水下濕法焊接工藝在沉船打撈工程中的應用*

杜永鵬， 郭 寧， 劉志強， 袁 新

（1．山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2．哈爾濱工業(yè)大學（威海），山東 威海 264209；3.山東省特種焊接技術重點實驗室，山東 威海264209；4．交通部煙臺打撈局，山東 煙臺 264000）

水下濕法焊接工藝在沉船打撈工程中的應用*

杜永鵬1， 郭 寧2，3， 劉志強4， 袁 新1

（1．山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2．哈爾濱工業(yè)大學（威海），山東 威海 264209；3.山東省特種焊接技術重點實驗室，山東 威海264209；4．交通部煙臺打撈局，山東 煙臺 264000）

針對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，設計了原樁頭1/4尺寸的縮比模型，為驗證水下焊接質量，在不同焊接規(guī)范下對縮比模型進行焊接，并對焊后試件的力學性能進行了檢測。結果表明，在該焊接規(guī)范下所焊試件的焊縫成形良好，目測無明顯缺陷，所設計試件結構的承載拉力達到了設計承載力的2倍，且焊接效率較高，能在短時間內完成施焊工作，實現(xiàn)了預期設計目標。

焊接；沉船打撈；水下濕法焊接；抗拉強度

0 前 言

水下濕法焊接技術在實施過程中，不采取特殊的排水設施，直接在水中引燃電弧進行焊接，相對于干法焊接，焊接接頭質量等方面有一定的差距，但憑其成本低廉、操作方便、生產效率高及設備簡單等優(yōu)點，廣泛應用于沉船打撈和采油平臺維護等工程[1-3]。

常用的沉船打撈方法有：恢復浮力法、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關鍵技術。抗拉強度較大的扳正樁頭具有保證施工安全、降低成本等優(yōu)勢。

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、流速以及樁頭安放位置等影響，對焊接工藝要求較為嚴格。因此，開展扳正樁頭濕法水下焊接工藝研究，研制專用的焊接材料，設計特殊的焊接工藝，提高樁頭抗拉強度，對于改進沉船打撈工藝及提高打撈效益意義顯著。

1 試驗方案

以打撈某失事化學品船為應用背景，項目組聯(lián)合煙臺打撈局設計一種沉船打撈方案，該方案中所設計的扳正樁頭如圖1所示。

圖1 扳正樁頭結構示意圖

為保證起吊過程安全可靠，整體結構設計抗拉承載力為150 t。該扳正樁頭長1 000mm，寬600mm，設計單道焊縫總長度（1圈）為3 200mm；材質為Q235，板材厚度為16mm，預計焊滿襯板需4層9道，焊縫總長度為28 800mm。

圖2 扳正樁頭水下焊接試件

考慮到萬能試驗機對試件尺寸的要求，本次試驗設計的試件如圖2所示，試件搭接有效尺寸為250mm×150mm，為實際工程結構試件尺寸的1/4。試件母材與實際結構母材相同，為16mm厚Q235板材。此結構的抗拉承載力應大于40 t。

由于萬能試驗機最大拉力為100 t，考慮到裝卡方便，試驗時未采用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 焊接材料與試驗條件

2.1 水下焊接專用焊條

試驗所采用的焊條為水下濕法焊接專用焊條，其主要力學性能見表1。目前，按照不同強度等級、不同用途，已經開發(fā)出了系列水下焊條。所焊焊縫成形良好，無焊瘤、咬邊等缺陷，可滿足不同實際工程的需要。

表1 水下濕法焊接專用焊條主要力學性能

沉船打撈施工過程中，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工程特點，根據(jù)需要采用不同的焊接位置進行施工。水下濕法焊條電弧焊焊接規(guī)范見表2。

表2 水下濕法焊條電弧焊焊接規(guī)范

考慮到工程應用實際情況，水下濕法焊接對焊條脫渣性的要求較高。焊接后，按照GB/T 25776—2010對焊接接頭脫渣性的評定要求，對該焊件的脫渣性能進行評定，得出脫渣率平均為87%，可見該焊接規(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，無粘渣現(xiàn)象。熔渣表層光滑致密，無氣孔和團塊，但熔渣中出現(xiàn)較多氣孔，直徑最大達到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 試驗用焊接電源

試驗采用的焊接電源為水下焊接專用焊機，如圖4所示。該焊機可以根據(jù)用戶需要，調節(jié)推力點、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，即當電弧電壓低于一定值時（一般為16～19 V），弧長較短，有粘條的趨勢，此時增大輸出焊接電流，加快焊條的燃燒速度，可以避免粘條。水下焊接時，焊接電纜較長，這也導致了回路壓降的增加。以截面積為70mm2、長度為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，壓降就可達6 V。若正常情況下弧壓為18 V時增加推力，考慮到回路壓降的影響，需要當焊機輸出端電壓為24 V時輸出推力電流。針對這一情況，將推力點這一參數(shù)設為可調，操作者可以根據(jù)焊接電流及回路阻抗變化，靈活設置推力點。

