Подводная сварка и резка
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.
|Марка электрода |Диаметр |Сила тока, А |Род тока, |Коэффициент |
| |электрода, | |полярность |наплавки, |
| |мм | | |г/А*ч |
|ЭП-35 |4-5 |220-240 |постоянный, |6,0-6,5 |
| | | |прямая | |
|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 | |
| | | |обратная; | |
| | | |переменный | |
|ЭПС-52 |4 |160-200 |постоянный |5,3-7,9 |
| |5 |200-250 |прямая; | |
| | | |переменный | |
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
Страницы: 1, 2
|