Подводная сварка и резка

введение

В связи с постоянно возрастающим числом морских установок возникает

необходимость осуществления сварки для соединений трубопроводов, а также

при проведении ремонтных работ опорных конструкций.

Опыт осуществления подводной сварки пока невелик, но уже очевидно, что

качество сварных соединений и технология сварочного процесса нуждается в

совершенствовании.

1. разновидности подводной сварки

В настоящее время применяют 4 основных метода подводной сварки:

Сварка в сухой глубоководной камере;

Сварка в рабочей камере (водолазный колокол);

Сварка в портативном сухом боксе;

Мокрая сварка.

2. Подводная сварка в сухой среде

Сварку выполняют в сухой глубоководной камере, которая вмещает в себя

как сварщика, так и сварной узел. Сварка в такой камере осуществляется в

абсолютно сухой среде. Сварные швы, полученные в ней, не отличается по

качеству от сварных швов, сделанных на суше. Однако сухая глубоководная

камера очень громоздка, Ее сооружение длительный, дорогостоящий и сложный

процесс, требующий использования вспомогательных судов и плавучих кранов.

Для создания естественной среды камеру с открытым дном или подводную

сварочно-монтажную камеру устанавливают на места будущих соединений труб.

После того как между трубой и камерой помещены уплотнения, а внутри труб –

пневматические заглушки, газ, находящийся в водолазном снаряжении, вытеснят

морскую воду из камеры. Затем сварщик-водолаз входит в камеру и выполняет

сварку в сухой среде. Термин "сварка в сухой среде" обозначает сваривание

при высоком гидростатическом давлении сварщиком-водолазом, полностью

находящимся в сухой среде, созданной под водой.На рис. 2.1 представлен

барокомплекс состоящий из гидротанка, жилого и шлюзового модулей. Гидротанк

барокомплекса имеет диаметр 3,7 м и состоит из двух отсеков: верхнего и

нижнего, заполненного водой. Жилой модуль (внутренний диаметр 2,14м)

одновременно является декомпрессионной камерой и соединяет верхнию часть

гидротанка со шлюзовым модулем. Шлюзовой модуль ,в котором всегда

поддерживается атмосферное давление, используется в случае необходимости

принять людей или передать крупные прдметы в жилой модуль, в то время когда

он находится под давлением. Гидротанк и жилой модуль оборудованы

индивидуальными системами жизнеобеспечения, которые поддерживают нужную

температуру, влажность, парциальное давление кислорода; удаляют из камеры

двуокись углерода и другие вредные примеси, обусловленные

жизнедеятельностью организма. Сварщики вдыхают смесь гелия и кислорода, в

которой в независимости от глубины поддерживается парциальное давление

кислорода 29,4 кПа.

Для сварки в барокамерах применяют то же сварочное оборудование,

такой же электродержатель, шланг-кабель, токоподвод и т. д., что и в

естественных условиях. Так же используют оборудование для удаления паров и

продуктов сгорания, корректор речи в гелиево-кислородной среде,

телевизионную установку с монитором внутри модуля, газоанализатор и пр.

При погружении на небольшой период времени пользуются следующими режимами

декомпрессии:

|Глубина, м |Время на глубине, мин |Время декомпрессии, ч |

|75 |30 |2 |

|75 |60 |5 |

|93 |30 |3,3 |

|93 |60 |9 |

|137 |30 |12 |

|137 |60 |22 |

Поскольку время пребывания на дне ограничено, а обычный промежуток

между погружениями составляет 2 ч, представляется целесообразным для

осуществления всех водолазных работ, за исключением кратковременных

осмотров, использовать метод погружения, при котором ткани тела водолаза,

работающего под водой, насыщается инертным газом. Скорость насыщения

зависит в основном от глубины погружения и времени нахождения под водой.

Время декомпрессии зависит от количества растворенного газа. С наступлением

состояния насыщения время декомпрессии становится постоянным и зависит от

дальнейшей экспозиции. Это явление позволяет осуществлять подъем водолазов

после погружения в колоколе, в котором сохраняется давление, равное глубине

погружения, до тех пор, пока водолазы не перейдут в декомпрессионную камеру

на палубе, в которой поддерживается такое же давление. Таким образом,

удается избежать декомпрессии между отдельными погружениями и предоставить

отдых водолазам.

Метод длительного пребывания позволяет водолазам проводить на глубине

более длительный период, а время декомпрессии при этом не увеличивается.

