切割參數(shù)對(duì)水下電-氧切割的影響

陳曉強(qiáng) 馬震 汪福強(qiáng) 朱小俊

1.概述

在沉船打撈及海難救助等水下工程作業(yè)中，水下切割技術(shù)經(jīng)常被用于水下救助、切割除障、船體開孔以及附屬構(gòu)件的去除等，如美國(guó)“墨西哥灣”漏油堵漏工程及我國(guó)的“阿波丸”號(hào)沉船打撈工程。而在水下切割技術(shù)中，使用最為廣泛的便是水下電-氧切割技術(shù)，該技術(shù)是打撈潛水作業(yè)人員必需掌握的水下作業(yè)技能之一。在“阿波丸”號(hào)沉船打撈工程中，運(yùn)用水下電-氧切割技術(shù)切割船體的總長(zhǎng)度超過2 400m，消耗氧氣超過2 600多瓶。

水下電-氧切割技術(shù)的參數(shù)包括許多方面，如焊機(jī)的類型、極性接法、割條的型號(hào)和種類、氧氣純度、氧氣壓力、切割電流以及切割角度等。其中，對(duì)潛水員水下操作影響較大的是氧氣純度及壓力、切割電流和切割角。

2.切割參數(shù)對(duì)水下電-氧切割的影響

（1）氧氣純度及氧氣壓力 氧氣在水下電-氧切割中是不可或缺的，在切割過程中擔(dān)負(fù)著重要作用。氧氣不僅可以起到氣體吹除的作用，而且可以和被割元素在高溫條件下發(fā)生燃燒反應(yīng)，并發(fā)出大量的化學(xué)反應(yīng)熱，用于加熱和熔化被割金屬。

水下電-氧切割時(shí)氧氣的純度非常重要，在《美國(guó)海軍水下焊割手冊(cè)》中，明確指出：氧氣的純度必須＞99.5%。純度越低，切割速度越低。純度每降低一成，切割速度就會(huì)下降25%左右；純度如果＜95%，切割過程就不能進(jìn)行。所以說，在水下電-氧切割過程中，不能使用空氣或其他氣體代替氧氣。

氧氣壓力是影響水下切割效率和切割質(zhì)量的另一個(gè)關(guān)鍵因素。一般來說，切割氧氣壓力的大小與被割金屬的材料和厚度有關(guān)。對(duì)于同種材料而言，氧氣壓力是隨著板厚的增加而增大的，并且在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加氧氣壓力有利于提高水下切割效率和切割速度。如果氧氣壓力過小，容易產(chǎn)生割不透、割縫邊緣毛糙等現(xiàn)象，進(jìn)而大大影響切割效果和切割速度，如圖1所示。

在水下電-氧切割時(shí)，氧氣壓力還要考慮水深及氧氣管的長(zhǎng)度。一般來說，水深每增加10m，氧氣壓力應(yīng)增加0.1MPa；氧氣管越長(zhǎng)，對(duì)氧氣的阻力就越大，氧氣壓力也應(yīng)適當(dāng)增大一些。需要說明的是，切割氧氣壓力并不是越大越好，即在水下電-氧切割時(shí)，割條內(nèi)徑相當(dāng)于直筒型噴嘴，在氧氣通過割條內(nèi)徑時(shí)，切割氧氣流達(dá)到一定值后，可切割的板厚也會(huì)達(dá)到最大值，切割效率最佳；反之，如果再提高氧氣壓力，反而會(huì)造成切割的板厚減小，切割的速度減慢。

圖1

（2）切割電流 水下電-氧切割電流的選擇是根據(jù)電纜導(dǎo)電截面積及長(zhǎng)度的大小和被割板厚而定，其中電纜的導(dǎo)電截面積和長(zhǎng)度對(duì)電流的影響不是主要的，被割金屬的厚度才是選擇切割電流的依據(jù)。如圖2所示，當(dāng)切割電流選擇過小時(shí)，電弧的穿透能力不足，容易產(chǎn)生割不透的現(xiàn)象，割縫不整齊，并且易發(fā)生引弧困難、續(xù)弧階段產(chǎn)生粘條和短路等，造成焊接過載及燒損，切割效率降低；當(dāng)切割電流選擇合適時(shí)，切割電弧穩(wěn)定，引弧和續(xù)弧階段都很容易，切割的割透能力增強(qiáng)，割縫比較整齊，切割效率高；一旦電流選擇過大，則容易使割條過熱、割條熔化速度過快、藥皮提前爆裂等現(xiàn)象，并且切割過程中熔池過寬，熔化金屬在割縫背面易發(fā)生粘合，從而造成割穿而不透的現(xiàn)象，切割效率反而降低。

（3）切割角 切割角是水下作業(yè)潛水員經(jīng)常忽略的一個(gè)重要參數(shù)。與水下焊接角度不同，水下電-氧切割時(shí)割條與鋼板割縫垂直線間的夾角稱為切割角。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，切割角的大小與切割速度有一定關(guān)系的，切割速度會(huì)隨著切割角的變化而變化，但切割角的選擇主要還是取決于被切割板的厚度。通常來說，被切割板的厚度越大，切割角就越小。如果切割角選擇不當(dāng)，也會(huì)影響水下切割效果。如圖3a所示，如果切割角過大，切割時(shí)切割火焰明顯集中在鋼板上方，也就意味著鋼板沒割透；圖3b中，切割角合適時(shí)，切割火焰大部分集中在鋼板的下方，鋼板被割透，切割可以順利進(jìn)行。

（4）實(shí)際工程中切割參數(shù)的選擇 在海南東方油田對(duì)水下導(dǎo)管架進(jìn)行切割的施工過程中，切割水深平均為70m，鋼管管架的壁厚約為6mm，如圖4所示。根據(jù)切割電流選擇的經(jīng)驗(yàn)公式，切割電流為280～300A，考慮水深及電纜線長(zhǎng)度的影響，實(shí)際工程中切割電流選擇為300A。根據(jù)切割氧氣壓力的經(jīng)驗(yàn)公式，切割氧氣壓力應(yīng)選為0.6～0.7MPa，在考慮氧氣管阻力和水深因素的影響后，實(shí)際工程中切割氧氣壓力選擇為1.1MPa。由于被割結(jié)構(gòu)為管狀，所以在選擇切割角時(shí)，起割階段應(yīng)與管壁成切線，在起割完成后逐漸減小切割角，以加快切割速度，提高切割質(zhì)量。

3.結(jié)語

水下電-氧切割是一項(xiàng)技能性很強(qiáng)的技術(shù)，在實(shí)際的水下切割工程作業(yè)中，切割潛水員不僅需要自己的潛水實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，還要對(duì)切割參數(shù)進(jìn)行合理的選擇和良好的匹配，才能提高水下切割效率，達(dá)到理想的切割效果。

圖2

圖3

圖4 水下切割油井導(dǎo)管架