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

除此之外，改進后的焊機可以使操作者通過遙控盒上的紐扣開關，結合內部控制電路，在不增加回路阻抗的基礎上，輕松實現(xiàn)焊機啟停控制。

2.3 試驗條件及測試設備

為了模擬實際海況，本試驗在山東省科學院海洋儀器儀表研究所岸邊試驗站進行，施工現(xiàn)場照片如圖5所示。該試驗由交通部煙臺打撈局三位專業(yè)潛水員在水下進行焊接操作。焊接作業(yè)水深6 m，水下能見度2 m。為保證焊工安全，便于試驗開展，潛水員在吊籠完成作業(yè)。

圖5 水下焊接施工現(xiàn)場照片

試驗過程中，潛水員攜帶指定尺寸的兩塊試板進入吊籠，起重機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，開啟焊接電源，開始水下焊接作業(yè)。焊渣清理工作也在水下進行，由潛水員通過手持清渣工具完成清理。

為了對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，用于對比不同焊接角度對焊接質量的影響。試驗過程所采用的焊接規(guī)范見表3。

表3 水下焊接規(guī)范

焊接完成后，對試件進行拉伸試驗。試驗設備為100 t萬能試驗機，該設備加持寬度為120mm，最大拉力為100 t，加載速度為10mm/min。

3 試驗結果分析

3.1 焊接位置對焊縫質量的影響

對試件的檢測結果表明，焊接位置對焊縫成形質量有一定影響。使用焊條電弧焊進行立焊、仰焊時，需壓低電弧，促進熔滴過渡，一般情況下，立焊、仰焊的焊接質量較平焊差。

圖6 水平位置焊接試件拉伸試驗結果

對水下扳正樁頭固定連接時，需要對其進行全位置焊接。因此，就要保證不同焊接位置的焊接質量都能滿足設計要求。為此，在試驗過程中，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°時施焊。

焊接完成后，目測焊縫外觀成形良好，無明顯表面缺陷。隨后對試件進行力學性能測試，結果如圖6和圖7所示。

圖7 傾斜45°焊接試件拉伸試驗結果

在對水平位置焊接試件進行測試時，當拉力達到86 t時，人為停止測試，此時未將試件拉斷，焊縫區(qū)域未見斷裂，母材區(qū)域開裂。對于傾斜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)域未見斷裂趨勢。

綜上所述，對于兩種不同焊接位置獲得的試件，其最大抗拉能力都超過85 t，超過預期的40 t最大抗拉能力，完全滿足設計要求。

3.2 施焊人員操作水平對焊接質量的影響

水下濕法焊條電弧焊焊接設備簡單，自動化程度低，不同施焊者因其手法差異，焊接質量會有所不同。由于潛水員水下施焊時間有限，為確保工程進度和焊接質量，往往需要若干潛水員分批次完成同一試件的焊接。

為了評價施焊者操作水平對焊接質量的影響，本次焊接試驗時，從煙臺打撈局具備水下施工資質的潛水員中隨機挑選三位進行焊接操作，并將焊接試件進行對比。

試驗過程中，三位潛水員在相同條件下獨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間及材料消耗，并對焊后的試件進行抗拉強度測試，結果見表4。

表4 水下焊接試驗結果對比

力學性能測試結果表明，所設計的試件結構承載拉力達85 t以上，達到了設計承載力的2倍，所有斷裂位置均發(fā)生在母材區(qū)域。在進行水下焊接試件時，共焊接了2層3道，焊縫總長度為1 950mm，平均所需焊條16根，平均用時52 min。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，在相同焊接條件下，可推算出焊接此結構的焊接效率為：焊接1 m焊縫需要焊條約8根，水下作業(yè)用時約26 min。根據(jù)本次試驗所采用的只焊3面并未塞焊的結果推算，在同種焊接條件下，采用1 000mm×600mm試件，焊接2層3道，并進行塞焊的結構，至少可以承載340 t拉力，遠遠超過150 t的設計拉力。

4 結 論

（1）本次試驗所有試件的裝配、焊接、清渣工作全部在水下獨立完成，試驗結果表明，水平位置以及45°立焊位置結構的焊接效果良好，目測無明顯缺陷。

（2）力學性能測試結果表明，所設計的試件結構承載拉力85 t以上，達到了設計承載力的2倍。所有斷裂位置均發(fā)生在母材區(qū)域，焊縫區(qū)域的承載力應大于85 t。

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

（4）根據(jù)本次試驗所采用的只焊3面并未塞焊的結果推算，在實際工程同種焊接條件下，采用1 000mm×600mm試件，焊接2層3道，并進行塞焊的結構，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

國家863重點資助項目(2008AA092901)。

杜永鵬（1982—），男， 2008年畢業(yè)于蘭州理工大學焊接專業(yè)，工學碩士學位，現(xiàn)主要從事水下焊接技術與設備的研究開發(fā)工作。

2014-11-12

謝淑霞