Основные проблемы подводной сварки

Подводная сварка в водной среде

Первые эксперименты по электросварке в водной среде восходят к тридцатым годам. Они были произведены в Университете Ли (Lehigh University), США, в небольших стеклянных ваннах; при этом сварщик находился вне ванны, на воздухе, погружая в воду только руки. С тех пор и до конца восьмидесятых годов метод не считался ни надежным, ни гарантирующим необходимый уровень качества. Причина тому - свойство самой воды, которая вызывает быстрое охлаждение, а следовательно, повышенную твердость в зоне термического влияния, газовые водородные включения в зоне плавления, холодные трещины.

В последние 25 лет методику вновь оценили. Она получила положительные характеристики по той причине, что дает качество, соответствующее стандартам строительства морских объектов, стандартам, принятым в кораблестроении, и вообще в гражданском строительстве портовых сооружений.

Очевидно, что из-за применения подводной сварки преимущественно в ручном режиме, существенным является уровень подготовки и опыта подводного сварщика.

В связи с этим мы ограничимся анализом технологических улучшений процесса, в частности рассмотрим:

• электрогенераторы;

• покрытые электроды;

• методы ограничения твердости и трещиноватости, вызванной водородом;

• альтернативные методы

Сварочные генераторы

При увеличении давления для поддержания стабильной электрической дуги требуется большее напряжение при том же токе, и в любом случае напряжение холостого хода (для зажигания) должно быть больше обычного в условиях сварки на земле (Рис.1). Только постоянный ток позволяет поддерживать стабильную дугу.

Расходные материалы при сварке

Сегодня существуют электроды, способные обеспеить качественный шов, соответствующий классу B стандарта AWS D3-6, на глубине 60 м на сталях с эквивалентным содержанием углерода (Ceq) не выше 0,40. Другие испытания, проведенные на глубине 10 м, дали шов, соответствующий качеству класса А. Сварка швов класса B была проведена на глубине 90 м.

В настоящий момент электроды с рутиловым покрытием гарантируют наилучшие характеристики как с точки зрения стабильности дуги, так и с точки зрения геометрии наплавки. В качестве альтернативы, благодаря меньшему количеству диффузионного водорода, рассматриваются покрытые электроды с оксидом железа, неокисляемые аустенитные электроды и электроды на основе никеля. Все вышеназванные электроды должны иметь водонепроницаемое внешнее покрытие.

Контроль твердости и ограничение явлений трещиноватости

В связи с тем, что охлаждение в воде происходит очень быстро, а в среде, кроме того, имеется большое количество диффузионного водорода, обычные покрытые электроды на сталях с эквивалентным содержанием углерода (Ceq) > 0,29 склонны к трещинам, вызваемым присутствием водорода. Однако, используя технологию многослойной наплавки TEMPER BEADS (Рис.2), можно сваривать также и стали с Ceq > 0,4. В 1991 году был произведен ремонт одной из платформ в Северном море, где работы осуществлялись на подобной стали и полученная твердость не превышала требуемой для класса A стандарта AWS D3.6.

Работы производились на глубине 36 м, их целью был ремонт трубчатой конструкции, поврежденной столкновением с движущимся плавсредством. Как видно на рисунках 3,4,5 ремонт был выполнен с помощью фасонной муфты, наложенной на место соединения новой части конструкции, и обломка, оставшегося от первоначальной структуры.

 

Механические характеристики

Техническая литература приводит большое количество данных, часто не согласующихся между собой, поскольку они получены при использовании электродов традиционного типа. Однако, как и можно было предвидеть, они показывают снижение механических характеристик с ростом давления, что объясняется большим поглощением кислорода и водорода (Рис.11).

Методы, альтернативные сварке в водной среде

Сварка MAG с использованием порошковой проволоки, снабженной сердечником

Разрабатываются специальные флюсы рутилового типа, которые позволят применять эту технологию, отличающуюся большей производительностью. Уже официально объявлено об их экспериментальном применении на глубине 20 м, полученные результаты демонстрируют очень высокое качество (соответствующее классу A стандарта AWS D3.6)

Сварка трением

Начиная с 1992 года, в Институте Сварки TWI (Англия) проводились опыты по применению технологии Ротационной сварки трением (Friction Stir Welding - FSW) в ее особом виде, получившем впоследствии название Friction Hydro Pillar Processing (FHPP - Технология трения водяного столба).

Методика FHPP, применимая для ремонта объектов морского строительства, предусматривает, что после определения траектории расположения трещины с одного из ее краев на часть толщины металла засверливается отверстие диаметром обычно 9-17 мм, в которое вводится под осевым давлением твердый стальной элемент. Под воздействием трения металл этого вращающегося элемента становится пластичным и заполняет собой отверстие, соединяясь с его стенками.

После удаления лишнего металла с наружной поверхности операция повторяется с другими отверстиями, которые частично перекрывают предыдущие отверстия (Рис.6).

К преимуществам этого процесса можно отнести следующие его свойства:

•    соединение происходит в твердом состоянии;

•    в процессе не участвует электрическая дуга;

•    процесс может быть полностью автоматизирован и управляться дистанционно с поверхности;

•    пластифицированный металл вытесняет из зоны соединения любые загрязнения;

•    сварочный шов не имеет пористости и трещин, вызванных присутствием водорода;

•    крайне мелкозернистая структура наплавленного металла;

•    закаливающее воздействие воды невелико (твердость hv10 < 250)