 論

（1）本次試驗(yàn)所有試件的裝配、焊接、清渣工作全部在水下獨(dú)立完成，試驗(yàn)結(jié)果表明，水平位置以及45°立焊位置結(jié)構(gòu)的焊接效果良好，目測(cè)無(wú)明顯缺陷。

（2）力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的試件結(jié)構(gòu)承載拉力85 t以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)承載力的2倍。所有斷裂位置均發(fā)生在母材區(qū)域，焊縫區(qū)域的承載力應(yīng)大于85 t。

（3）在水下焊接試驗(yàn)試件時(shí)，共焊接了2層3道，焊縫總長(zhǎng)度為1 950mm，平均所需焊條16根，平均用時(shí)52 min。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，在相同焊接條件下，可推算出焊接此結(jié)構(gòu)的效率為：焊接每1 m焊縫需要焊條約8根，水下作業(yè)用時(shí)約26 min。

（4）根據(jù)本次試驗(yàn)所采用的只焊3面并未塞焊的結(jié)果推算，在實(shí)際工程同種焊接條件下，采用1 000mm×600mm試件，焊接2層3道，并進(jìn)行塞焊的結(jié)構(gòu)，至少可以承載340 t拉力。

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Application of Underwater Wet Welding in Sunken Vessel Salvage Engineering

DU Yongpeng1,GUO Ning2,3,LIU Zhiqiang4,YUAN Xin1
(1.Shandong Academy of Sciences Institute of Oceanographic Instrumentation,Qingdao 266001,Shandong,China;2.Harbin Institute of Technology at Weihai,Weihai 264209,Shandong,China;3.State Key Laboratory of Shangdong Special Welding Technology,Weihai 264209,Shandong,China;4.China Yantai Salvage Bureau of the Ministry of Transport,Yantai 26400,Shandong,China)

According to the salvaging program for a sunken ship,the righting head which is under water should be welded.A 1∶4 scale model was designed.In order to verify the welding quality under water,the scale model was welded under different welding specifications,and the mechanical properties post welding were detected.The results showed that the weld formation is good,without obvious visual defects under this welding specification,the bearing force of specimen structure is two times of the designed value,and with high welding efficiency.It can finish welding work in a short time,achieve the expected design goal.

welding;sunken vessel salvage；underwater wet welding；tensile strength

TG407

B

1001－3938（2015）04-0043-05

國(guó)家863重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2008AA092901)。

杜永鵬（1982—），男， 2008年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)焊接專業(yè)，工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事水下焊接技術(shù)與設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)工作。

2014-11-12

謝淑霞