Недостаток этого метода – использование дополнительного оборудования и

привлечение дополнительного обслуживающего персонала, что ведет к большим

затратам материальных средств.

Кроме водолазного колокола может быть использован погружаемый аппарат с

выходом водолаза через шлюзовое устройство.

На рис.2.2 представлен общий вид системы с использованием сварочно-

монтажных камер с нормальным атмосферным давлением.

Приведенная система позволяет решить проблемы связанные с декомпрессией

сварщиков-водолазов. Очевидно, что оборудование такой камеры весит немало и

центрирование труб занимает много времени, но гарантируемое качество

сварных швов оправдывает затраты времени.

Доставка персонала осуществляется сухим способом в камере с

атмосферным давлением.

Применение глубоководной водолазной техники уже оправдало себя на глубине

до 200 м, в настоящее время возможно погружение на глубину до 300 м.

Пока ни одно приспособление не может заменить мастерство водолазов и их

способность двигаться в ограниченных пространствах в районе свариваемого

соединения. Однако на глубине 600 м возникает физиологический и медицинский

барьер, не позволяющий дальнейшее погружение. На глубинах от 300 до 600 м

погружение водолазов следует рассматривать лишь как крайнюю необходимость,

а работы на глубинах свыше 600 м должны осуществляться посредством

дистанционно управляемых рабочих комплексов, а также подводных аппаратов с

нормальным давлением.

3. сухая глубоководная (гидросварка)

Для осуществления гидросварки необходимо обеспечить локализованную

стабильную сухую газовую среду вокруг свариваемого соединения и сварочной

головки при помощи изготовленных по особому заказу камер или при помощи

легких портативных боксов. В обоих случаях непрерывная полуавтоматическая

сварка электродной проволокой осуществляется в сухой среде.

Закрепляемое на месте сварки заграждение, называемое гидробоксом,

изготавливают частично или полностью из прозрачного материала. Бокс должен

плотно прилегать к свариваемому соединению и обеспечивать герметичность.

Основание бокса делается открытым для возможности ввода в нее водолазом-

сварщиком сварочной головки. Для вытеснения из бокса воды и создания сухой

среды в него подается смесь инертных газов под соответствующим давлением.

Через прозрачные стенки бокса сварщик может наблюдать за дугой и сварочной

ванной. Гидробокс обычно изготовляют по специальному заказу, при

необходимости его можно быстро и просто изготовить на месте.

На рис.1. изображен гидробокс для ремонта вертикального трубопровода.

Плавящаяся электродная проволока подается с определенной скоростью через

гибкий шланг к водонепроницаемой сварочной головке, находящейся в руках

водолаза-сварщика. Инертный газ может подаваться к головке для того, чтобы

выпускаться вместе со сварочной проволокой и защищать сварочную дугу,

возникающую между концом электрода и свариваемого участка.

Установка подачи проволоки, которая включает механизм подачи проволоки,

тяговый привод и катушку проволоки в водонепроницаемом кожухе, располагают

под водой недалеко от места сварки. В кожухе при помощи системы подачи газа

постоянно поддерживается давление газа больше, чем давление окружающей

воды. Напряжение подается на дугу от источника постоянного тока,

находящегося на поверхности и подсоединенного к электродной проволоке и

свариваемому участку. Защитный газ, силовой кабель и кабель для контрольно-

измерительных приборов подаются к установке подачи проволоки, а значит, и к

головке при помощи одного шланг-кабеля.

Контроль за проведением сварки, подача проволоки и прочее

осуществляются с находящегося на поверхности пульта управления, где

расположены контрольно-измерительные приборы, позволяющие регулировать

процесс сварки, освобождая от этой обязанности водолаза. Связь водолаза с

пультом управления непрерывно поддерживается по радио, хотя контрольно-

измерительные приборы позволяют достаточно точно регулировать процесс

сварки. Оборудование для полуавтоматической подводной сварки с непрерывной

подачей проволоки схематически изображено на рис.2.

Рис.2 . Оборудование для сухой глубоководной полуавтоматической сварки.

1 – источник энергии (генератор постоянного тока или импульсный генератор);

2 – контрольно-измерительная аппаратура; 3 – контрольный блок (подача газа,

скорость подачи проволоки и пр.); 4 – запасы газа (4' – агрегат подачи

проволоки; 4'' – защитный газ для сварочной головки; 4''' – газ для

гидробокса); 5 – шланг для подачи газа; 6 – силовой кабель; 7 – шланг для

подачи проволоки; 8 – шунт; 9 – земля; 10 – центральный кабель; 11 –

катушка с проволокой; 12 – подводный агрегат подачи проволоки; 13 – тянущие

валки; 14 – плавящаяся проволока; 15 – мотор; 16 – герметичный шланг-

кабель; 17 – гидробокс; 18 – головка полуавтомата; 19 – сварочная дуга; 20

– подача газа в гидробокс; 21 – свариваемое изделие.

