水下湿法焊接工艺在沉船打捞工程中的应用*

杜永鹏， 郭 宁， 刘志强， 袁 新

（1．山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001；2．哈尔滨工业大学（威海），山东 威海 264209；3.山东省特种焊接技术重点实验室，山东 威海264209；4．交通部烟台打捞局，山东 烟台 264000）

水下湿法焊接工艺在沉船打捞工程中的应用*

杜永鹏1， 郭 宁2，3， 刘志强4， 袁 新1

（1．山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001；2．哈尔滨工业大学（威海），山东 威海 264209；3.山东省特种焊接技术重点实验室，山东 威海264209；4．交通部烟台打捞局，山东 烟台 264000）

针对某次沉船事故打捞方案中需要在水下焊接扳正桩头的情况，设计了原桩头1/4尺寸的缩比模型，为验证水下焊接质量，在不同焊接规范下对缩比模型进行焊接，并对焊后试件的力学性能进行了检测。结果表明，在该焊接规范下所焊试件的焊缝成形良好，目测无明显缺陷，所设计试件结构的承载拉力达到了设计承载力的2倍，且焊接效率较高，能在短时间内完成施焊工作，实现了预期设计目标。

焊接；沉船打捞；水下湿法焊接；抗拉强度

0 前 言

水下湿法焊接技术在实施过程中，不采取特殊的排水设施，直接在水中引燃电弧进行焊接，相对于干法焊接，焊接接头质量等方面有一定的差距，但凭其成本低廉、操作方便、生产效率高及设备简单等优点，广泛应用于沉船打捞和采油平台维护等工程[1-3]。

常用的沉船打捞方法有：恢复浮力法、浮船坞打捞、解体打捞法、浮力材料法、充气打捞法、围堰打捞法和泡沫塑料打捞法等[4-6]。在打捞施工过程中，为便于起吊，需要在沉船船体上安装扳正桩头[7]。如何安装符合要求的扳正桩头是打捞工艺中的一项关键技术。抗拉强度较大的扳正桩头具有保证施工安全、降低成本等优势。

扳正桩头一般由潜水员在水下焊接完成，由于施工水域的水质、流速以及桩头安放位置等影响，对焊接工艺要求较为严格。因此，开展扳正桩头湿法水下焊接工艺研究，研制专用的焊接材料，设计特殊的焊接工艺，提高桩头抗拉强度，对于改进沉船打捞工艺及提高打捞效益意义显著。

1 试验方案

以打捞某失事化学品船为应用背景，项目组联合烟台打捞局设计一种沉船打捞方案，该方案中所设计的扳正桩头如图1所示。

图1 扳正桩头结构示意图

为保证起吊过程安全可靠，整体结构设计抗拉承载力为150 t。该扳正桩头长1 000mm，宽600mm，设计单道焊缝总长度（1圈）为3 200mm；材质为Q235，板材厚度为16mm，预计焊满衬板需4层9道，焊缝总长度为28 800mm。

图2 扳正桩头水下焊接试件

考虑到万能试验机对试件尺寸的要求，本次试验设计的试件如图2所示，试件搭接有效尺寸为250mm×150mm，为实际工程结构试件尺寸的1/4。试件母材与实际结构母材相同，为16mm厚Q235板材。此结构的抗拉承载力应大于40 t。

由于万能试验机最大拉力为100 t，考虑到装卡方便，试验时未采用4面满焊加中间塞焊的方式，而采用了只焊接3面、未塞焊的形式。每面焊接了2层3道。

2 焊接材料与试验条件

2.1 水下焊接专用焊条

试验所采用的焊条为水下湿法焊接专用焊条，其主要力学性能见表1。目前，按照不同强度等级、不同用途，已经开发出了系列水下焊条。所焊焊缝成形良好，无焊瘤、咬边等缺陷，可满足不同实际工程的需要。

表1 水下湿法焊接专用焊条主要力学性能

沉船打捞施工过程中，需要采用平焊、立焊、仰焊等多种位置焊接，因此所选用焊材要适应工程特点，根据需要采用不同的焊接位置进行施工。水下湿法焊条电弧焊焊接规范见表2。

表2 水下湿法焊条电弧焊焊接规范

考虑到工程应用实际情况，水下湿法焊接对焊条脱渣性的要求较高。焊接后，按照GB/T 25776—2010对焊接接头脱渣性的评定要求，对该焊件的脱渣性能进行评定，得出脱渣率平均为87%，可见该焊接规范的脱渣性良好，部分渣壳在焊后呈较大块状并能自行崩离，无粘渣现象。熔渣表层光滑致密，无气孔和团块，但熔渣中出现较多气孔，直径最大达到3mm以上。熔渣松脆，呈碎颗粒状或块状脱落。水下堆焊脱渣前和脱渣后的宏观照片如图3所示。

图3 水下堆焊脱渣前和脱渣后的宏观照片

2.2 试验用焊接电源

试验采用的焊接电源为水下焊接专用焊机，如图4所示。该焊机可以根据用户需要，调节推力点、电弧力以及引弧电流等。

图4 水下焊接、切割专用电源

普通陆上焊条电弧焊焊接电源一般具有推力功能，即当电弧电压低于一定值时（一般为16～19 V），弧长较短，有粘条的趋势，此时增大输出焊接电流，加快焊条的燃烧速度，可以避免粘条。水下焊接时，焊接电缆较长，这也导致了回路压降的增加。以截面积为70mm2、长度为50 m焊接电缆为例，电缆阻抗约为0.03 Ω，焊接电流为200 A时，压降就可达6 V。若正常情况下弧压为18 V时增加推力，考虑到回路压降的影响，需要当焊机输出端电压为24 V时输出推力电流。针对这一情况，将推力点这一参数设为可调，操作者可以根据焊接电流及回路阻抗变化，灵活设置推力点。

