水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计-毕业论文

密 级公开 学 号100498 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系水下管道摩擦螺柱焊装置液压系 统设计统设计 院（系、部）：院（系、部）：机机 械械 工工 程程 学学 院院 姓姓名：名：王王 佳佳 维维 班班级：级：机机 101101 班班 专专业：业： 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 指指 导导 教教 师师 ：高高辉辉 教教 师师 职职 称称 ：讲讲师师 2014 年 05 月 20 日北京 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议 论文水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计系本人在北京石油化工学 院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石 油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷 版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、 文摘浏览以及全文部分 浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称： 机械工程学院 作者签名：王佳维 学号：100498 2014 年6 月5日 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 2 北 京 石 油 化 工 学 院 毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书 学院（系、部）: 机械工程学院 专业: 机械设计制造及其自动化班级:机 101 学生姓名: 王佳维指导教师/职称:高辉/讲师 1.毕业设计（论文）题目：水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 2.任务起止日期：2014 年 2 月 17 日 至2014 年 6 月 05 日 3.毕业设计（论文）的主要内容与要求（含原始数据及应提交的成果） （1）课题简介 我国在南海海域拥有近 10 个油气田群，近年来不仅油气田开发数量不断增长， 而且开采深度也在不断加深。例如：西江油田平均水深 100 米、惠州油田群平均水 深 98116 米、流花油田平均水深 305 米、陆丰 221 油田平均水深 332 米、番禺 51 油田平均水深 110 米、崖城 131 气田平均水深 100 米、文昌 131 油田平均 水深 117 米。另外，从投产时间上来看绝大多数油田服役期限已达到 10 年以上， 有的甚至超过 20 年。例如：涠洲 103 油田 1986 年 08 月投产、惠州 211 油田 1990 年 9 月投产、陆丰 131 油田 1993 年 10 月投产、崖城 131 气田 1995 年 10 月投产。不论从油田数量还是从服役年限来看，可以预计在未来几年中，海底管道 维修以及更换牺牲阳极的工作量必将大幅攀升。因此，研究一套水下管道摩擦螺柱 焊装置对提高我国海底管道牺牲阳极修复技术水平具有重要意义。通过本课题的研 究，力争使学生掌握基本的设计方法和技巧，提高知识的综合运用的能力。 （2）任务与要求 1)查阅相关国内外文献资料 2)总体方案设计 3)液压系统计算及元件选型 4)液压系统计算机仿真 （3）预期培养目标 通过该毕业设计，使学生将所学的知识系统化，并得到扩展和补充，将理论与 实践相结合使其学会独立解决实际工程技术问题的初步技巧，掌握基本的文献检索 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 3 方法，至少熟练掌握SolidWorks、UG、PROE等三维绘图软件中的一种，了解液压系 统设计的基本过程，提高综合运用所学知识独立解决问题的能力，为将来的工作打 下坚实的基础。 （4）原始数据 1)主轴轴向最大焊接压力 2 吨 2)主轴最高转速 8000rpm 3)主轴 Z 向进给速度 5-60mm/min 4)液压系统压力 32MPa （5）应提交的成果 1)外文资料翻译 2)设计计算过程报告 3)液压系统设计图及仿真动画 4)开题报告 5)毕业论文 6)工作日记 4.主要参考文献： 1)机械设计基础课程设计,赵卫军主编,科学出版社 2)液压元件及选用,王守城, 段俊勇主编,化学工业出版社 3)液压系统原理图分析技巧,李松晶，丛大成，姜洪洲编著,化学工业出版 社 5.进度计划及指导安排： 毕业设计（论文）进度计划表 周次日期工作内容具体要求 12.17-2.21完成课题相关文献检索 22.24-2.28完成并提交外文资料翻译 33.03 -3.07阅读所有文件并完成文献综述 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 4 43.10-3.14 完成总体方案设计、开题报告，进行 开题报告答辩 53.17 -3.21液压系统设计 63.24-4.04液压系统设计 74.04-4.25液压系统设计 84.25-5.02油路块设计 95.03-5.09零部件及装配体的二维图绘制 105.12-5.16液压系统计算机仿真 115.19-5.23液压系统计算机仿真 125.26-5.30液压系统计算机仿真 136.02-6.06 书写毕业论文预答辩；所有毕业设计 资料的修改、整理及定稿 任务书审定日期年月日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期年月日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期年月日指导教师（签字） 计划完成任务日期年月日学生（签字） 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 I 摘摘要要 本文主要对水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统进行设计。文章首先简单阐明了 摩擦螺柱焊装置液压系统的选题背景，阐述了摩擦螺柱焊的研究意义，对摩擦螺柱 焊技术的起源及成型过程进行描述，并介绍了摩擦螺柱焊技术的特点及局限性、应 用等， 明确了影响焊接质量的几个主要焊接工艺参数的范围和设计技术要求。 第二， 根据设计要求进行了摩擦螺柱焊液压系统设计。设计工作主要分为：液压系统的计 算和元件选型，焊接泵站液压系统的设计、油路块的设计、油箱的设计及其液压系 统辅件的一些选型。 液压系统的计算时，需要根据转速的要求， 先确定主轴的扭矩， 然后选择液压马达，根据扭矩计算出液压泵的最大工作压力，然后选择出合适的液 压泵和电机。在液压缸的设计计算时，根据主轴头中轴的直径，逐步推导算出液压 缸的外径。在液压缸壁厚方面，以防液压缸的强度不够，要进行壁厚的校核。第三， 设计的重点部分是焊接主泵站和辅助泵站的系统设计。根据设计出的液压原理图， 进行液压阀的选型，油箱的设计以及管件压力表、液位计等辅助元件的选型。在选 型时，一定注意要满足液压系统的最高压力、温度、流量等要求。最后，阐述了液 压系统常见故障及其排除方法。 关键词关键词：水下焊接、摩擦螺柱焊、液压传动、液压系统设计 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 II Abstract This article mainly discusses the underwater pipeline friction stud welding device of the hydraulic system design. The article first briefly illuminates the friction stud welding device of the hydraulic system of the selected topic background, this paper expounds the research significance of friction stud welding, the origin of friction stud welding