4. Мокрая сварка

1. Ручная дуговая сварка

2. Полуавтоматическая сварка

4. 1 СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА

Способ дуговой сварки под водой основан на способности дуги устойчиво

гореть в газовом пузыре при интенсивном охлаждении окружающей водой (рис

4.1). Газовый пузырь образуется за счёт испарения и разложения воды, паров

и газов расплавленного металла и обмазки электрода.

Вокруг горящей дуги выделяется большое количество газов, что приводит

к повышению в газовом пузыре и частичному выделению газов в виде пузырьков

на поверхности воды. Вода разлагается в дуге на свободный водород и

кислород; последний соединяется с металлом образуя окислы. Взвешенные в

воде продукты сгорания металла и обмазки, состоящие преимущественно из

окислов железа, образуют облако взвесей, которое затрудняет наблюдение за

дугой.

Устойчивое горение дуги под водой можно объяснить принципом минимума

энергии Штеенбека, т.е. условное охлаждение какого-либо участка дуги

компенсируется увеличением количества выделяемой энергии на нем. Для

компенсации тепловых потерь из-за охлаждающего действия воды и наличия

большого количества водорода напряжение на дуге под водой требуется более

высокое напряжение (30-35В). Сварку под водой выполняют на постоянном и

переменном токе. На постоянном токе дуга горит более устойчиво, чем на

переменном, т.к. постоянный ток разлагает воду еще до возбуждения дуги, а

переменный ток разлагает воду и образует газовый пузырь в момент короткого

замыкания под действием высокой температуры.

С увеличением глубины и давления окружающей среды устойчивость дуги не

нарушается; возрастает только напряжение и увеличивается ток.

Подводная сварка возможна в пресной речной и соленой морской воде. В

качестве источников питания используют однопостовые и многопостовые

сварочные агрегаты, сварочные преобразователи и трансформаторы, имеющие

напряжение холостого хода 70-110 В.

4. 2. особенности прОцесса

Продукты разложения воды – водород и кислород, находящийся в зоне

дуги, оказывает заметное влияние на качество сварных швов. Водород

интенсивно растворяется в жидком металле, вызывая охрупчивание швов, а

кислород окисляет сталь и в первую очередь содержащиеся в ней легирующие

элементы. Окислы частично всплывают, переходя в шлак, и частично остаются в

металле шва в виде неметаллических включений, уменьшающие вязкость и

пластические свойства металла шва.

Из-за непосредственного контакта с водой основного металла и металла

шва теплоотдача низкоуглеродистой стали значительно выше, чем при сварке на

воздухе, что может привести к появлению закалочных структур в металле шва и

в зоне термического влияния.

Наличие повышенного давления и охлаждающее действие среды приводят к

сжатию столба дуги и повышение температуры последнего. Это может увеличить

температурный градиент металла шва и вызвать перегрев электродного металла.

Водолаз-сварщик заключен в водонепроницаемый костюм и находится в плотной

среде, стесняющей его движение, кроме того, на него действует

дополнительное гидростатическое давление, снижающее его подвижность.

Водолаз находится в весьма неустойчивом положении с небольшой отрицательной

плавучестью.

Ухудшенная видимость и наличие подводных течений создают

неблагоприятные условия как для существования дугового разряда, так и для

работы водолаза-сварщика, отрицательно сказываясь на качестве швов и

производительности процесса.

Мокрая сварка имеет множество практических преимуществ: сварщик может

осуществлять сварку в местах недоступных другими способами; ремонтные

работы можно проводить быстрее и с меньшими затратами.

4. 3. ручная дуговая сварка

При сварке под водой выполняют соединения внахлестку, тавровые,

угловые, реже стыковые, причем чаще всего способом опирающегося электрода.

Горение дуги отличается в этом случае высокой стабильностью. Сварщик

перемещает дугу без колебаний поперек шва с сохранением угла наклона

электрода. Способом опирающегося электрода можно сварить швы во всех

пространственных положениях. Сварку в вертикальном положении производят

сверху вниз, при этом электрод наклонен в сторону ведения сварки. Силу тока

при подводной сварке опирающимся электродом в нижнем положении

устанавливают выше, чем при сварке в обычных условиях (табл 2.1).

