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摘 要：随着天然气工业和海底石油开采技术的快速发展，相关的海洋工程日渐向深海扩展，由此水下焊接技术的发展不容迟缓。高压干法水下焊接凭借其接头性能好、焊接质量高等诸多优点渐渐被人们所重视。内容概括介绍了目前国内外在高压干法水下焊接技术研究方面所采用的试验设备以及其维修系统的发展现状。重点阐述了国内外高压干法水下焊接技术的实验装置以及对高压干法水下焊接电弧的研究。
关键词：高压干法水下焊接 设备结构 国内外情况
1.前言
在当今海洋开发的工程中，水下焊接技术己经成为了一种必不可少的工艺方法。特别是近二十来，为在海底采油、采气，大量的铺设海底管道，从而促进了这近百年历史的水下焊接技术的迅猛发展。
水下焊接一般依据焊接所处的环境大体上分为三类：干法水下焊接、局部干法水下焊接以及湿法水下焊接。其中用气体将焊接部位周围的水隔开，而潜水焊工处于完全干燥或半干燥的条件下进行焊接的方法称为干法水下焊接，干法水下焊接又分为高压干法水下焊接和常压干法水下焊接。随着海底焊接工程的增多、海底工程深度的加大和对焊接质量要求的提高，高压干法水下焊接以其焊接质量高、接头性能好等优点越来越受到重视。许多国家加大了对高压干法水下焊接技术的研究与应用。
2.干法水下焊接
干法水下焊接又称舱室干法水下焊接，根据压力舱的压力不同分为高压干法水下焊接和常压干法水下焊接。高压干法水下焊接通常采用惰性气体保护焊或者焊条电弧焊，最大试用水深为300米，是目前最好的水下焊接方法之一，其焊缝基本可以跟陆地上的相媲美。但是该方法所用到的高压室往往受到各种限制，比如尺寸，位置以及工程结构形状等，而且它的造价也相对比较昂贵，局限性较大。图1所示为高压干法水下焊接原理示意图。
图1 高压干法水下焊接原理示意图
常压干法焊接需要在完全密封的环境下进行，比如一个完全密封的压力舱中，舱内的压力与外界大气压相同，这种焊接方法具有既不受水深影响，也不受水的作用等好处。但相比高压干法水下焊接有明显的缺点，常压干法焊接设备的造价比高压水下焊接还要昂贵，需要的焊接辅助人员也更多，所以常压干法焊接一般只用于深水焊接重要结构。国外正在研制在500米深水下进行常压干焊接的装置，而国内目前还没有常压干法水下焊接设备。
2.高压干法水下焊接模拟实验装置
在进行高压干法水下焊接实验时一般都会建造模拟实验装置，同时在该实验装置中进行焊接工艺评定试验。目前来说，那些致力于开发海洋资源的国家或者大公司都有自己的高压干法水下焊接模拟实验装置。
国外的研究所在原有1000～1200米水深无人高压干法水下焊接模拟实验装置下有研制了一套可以模拟2000米水深的无人高压干法水下焊接模拟装置（图2）。该系统主要由内部操作系统、控制和数据分析系统、流量控制和气体压力系统、压力舱以及焊接电源等五大部分组成。流量控制和气体压力系统分别针对纯氢气、纯氦气和混合气体使用了独立的3个气体存储系统，分别存储6MPa，2MPa和20MPa3种气体压力，最后经过一个压力为30MPa的储气瓶给压力舱供气。
我国从开始研究高压干法水下焊接开始到现在，先后研制出了HSC-1和HSC-2共两套高压干法水下焊接模拟装置。HSC—1的容量为0.055m3，工作时最大压力为3MPa，介质为氦气，氩气以及混合气体；HSC—2的容量为1m3，工作时最大压力为1.6MPa，用来进行熔化极气体保护焊。国内对高压干法水下焊接的研究从20世纪90年代以后就一直处于停滞状态，目前国内的研究可以说才刚刚起步，缺乏相应的标准和规范。
图2 2000水深无人模拟实验舱
图3为我们设计制造的一个焊接实验舱的三维示意图，它的组成部分包括一个耐压壳体，焊接设备、自动开启的舱门和实验仪器线缆的观察孔、进出口以及排烟装置。
图3高压焊接实验舱三维示意图
3.高压干法水下焊接电弧的研究
高压电弧特性的研究是了解高压干法水下焊接的特点，开发相对应的良好的焊接接头的关键。