technology and the molding process was described, and introduces the friction characteristics and limitations of stud welding technology, application, etc., has been clear about the main welding technological parameters affecting the quality of welding the scope and design of the technical requirements. Second, according to the design requirements for a hydraulic system of friction stitch welding. Design work is mainly divided into: the calculation of the hydraulic system and component selection, welding pump hydraulic system design, the design of the tank and some of the hydraulic system accessories selection. Calculation of the hydraulic system, it is necessary according to the requirements of speed, make sure the spindle torque, and then select the hydraulic motor, the torque is calculated according to the maximum working pressure of the hydraulic pump, and then select a suitable hydraulic pumps and motors. Design and calculation of the hydraulic cylinder, the axis of the spindle head according to the diameter of the cylinder gradually derive the calculated diameter. The cylinder wall, the strength is not enough to prevent the hydraulic cylinder, the wall thickness to be checked. Third, the focus of the design part is welded main pump station and auxiliary pumping system design. According to design a hydraulic schematic diagram, the hydraulic valve selection, design and fitting tank gauge, level gauge and other auxiliary component selection. In the selection, we must pay attention to the hydraulic system to meet the highest pressure, temperature, flow and other requirements. Finally, elaborated hydraulic system faults and troubleshooting. Key Words: underwater welding, friction stitch welding, hydraulic transmission, hydraulic system design 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 III 目目录录 第一章绪 