Режимы ручной подводной сварки

Таблица 4.1.

| |мм | | |г/А*ч |

|ЭП-35 |4-5 |220-240 |постоянный, |6,0-6,5 |

|УОНИ-13/45П |4 |200-220 |постоянный, |6,3-7,0 |

|ЭПС-5 |4 |160-220 |прямая и |9,2-9,8 |

| |5 |250-270 |обратная | |

|ЭПО-55 |4 |240-260 |постоянный, |6,7-9,7 |

| |5 |200-275 |прямая и | |

|ЭПС-52 |4 |160-200 |постоянный |5,3-7,9 |

| |5 |200-250 |прямая; | |

4. 4. полуавтоматическая сварка

Перспективной является полуавтоматическая сварка, сочетающая

механическую подачу проволоки в зону дуги с маневренностью и

универсальностью ручной сварки (рис.4.4). Кроме того, механическая подача

проволоки позволяет длительное время вести процесс сварки без перерывов.

Так как проволока имеет меньший диаметр, чем электрод, и не имеет покрытия,

создаются благоприятные условия для наблюдения процесса управления

формированием шва.

Создание мокрого способа полуавтоматической сварки было связано с

большими трудностями. Проведенные предварительные опыты показали, что швы

получаются узкими, высокими, с неудовлетворительным качеством поверхности.

Кроме того, в швах было обнаружено значительное количество пор и

неметаллических включений. Механические свойства этих швов оказались

недопустимо низкими.

Использование для защиты дуги аргона и особенно углекислого газа

позволяет не значительно понизить содержание водорода в металле шва.

Более эффективным способом защиты дуги от вредного воздействия

окружающей среды является использование порошковой проволоки. Разработанная

в институте электросварки им. Е.О. Патона порошковая проволока марки ППС-

АН1 (диаметр 1,2 – 2,0 мм) позволяет обеспечить стабильное горение дуги и

получение (на низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталях)

сварных соединений, равнопрочных основному металлу.

Для механизированной подводной сварки и резки разработаны и

применяются полуавтоматы типа ППСР–300–2, "НЕПТУН". Полуавтоматом ППСР –

300 – 2 (рис. 4.4) можно сваривать сталь толщиной 4 мм и более, резать

сталь толщиной до 25 мм на глубине до 60 м. В качестве защиты используют

углекислый газ. Полуавтомат рассчитан на номинальную силу тока 300 А.

Скорость подачи сварочной проволоки диаметром 1,2 или 1,6 мм регулируется в

пределах 6,6 – 21,6 см/с. При зарядке кассеты проволокой в количестве 4 – 5

кг сварщик может непрерывно работать 2 – 2,5 ч.

4. 5. Сварочные материалы

Для ручной дуговой сварки под водой используют электроды диаметром 4-6

мм (рис.4.1) из сварочной проволоки марок Св-08, Св-08А, Св-08ГА, Св-08Г2,

а для полуавтоматической сварки – проволоки марок СВ-08Г2С, ППС-АН1.

Наибольшее применение получили электроды марок ЭПС-5 и ЭПС-52, имеющие в

составе покрытия ферросплавы, что улучшает химический состав и механические

свойства металла шва. Водонепроницаемость покрытия достигается пропиткой

такими составами, как парафин, раствор целлулоида в ацетоне, раствор

синтетических смол в дихлорэтане, нитролаке и др.

Для подводной сварки применяют специальные электрододержатели, которые

имеют надежную электроизоляцию по всей поверхности. Смена электрода

производится только после отключения сварочного тока.

5. ПОДВОДНАЯ РЕЗКА

В данном разделе приводится обзор существующих в настоящее время

методов подводной резки.

В подводных условиях применяют различные способы резки:

1) механические;

2) термические;

3) кумулятивные (взрывом).

Наибольшее распространение получили способы термической резки:

1) электродуговая;

2) электрокислородная;

3) газокислородная;

4) плазменная.

При подводной резке используется тепло концентрированных источников

дуги или плазмы и тепло, выделяющееся в результате химического

взаимодействия кислорода с металлом. Поскольку разрезаемый металл находится

в воде и интенсивно охлаждается, то источник тепла должен иметь высокую

концентрацию его в месте реза.

Страницы: 1, 2

МЕНЮ

Подводная сварка и резка

Подводная сварка и резка

ИНТЕРЕСНОЕ