国内在试验舱中研究了TIG焊的电弧稳定性。为了定量地描绘电弧的稳定性，记
式中
S定义为单位时间内电弧长度的变化量
E——弧柱的电场强度
f——电弧电压波动频率
——电弧电压平均波动幅值
通过在焊接过程中记录的数据曲线，经过计算，结果表明，在高压下，氩弧的稳定性比氦弧高。
国外研究人员给出了描述环境压力和电弧电压近似的关系式：
式中
U——电弧电压，V
E——1个大气压时的电场强度，V/m
L——电弧长度，m
P——环境的绝对压力，MPa
4.高压干法水下焊接技术发展趨势及建议
目前随着海洋工程向深海挺进，高压干法水下焊接将成为一种应用最为广泛的水下焊接方式，但由于焊接时仍然需要潜水焊工并且实际过程中使用的焊接系统在水下不能超过650米，所以在未来必须大力发展智能化的水下焊接机器人。由于水下焊接存在许多的不确定性，所以如何采用多信息融合技术来达到对水下焊接过程实现实时监控成为了焊接领域的新的研究课题。焊接电弧能直接影响焊缝和接头的质量，因此对电弧行为的研究显得尤为重要，但目前有关高压电弧的理论研究仅仅是初步的还不完善，所以未来不仅要实现水下焊接过程的自动化还必须要保证焊接的智能化。
5.结论
本文论述的高压干法水下焊接技术是针对当下水下焊接的广泛应用而提出的，结合了国内外的相关技术，希望能为解决水下焊接难点做出一些贡献。
参考文献
[1] 陈家庆，焦向东，周灿丰，等.水下破损管道维修技术及其相关问题.石油矿场机械，2004.33（1）：33一37
[2] 中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册（焊接方法与设备）.北京：机械工业出版社，2001. 257.
[3] John Nixon. Underwater repair technology. Cambridge： Wood head Publishing Ltd. 2000.
[4] 周灿丰，焦向东，陈家庆等.海洋工程深水焊接新技术.焊接，2006 <4）：11-15
[5] Michael D.Trolling the depths with a new system}J}.Welding&Metal Fabrication， 1996， 64（8）：20-22.
关键词：高压干法水下焊接 设备结构 国内外情况
1.前言
在当今海洋开发的工程中，水下焊接技术己经成为了一种必不可少的工艺方法。特别是近二十来，为在海底采油、采气，大量的铺设海底管道，从而促进了这近百年历史的水下焊接技术的迅猛发展。
水下焊接一般依据焊接所处的环境大体上分为三类：干法水下焊接、局部干法水下焊接以及湿法水下焊接。其中用气体将焊接部位周围的水隔开，而潜水焊工处于完全干燥或半干燥的条件下进行焊接的方法称为干法水下焊接，干法水下焊接又分为高压干法水下焊接和常压干法水下焊接。随着海底焊接工程的增多、海底工程深度的加大和对焊接质量要求的提高，高压干法水下焊接以其焊接质量高、接头性能好等优点越来越受到重视。许多国家加大了对高压干法水下焊接技术的研究与应用。
2.干法水下焊接
干法水下焊接又称舱室干法水下焊接，根据压力舱的压力不同分为高压干法水下焊接和常压干法水下焊接。高压干法水下焊接通常采用惰性气体保护焊或者焊条电弧焊，最大试用水深为300米，是目前最好的水下焊接方法之一，其焊缝基本可以跟陆地上的相媲美。但是该方法所用到的高压室往往受到各种限制，比如尺寸，位置以及工程结构形状等，而且它的造价也相对比较昂贵，局限性较大。图1所示为高压干法水下焊接原理示意图。
图1 高压干法水下焊接原理示意图
常压干法焊接需要在完全密封的环境下进行，比如一个完全密封的压力舱中，舱内的压力与外界大气压相同，这种焊接方法具有既不受水深影响，也不受水的作用等好处。但相比高压干法水下焊接有明显的缺点，常压干法焊接设备的造价比高压水下焊接还要昂贵，需要的焊接辅助人员也更多，所以常压干法焊接一般只用于深水焊接重要结构。国外正在研制在500米深水下进行常压干焊接的装置，而国内目前还没有常压干法水下焊接设备。