论.1 1.1 选题背景.1 1.2 研究意义.1 1.3 文献综述.2 1.3.1 摩擦螺柱焊技术的起源及成型过程描述.2 1.3.2 摩擦螺柱焊焊技术的国内外发展情况.3 1.3.3 水下焊接的基本问题.5 1.3.4 水下焊接技术的发展简介.6 1.3.5 现有的水下焊接方法及其特点.7 第二章 液压系统设计.11 2.1 液压传动的发展概况.11 2.2 液压传动在机械行业中的应用.11 2.3 液压传动系统的组成.12 2.4 液压与气压传动的优缺点.12 2.5 水下机器人的海水液压执行机构系统.13 2.5.1 海水液压执行机构系统.13 2.5.2 海水液压系统的伺服特性.16 2.5.3 远程操作系统.18 2.5.4 控制系统.21 2.6 液压系统的计算和元件选型.21 2.6.1 确定主轴扭矩.21 2.6.2 液压马达的选型.23 2.6.3 液压泵的选型.24 2.6.4 电机的选型.25 2.6.5 轴的校核.26 2.6.6 轴承的校核.27 2.6.7 液压缸的设计计算.28 2.6.8 液压控制阀.30 2.7 焊接泵站液压系统设计.42 2.7.1 主泵站液压系统设计.44 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 IV 2.7.2 辅助泵站液压系统设计.44 第三章 油箱的设计.46 3.1 油箱.46 3.1.1 油箱的作用.46 3.1.2 油箱的种类.47 3.1.3 油箱的容量、箱顶、通气孔.47 3.2 箱壁、清洗孔、吊耳、液位计 .50 3.3 箱底、放油塞、支脚 .51 第四章 压力表辅件及管件.53 4.1 压力表辅件.53 4.1.1 压力表.53 4.1.2 压力表开关.54 4.2 管件 .54 第五章 结论与展望.55 参 考 文 献.56 致谢.58 声明.59 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 1 第一章第一章绪绪 论论 1.11.1 选题背景选题背景 陆地资源严重消耗，导致越来越不能满足经济发展的需求，使得海洋资源的开 发应用加快。随着世界海洋技术的发展以及对海洋资源的开发，水下焊接技术的重 要性日益提高。水下焊接技术必将向更大水深、更高压力的方向发展。人类由于身 体因素的影响，存在潜水极限。因此，未来水下焊接技术的发展方向就是高自动化、 高压力和高质量。现有水下焊接技术，已经能够解决一部分水下焊接的问题，但仍 存在着许多局限性，远远不能满足安全、高质、高效的应用要求 1 。随着水下焊接 技术的发展，又出现了一些新的水下焊接方法，如深水结构的摩擦螺柱焊。摩擦螺 柱焊是最能适应海下3001000m深结构物高质量焊接的先进技术，应该作为我国赶 超世界先进水平的关键技术优先发展 2 。 1.21.2 研究意义研究意义 螺柱焊起于上世纪30年代，首先在造船工业装修中应用，到5060年代发达国 家在刚结构工程中开始应用，70年代应用范围和行业逐渐增加，锅炉、压力容器、 汽车、造船、金属结构中、现如今已经逐渐转换到海底管道做焊接。此技术在各国 工业领域广泛应用在连接和装配方式，通焊条电弧焊对比，可实现全截面的焊接， 焊条电弧焊只能实现角焊缝，所以螺柱焊的螺栓抗剪能力能够得到大幅度的提高， 焊接速度快，适合深海的技术要求，并且具有高质量的再现性，重复性强，故有易 于日后检修或维修。摩擦螺柱焊对水以及水深不敏感且可以适应不同的结构物，而 且该技术可以用较低的成本在实验室展开研究。它将成为未来水下修复主导技术的 可能性很大。 21 世纪以来， 摩擦螺柱焊已经成为水下修复研究的重点。 它突出的技术优势是 其他摩擦焊接新技术, 例如搅拌摩擦焊接难以比拟的 3 。搅拌摩擦焊主要集中在汽 车、 航空航天等领域应用较多的各种铝合金系列材料上， 虽然也成功实现了镁合金、 铝锂合金、铜、异种金属(如铝合金-纯铜、铝合金-低碳钢) 的搅拌摩擦焊，但针对 低碳钢-低碳钢、钛合金-钛合金等的连接目前尚处于拓展阶段 4 。而国外的试验研 究结果表明，摩擦螺柱焊技术在干湿环境条件下都能够使得钢结构获得较好的连接 质量。例如，摩擦螺柱焊可以用于航海工具的连接作业，甚至可以充当表面工程或 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 2 材料加工领域的有效作业手段 65、 。 