引弧电流调节是在焊接过程开始阶段，输出电流略大于预置焊接电流，等焊接过程稳定后，焊接按照预置值输出。借助该功能，在小电流焊接引弧难的情况下，通过加大引弧电流值，确保顺利引燃电弧。

除此之外，改进后的焊机可以使操作者通过遥控盒上的纽扣开关，结合内部控制电路，在不增加回路阻抗的基础上，轻松实现焊机启停控制。

2.3 试验条件及测试设备

为了模拟实际海况，本试验在山东省科学院海洋仪器仪表研究所岸边试验站进行，施工现场照片如图5所示。该试验由交通部烟台打捞局三位专业潜水员在水下进行焊接操作。焊接作业水深6 m，水下能见度2 m。为保证焊工安全，便于试验开展，潜水员在吊笼完成作业。

图5 水下焊接施工现场照片

试验过程中，潜水员携带指定尺寸的两块试板进入吊笼，起重机将吊笼送入指定水深位置。待吊笼就位后，根据潜水员指令，开启焊接电源，开始水下焊接作业。焊渣清理工作也在水下进行，由潜水员通过手持清渣工具完成清理。

为了对比焊工焊接水平的差异，由三位潜水员分别完成水平位置的一块试件。另外，由其中一位焊工完成倾斜角度为45°试件的焊接工作，用于对比不同焊接角度对焊接质量的影响。试验过程所采用的焊接规范见表3。

表3 水下焊接规范

焊接完成后，对试件进行拉伸试验。试验设备为100 t万能试验机，该设备加持宽度为120mm，最大拉力为100 t，加载速度为10mm/min。

3 试验结果分析

3.1 焊接位置对焊缝质量的影响

对试件的检测结果表明，焊接位置对焊缝成形质量有一定影响。使用焊条电弧焊进行立焊、仰焊时，需压低电弧，促进熔滴过渡，一般情况下，立焊、仰焊的焊接质量较平焊差。

图6 水平位置焊接试件拉伸试验结果

对水下扳正桩头固定连接时，需要对其进行全位置焊接。因此，就要保证不同焊接位置的焊接质量都能满足设计要求。为此，在试验过程中，由一名潜水员在不同焊接位置完成两块模拟试件的焊接，即分别在平焊位置和试件倾斜45°时施焊。

焊接完成后，目测焊缝外观成形良好，无明显表面缺陷。随后对试件进行力学性能测试，结果如图6和图7所示。

图7 倾斜45°焊接试件拉伸试验结果

在对水平位置焊接试件进行测试时，当拉力达到86 t时，人为停止测试，此时未将试件拉断，焊缝区域未见断裂，母材区域开裂。对于倾斜45°焊接试件，其最大抗拉力为96 t，断裂位置为母材区域，焊缝区域未见断裂趋势。

综上所述，对于两种不同焊接位置获得的试件，其最大抗拉能力都超过85 t，超过预期的40 t最大抗拉能力，完全满足设计要求。

3.2 施焊人员操作水平对焊接质量的影响

水下湿法焊条电弧焊焊接设备简单，自动化程度低，不同施焊者因其手法差异，焊接质量会有所不同。由于潜水员水下施焊时间有限，为确保工程进度和焊接质量，往往需要若干潜水员分批次完成同一试件的焊接。

为了评价施焊者操作水平对焊接质量的影响，本次焊接试验时，从烟台打捞局具备水下施工资质的潜水员中随机挑选三位进行焊接操作，并将焊接试件进行对比。

试验过程中，三位潜水员在相同条件下独立完成扳正桩头试件的水下焊接，工作人员记录其完成整套工作的时间及材料消耗，并对焊后的试件进行抗拉强度测试，结果见表4。

表4 水下焊接试验结果对比

力学性能测试结果表明，所设计的试件结构承载拉力达85 t以上，达到了设计承载力的2倍，所有断裂位置均发生在母材区域。在进行水下焊接试件时，共焊接了2层3道，焊缝总长度为1 950mm，平均所需焊条16根，平均用时52 min。根据以上数据，在相同焊接条件下，可推算出焊接此结构的焊接效率为：焊接1 m焊缝需要焊条约8根，水下作业用时约26 min。根据本次试验所采用的只焊3面并未塞焊的结果推算，在同种焊接条件下，采用1 000mm×600mm试件，焊接2层3道，并进行塞焊的结构，至少可以承载340 t拉力，远远超过150 t的设计拉力。

4 结 论

（1）本次试验所有试件的装配、焊接、清渣工作全部在水下独立完成，试验结果表明，水平位置以及45°立焊位置结构的焊接效果良好，目测无明显缺陷。

（2）力学性能测试结果表明，所设计的试件结构承载拉力85 t以上，达到了设计承载力的2倍。所有断裂位置均发生在母材区域，焊缝区域的承载力应大于85 t。

（3）在水下焊接试验试件时，共焊接了2层3道，焊缝总长度为1 950mm，平均所需焊条16根，平均用时52 min。根据以上数据，在相同焊接条件下，可推算出焊接此结构的效率为：焊接每1 m焊缝需要焊条约8根，水下作业用时约26 min。

（4）根据本次试验所采用的只焊3面并未塞焊的结果推算，在实际工程同种焊接条件下，采用1 000mm×600mm试件，焊接2层3道，并进行塞焊的结构，至少可以承载340 t拉力。

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［10］尚晓江，苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

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

国家863重点资助项目(2008AA092901)。

杜永鹏（1982—），男， 2008年毕业于兰州理工大学焊接专业，工学硕士学位，现主要从事水下焊接技术与设备的研究开发工作。

2014-11-12

谢淑霞