2.高压干法水下焊接模拟实验装置
在进行高压干法水下焊接实验时一般都会建造模拟实验装置，同时在该实验装置中进行焊接工艺评定试验。目前来说，那些致力于开发海洋资源的国家或者大公司都有自己的高压干法水下焊接模拟实验装置。
国外的研究所在原有1000～1200米水深无人高压干法水下焊接模拟实验装置下有研制了一套可以模拟2000米水深的无人高压干法水下焊接模拟装置（图2）。该系统主要由内部操作系统、控制和数据分析系统、流量控制和气体压力系统、压力舱以及焊接电源等五大部分组成。流量控制和气体压力系统分别针对纯氢气、纯氦气和混合气体使用了独立的3个气体存储系统，分别存储6MPa，2MPa和20MPa3种气体压力，最后经过一个压力为30MPa的储气瓶给压力舱供气。
我国从开始研究高压干法水下焊接开始到现在，先后研制出了HSC-1和HSC-2共两套高压干法水下焊接模拟装置。HSC—1的容量为0.055m3，工作时最大压力为3MPa，介质为氦气，氩气以及混合气体；HSC—2的容量为1m3，工作时最大压力为1.6MPa，用来进行熔化极气体保护焊。国内对高压干法水下焊接的研究从20世纪90年代以后就一直处于停滞状态，目前国内的研究可以说才刚刚起步，缺乏相应的标准和规范。
图2 2000水深无人模拟实验舱
图3为我们设计制造的一个焊接实验舱的三维示意图，它的组成部分包括一个耐压壳体，焊接设备、自动开启的舱门和实验仪器线缆的观察孔、进出口以及排烟装置。
图3高压焊接实验舱三维示意图
3.高压干法水下焊接电弧的研究
高压电弧特性的研究是了解高压干法水下焊接的特点，开发相对应的良好的焊接接头的关键。
国内在试验舱中研究了TIG焊的电弧稳定性。为了定量地描绘电弧的稳定性，记
式中
S定义为单位时间内电弧长度的变化量
E——弧柱的电场强度
f——电弧电压波动频率
——电弧电压平均波动幅值
通过在焊接过程中记录的数据曲线，经过计算，结果表明，在高压下，氩弧的稳定性比氦弧高。
国外研究人员给出了描述环境压力和电弧电压近似的关系式：
式中
U——电弧电压，V
E——1个大气压时的电场强度，V/m
L——电弧长度，m
P——环境的绝对压力，MPa
4.高压干法水下焊接技术发展趨势及建议
目前随着海洋工程向深海挺进，高压干法水下焊接将成为一种应用最为广泛的水下焊接方式，但由于焊接时仍然需要潜水焊工并且实际过程中使用的焊接系统在水下不能超过650米，所以在未来必须大力发展智能化的水下焊接机器人。由于水下焊接存在许多的不确定性，所以如何采用多信息融合技术来达到对水下焊接过程实现实时监控成为了焊接领域的新的研究课题。焊接电弧能直接影响焊缝和接头的质量，因此对电弧行为的研究显得尤为重要，但目前有关高压电弧的理论研究仅仅是初步的还不完善，所以未来不仅要实现水下焊接过程的自动化还必须要保证焊接的智能化。
5.结论
本文论述的高压干法水下焊接技术是针对当下水下焊接的广泛应用而提出的，结合了国内外的相关技术，希望能为解决水下焊接难点做出一些贡献。
参考文献
[1] 陈家庆，焦向东，周灿丰，等.水下破损管道维修技术及其相关问题.石油矿场机械，2004.33（1）：33一37
[2] 中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册（焊接方法与设备）.北京：机械工业出版社，2001. 257.
[3] John Nixon. Underwater repair technology. Cambridge： Wood head Publishing Ltd. 2000.
[4] 周灿丰，焦向东，陈家庆等.海洋工程深水焊接新技术.焊接，2006 <4）：11-15
[5] Michael D.Trolling the depths with a new system}J}.Welding&Metal Fabrication， 1996， 64（8）：20-22.