目前，水下焊接技术已广泛用于海洋工程结构、海底管线、船舶、船坞港口设 施、江河工程及核电厂维修。水下焊接已成为组装维修诸如采油平台、输油管线等 大型海洋结构的关键技术之一。因此，发展极限环境下的现代焊接技术，加强基于 先进技术的水下焊接技术的研究，无论是对现在或将来，都将是一项非常有意义的 工作。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， 目前， 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。 1.31.3 文献综述文献综述 1.3.1 摩擦螺柱焊技术的起源及成型过程描述 （1）摩擦螺柱焊技术的起源 螺柱焊接方法起源于1918年,由于这种焊接新技术具有快速、可靠、简化工序、 降低成本等一系列优点， 因而引起了世界各国的普遍重视， 经过不断地改进和完善， 特别是二次世界大战后得到了迅速发展，现已广泛应用到桥梁、高速公路、房屋建 筑、造船、汽车、电站、电控柜等行业。 可焊接低碳钢、不锈钢、低合金钢，铜、 铝及其合金材质的螺柱、焊钉、销钉、栓钉等。据报道1），日本园柱头焊钉(栓钉) 的年焊接量为6000万个， 异型棒状焊钉年焊接量为300万个。 可见螺柱焊接在日本钢 结构建筑中的应用规模。近年来我国经济建设发展迅速，使用螺柱焊接的领域也越 来越广泛，因此有必要对螺柱焊接技术和焊接工艺进行深入研究，以便提高焊接质 量，推广普及这种焊接技术。 螺柱焊接技术发展到今天，已经成为西方发达国家的一种基本的热加工方法， 螺柱（焊钉）的焊接大约有80%以上是通过螺柱焊机完成的。而我国1986年才在成都 试制成功第一台螺柱焊机。至于螺柱焊接技术的应用，还是从上世纪的九十年代才 逐步展开的，到现在也只有20来年的历史，因此螺柱焊在我国还是一种刚刚兴起的 行业，不论焊接设备，还是焊接工艺都与国外有不少差距。分析这种差距，并逐步 缩短这种差距，直至赶超世界水平则是我国螺柱焊接行业的神圣使命。 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 3 （2）摩擦螺柱焊技术的成型过程描述 螺柱焊（stud welding）是将螺柱一端与板件（或管件）表面接触，通电引弧， 待接触面熔化后，给螺柱一定压力完成焊接的方法。电弧螺柱焊用圆柱头焊钉适用 高层钢骨结构建筑、工业厂房建筑、公路、铁路、桥梁、塔架、汽车、能源、交通 设施建筑、机场、车站、电站、管道支架、起重机械及其它钢结构等。螺柱焊接是 将直径225mm的螺柱或柱状金属高效、 低成本、 全断面融合地焊接在金属表面的一 种特种焊接工艺方法。此项技术的应用可替代一些传统的加工方法，例如：钻孔、 攻丝、手工焊接、焊后处理等。首先，将焊接螺柱放置于焊接母材上；随后，提升 焊接螺柱，同时导通电流，在焊接螺柱和焊接母材之间激发电弧，电弧将焊接螺柱 端部和焊接母材表面熔化，冰行程焊接熔池；接下来，焊接螺柱和焊接母材相对运 动，焊接螺柱在一定速度下受控地插入熔池；最后，焊接电流终止，电弧熄灭，同 时熔池凝固，焊接过程完成，行成全断面融合的焊缝。鉴于国内目前尚无该方面相 关介绍的公开中文文献，海洋工程连接技术中心的相关专家首次在国内将这种以 FHPP为单元过程的“缝合”工艺命名为“摩擦螺柱焊”。由此可见，虽然同样是利 用摩擦生热，但摩擦螺柱焊与惯性摩擦焊、线性摩擦焊、径向摩擦焊尤其是与搅拌 摩擦焊在成形连接机理上存在着较大差异。 1.3.2 摩擦螺柱焊焊技术的国内外发展情况 （1）国外发展情况 国外螺柱焊的发展大体划分为三个阶段。第一阶段是20世纪40年代后期到70年 代中期， 是螺柱焊接技术发生于发展成为一种成熟的焊接工艺阶段。 从1947年到1974 年大部分文献报导的是螺柱焊在工程上的应用及简单的产品介绍， 70年代中期美国、 德国及前苏联相继集中发表了讨论螺柱焊机控制原理及规范参数对接头质量影响的 文章，标志了螺柱焊接工艺的成熟。这一阶段的特征是：1）电弧螺柱焊接方法（陶 瓷环保护式及焊剂或气体保护式电弧螺柱焊） 广泛应用于直径330mm的螺柱， 在中 厚板工件上施焊，在造船、冶金炉窑及建筑行业等行业得到了广泛应用。2）电容放 电式螺柱焊接方法稍迟后几年，广泛应用在小直径螺柱同薄工件的连接方面，特别 是不锈钢。有色金属或涂层钢板的螺柱连接，大部分用于容器及其它薄壁结构上， 如电力工业、汽车制造及电子仪表等领域。3）这两种螺柱焊都是手动焊接，即人工 在焊枪上装钉施焊。生产率低，每分钟只能焊10个左右。4）螺柱本身要求端部加工 成圆锥形并涂有引弧剂或加工出一个小凸台，所以成本也高。70年代中期到80年代 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 4 中期是国际上螺柱焊长足发展与技术水平发生跳跃的10年。1974年美国薄金属工 业杂志以螺柱焊的设计思路为题指出了带自动送料系统与多枪单元是当前的发展 方向。1974年澳大利亚推出了带送料装置及多枪单元的螺柱焊接系统新产品，正常 焊接生产率可达每分钟35个钉， 一机可带212把焊枪。 随后螺柱焊的功能进一步完 善，德国TUCKER公司及美国NELSON公司与19821984年间推出了具有手工、半自动 及全自动多种模式的短周期拉弧式螺柱焊机。这一时期称作第二阶段，其特征是螺 柱焊接技术实现了自动化，即带自动送料系统及多枪单元的螺柱焊方法在这一阶段 完成商品化。以电容器组作电源的拉弧式螺柱焊使原来电容放电螺柱焊的焊接时间 由原来的13ms提高到68ms，螺柱端部亦不必再加工出一个小凸台，平头钉（严 格说是接近夹角168）就可以通过送料机进行半自动焊接，美国EMHARD公司1984 年生产的TWT560型轿车车身专用螺柱焊机就是这一时期代表性的产品。以电弧螺 柱焊为基础的短周期拉弧式螺柱焊接方法的推出时本阶段的最主要的成就，它克服 了拉弧式电容储能螺柱焊的弊病，成为当时及当今主导的螺柱焊接方法。焊接时间 可延长在10100ms。 可控性极好。 这种方法的实质是带有预热电弧电流强规范电弧 螺柱焊。不同之处在于焊接时间较长，可调节范围大，而且是稳定的电弧过程，可 控性极好。同样，不用任何保护措施就可焊平头钉，引弧间隙及螺柱尺寸加工精度 亦没有拉弧式电容储能方法那么严格，而且可焊螺柱直径达到了12mm。标志了螺柱 焊从多领域、 小面积使用走进了一个极大的现代化国际支柱产业专业化的应用天地。 （2）国内发展情况 据有关资料介绍，目前国内有15家在生产螺柱焊机。基本上都在同一个低水平 上，这个水平都是在生产通用标准化螺柱焊机，要么是陶瓷套圈电弧螺柱焊机，要 么是电容储能（尖端放电式）螺柱焊机，而且都是手动形式。虽然各有特点，但并 不鲜明， 虽然都不一套图纸， 但相互之间都可以非常熟悉对方的技术包括使用维护， 而且都是用在建筑、桥梁、炉窖、化工电站等领域；极小部分用于汽车车身。再查 一下近十年的国内期刊及成果公报、专利索引、及机械文献数据库等，过内高等院 校及研究所和一些大企业，亦都在根据国内生产提出的新问题在研究开发一些针对 工厂具体产品的专用焊机，如川焊多枪单元小电容储能螺柱焊机、船舶工艺所为某 企业研制的电容充能式自动送料系统的多枪焊系统。但如凤毛麟角至今不能作为商 品面市。 纵观一下螺柱焊机的发展，从所获知的资料与信息看，我国螺柱焊接技术的发 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 5 展与国际水平差距为：整体水平看，国内与国际先进水平相差了25年，国内螺柱焊 接技术仍停留在国外发达国家1973年的水平上。 也就是说品种单一， 90%以上为通用 螺柱焊机。专用焊机100%靠进口，特别是汽车行业。 总之，目前我国螺柱焊的应用还处在起步阶段，由于我国工业基础薄弱，对新 技术不敏感，缺乏竞争意识以及初期阶段的浮躁心理，对引进技术缺乏自主开发能 力。引进技术（或设备）落后或更新换代等原因造成了靠国外继续输血过日子的严 峻现实，配件、备件、易损件都靠进口时最典型的事例，这就是我国螺柱焊接技术 最残酷的现实。 1.3.3 水下焊接的基本问题 由于水及水下压力的存在，使得水下焊接过程与陆上有很多的差别，例如，对 于弧焊过程来说，水下焊接的电弧形态、熔滴过渡特征、焊缝金属的冶金条件及接 头的力学性能都会发生很大的变化。 同时， 其焊接的操作环境与陆地焊接差异很大， 致使焊接过程显得更加复杂。对焊接过程有直接影响的主要由以下几方面。 (1) 能见度差 由于水在光线中的传播距离为空气中的1/1000， 对光有明显的衰 弱作用，再加上焊接时电弧周围产生大气泡和烟雾，使水下电弧的可见度非常低。 在淤泥的海底和夹带泥沙的海域中进行水下焊接，水中能见度就更差了。另外，由 于光线在水中的折射，使得观察物与实际位置出现偏离。因此，在水下焊接过程中， 焊工几乎看不清熔池，无法了解焊缝成型，同时，对熔池位置的判断也有偏差。焊 接处于“盲焊”状态，潜水焊工操作技能难以发挥。这是造成水下焊接容易出现缺 憾、焊接接头质量不高的重要原因之一。 (2) 气孔多，氢含量高 电弧焊接时，会引起水的气化和蒸发，使熔池的冶金条 件恶化，产生大量的气孔，严重时甚至难以成形。另外，水下电弧的高温会使部分 水产生热分解，导致溶解到焊缝中的氢增加。而氢是焊接的大敌，如果焊接中氢含 量超过允许值，很容易引起裂纹，甚至导致结构的破坏。一般焊接中扩散氢含量为 3040mL/100g，最高可达到6070ml/100g，维陆地酸性焊条焊接时的好几倍。因 此，如直接在水中焊接，其接头质量很难保证。 (3) 冷却速度快 水下焊接时， 由于水的热导率比空气大50倍， 即水对焊缝金属 及热影响区会产生强烈的冷却作用。所以焊缝和热影响区冷却非常快，必然会导致 淬硬组织的产生，接头的韧性变差，很容易产生焊接裂纹。 (4) 压力的影响 随着水深的增加，水下环境压力也随之增加。随着压力增加， 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 6 电弧气氛压力增加，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 尘也增多。因此，压力增加时对焊接工程的工艺特性、焊缝性能及焊缝的化学成分 等都会产生不利影响。 (5) 连续作业难以实现 由于受水下环境的影响与限制， 许多情况下不得不采用 焊一段，停一段的方法，因而产生焊缝不连续的现象。 上述问题对水下焊接的质量有着重要的影响，因此在选择水下焊接方法或者研 究新的方法及设备时，都必须首先对这些问题给予充分的考虑 7 。 1.3.4 水下焊接技术的发展简介 英国汉费莱戴维（ HumPhrey Davy ）早在1802年指出， 电弧在水下不能连续燃烧。 然后，电弧焊在水下的应用却较晚。据报道，水下焊接最早出现在1917年，应该海 军造船所采用水下电弧焊对船舶的柳钉接缝及柳钉的漏水部分进行焊接止漏。1932 年Khrenov发明了厚药皮水下专用焊条， 在焊条外表面涂有防水层， 使水下焊接电弧 的稳定性得到一定程度的改善。到第二次世界大战接近结束时，水下焊接技术在打 捞沉船等方面发挥了重要作用。20世纪60年代后期，尤其是随着海洋石油和天然气 的开发，对海洋工程结构的疲劳、腐蚀或事故损伤迫切要求进行水下焊接修理，并 要求达到较好的焊接质量。这方面最高的报道是1971年Humble石油公司对墨西哥湾 钻采平台的水下焊接修理工作。1985年产生了第一批经过认证的潜水焊工，并制定 水深100m的水下湿法焊接工艺。1987年水下湿法焊接技术还在核电厂不锈钢管道 的修理工作中得到应用。20世纪90年代，由于要求修理的水下工程结构越来越多， 而且船舶进行船坞修理的成本增加，进一步推动了湿法水下焊接技术的发展。 水下焊接技术在中国也一直受到重视和应用。早在20世纪50年代，水下湿法焊 条电弧焊已得到应用。60年代自行开发了水下专用焊条。从70年代起，华南理工大 学等单位对水下焊条及其焊接冶金开展了大量的研究工作。70年代后期哈尔滨焊接 研究所在上海海滩救助打捞局和天津石油勘探局的协助下，开发了水下局部排水 2 Co 气体保护焊技术，简称LD-CO2焊接法。该法属于局部干法焊接，特制的水下半 自动焊枪能有效地排除焊接烟雾，使潜水焊工能清楚地观察焊接坡口的位置，有利 于保障焊接质量。近20年来采用LD-CO2焊接法完成了多项水下施工任务。近年来， 北京石化学院针对海底管道泄漏的水下维修问题，开展了水下局部干法焊接技术的 研究，对60m水深的TIG焊过程进行了系统深入的研究，取得了突破性进展，推动了 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 7 我国水下焊接技术的实用化进程。 1.3.5 现有的水下焊接方法及其特点 到目前为止，已研究和应用的水下焊接方法达20多种。虽然本质上仍是采用路 上焊接的常用方法，即以电弧熔焊为主，单为了消除或减少水对焊接过程的影响， 必须采用不同的手段或装置。一般将水下焊接方法分为三大类，即湿法、干法及局 部干法。这样，使水下焊接方法又具有不同特点，而且由于水的存在，使水下焊接 存在某些特殊问题。 (1) 湿法焊接及其特点 所谓湿法焊接，就是电弧直接在水中燃烧，焊接的熔滴过渡及焊缝结晶成型过 程也是直接在水中完成。 因此， 水下焊接的基本问题在湿法焊接中表现得最为突出。 主要有水下焊条电弧焊和药芯焊丝半自动焊。 在焊条研发方面，比较先进的有英国Hydrowel公司开发的Hydroweld FS水下焊 条，美丽专利的水下焊条7018S焊条，以及德国Hanover大学基于渣气联合保护对 熔滴过渡的影响和保护机理开发的双层自保护药芯焊条。 美国的Stephen Liu等人在 焊条药皮中加入Mn、Ti、B和稀土元素，改善了焊接过程中的焊接性能，细化了焊缝 围观组织，一定程度上提高了水下焊接质量。 药芯焊丝方法是近年来开发的一种新的水下焊接方法。 由英国TWI与乌克兰巴顿 研究所合作完成一套水下湿法药芯焊丝焊接的送丝机构、控制系统及其焊接工艺。 与光焊丝相比，采用药芯焊丝，与金属与焊药的配合在热量上更为有效，加进的焊 药能有效地改善电弧电离条件并促进金属过渡的稳定。用于深水中焊接，有点更突 出。当然，其焊接效率比焊条电弧焊也有明显的提高。 由于湿法焊接难以得到质量好的焊接接头，尤其在重要的应用场合，难以得到 较好的焊接接头，因此还不能用于焊接重要的海洋工程结构。 (2) 干法焊接及其特点 干法焊接是指把包括焊接部位在内的一个较大范围内的水人为地排开，使潜水 焊工能在一个干的气相环境中进行焊接的方法，即焊工在水下一个大型干式气室中 焊接。这种方法多用于深水，需要预热或焊后热处理材料，或质量要求很高的结构 焊接。 根据水下气室中气体压力的不同，干法焊接又可分为“高压干法焊接” 及“常 压干法焊接”。 1) 高压干法焊接 高压干法焊接由美国于1954年首先提出，1966年开始用于生 水下管道摩擦螺柱焊装置液压系统设计 8 产， 可焊接直径为508mm、 813mm和914mm的海底管线。 目前最大实用水深为300m左右。 在该焊接方法中，气室底部是开口的，通入气压稍大于工作水深压力的气体，把气 室内的水从底部开口处排出，焊接是在干的气室中进行的。一般采用焊条电弧焊或 惰性气体保护电弧焊等方法进行，是当前水下焊接中质量最好的方法之一。 2) 常压干法焊接 是指在很深的水下，焊工仍然与在陆地一样的101.3KPa的气 相环境中进行焊接， 排除了水深的影响。 1977年法国LPS公司首先采用这种方法在北 海水深150m处成功地焊接了直径为426mm的海底管线。气室是一个直径为2.4m、长 3.66m的圆筒，两端为椭圆形。设备造价比高压干法水下焊接还要昂贵，焊接辅助人 员也更多，所以一般只用于深水焊接重要结构。 干法焊接的最大优点就是可以有效地排除水对焊接过程的影响，尤其是常压干 法焊接，其施焊条件完全和陆地焊接一样，因此焊接质量也最有保证。但干法焊接 设备复杂，施工费用高，其适应的接头形式也有限，一般只用于管线接头的焊接。 (3) 局部干法水下焊接及其特点 无论是湿法或干法水下焊接，都由于其固有的不可克服的缺点，而极大地影响 了它们对日益复杂化的海洋结构的适用性。因此，寻找一种既具有湿法焊接简单灵 活的优点，而又能像干法焊接那样可获得优质焊缝的新型水下焊接方法，成为各国 水下焊接研究的主要目标。由此而逐步形成的局部干法水下焊接，今年来得到了比 较迅速的发展。特别是小型局部干法，因设备简单并易于进行自动及半自动焊接， 更为受到重视。局部干法焊接是用气体吧正在焊接的局部区域的水人为地排开，形 成一个较小的气相区，使电弧在其中稳定燃烧的焊接方法。由于降低了水的有害影 响，使焊接接头质量比湿法焊接得到明显改善。与干法焊接相比，无需大型昂贵的 排水气室，适应性明显增大。局部干法种类较多，日本提出了水帘式及钢刷式，在 美国、英国是干点式及气罩式，法国新近发展了一种旋罩式。 综上所述，合理采用局部排水措施可有效解决水下焊接的三个主要技术关键， 从而能挺高电弧的稳定性，改善焊缝成形，减少焊接缺陷，在水深不超过3040m 的情况下，可以获得性能良好的焊接接头，局部干法水下焊接是很有发展