局部水下焊接总体设计方案

干式高压焊接是既能保证焊接质量又易于实施的海底管道维修方法。基于目前的自动化技术水平和海管坡口制备难度大的现实，提出了基于高级焊工焊接知识和潜水员水下工作技能的遥控海底管道维修焊接策略，研制了一套干式高压环境管道全位置焊接机器人及其分置于水面母船甲板和水下干式舱的机器人焊接控制系统，研制了分别用于场景、坡口和焊缝的视觉监视系统，以及计算机远程信息采集监控系统，它们与水下干式舱系统一道构成了水下干式管道维修系统。还研究了干式舱充气气体种类、焊接电源特殊性和舱内引弧问题。利用先期在干式高压焊接实验室获得的海管焊接工艺完成了海上焊接维修试验，焊缝质量良好。

5．3．2．1 系统构成与工作原理

陆上连接属于比较成熟的技术，而水下连接是海洋工程连接技术研发的难点、重点和热点。海洋结构物因为水深、结构形式、重要性不同，水下连接方法的选择必然不同，主要的水下连接技术分类如图5-31所示。电弧焊接依然是实现金属连接的最佳选择，而干式高压电弧焊接则是即能保证焊缝质量又易于工业实施的方法。

图5-31　海洋工程连接技术分类

水下干式管道维修焊接系统基本情况是，根据美国API的有关标准要求，水下干式舱内只提供36V低压电，不能满足焊接电源的需要。所以，海底管道修补时，焊接电源放置在甲板集装箱内，与焊接电源有关的线缆通过焊接专用脐带与干式舱相连接。位于支持母船上的保护气瓶、焊接数据采集计算机与位于水下干式舱内的轨道焊机控制器、送丝机、焊枪、管道等的连接同样通过焊接专用脐带实现。干式舱内潜水员不直接控制焊接电源，而是通过声讯系统与甲板上焊接监督工程师实现信息交流。焊接电流、电压通过反馈信号线传送到甲板上，供焊接监督工程师作为焊接电源控制参考。干式舱内分布有照明和场景监视系统，焊接小车配备有坡口监视器和焊缝监视器，视频信号同样通过脐带传送至母船。焊接专用脐带长度为120m，剩余部分散放在甲板上。

利用水下干式舱系统在海底管道泄漏点位置创造“干式”作业环境，即在舱内充入略大于水深压力的高压气体，将海水从舱内“挤压”出去，并维持舱壁内外压力平衡，形成干式高压环境。然后在舱内进行管道干式高压全位置焊接修复。潜水员负责将焊接小车等从水密箱中取出安装到待修部位，并在甲板上的高级焊工声讯指导下调整好焊枪、焊丝和监控镜头的位置，随后撤离干式舱。焊工启动焊接，监控焊接参数和焊枪位置，完成焊接。

5．3．2．2 全位置管道TIG焊接机器人

海湾在役石油管道的工作环境特点是水域较浅、水域混浊，即使在干式舱中工作，焊接坡口的制备和组对质量也很难保证，因此在100m深以内的水域完成输油管道的焊接修补作业所采取的策略是经过初步焊接专业培训的潜水员在水面焊接专家的遥控指导下，在水下干式高压舱中只完成设备安装、钨极更换、姿态调整等辅助工作，焊接机器人自动完成焊接。因而要求焊接机器人有很高的控制水平和可靠性、可操作性、安全操作性。

GTAW焊接机器人系统主要有焊接行走小车、钨极高度自动调节器、钨极横向自动调节器、钨极二维精细调准器、焊接摆动控制器、遥控盒、送丝机构、导轨、GTAW焊接电源、GTAW焊炬、水冷系统、气体保护系统、弧长控制器、角度检测器、视频监视系统、控制箱等部分组成。为保证施工现场安全，所有驱动电机均采用24V直流伺服电机或步进电机。行走机构采用变位调节装置，以适应不同直径导轨。全位置管道焊接机器人控制系统如图5-32所示。

控制系统对运动参数的伺服控制，包括行走小车全位置的速度伺服控制、钨极高度的设定和弧压跟踪的自动调节控制、钨极横向的自动调节器和手动的调节控制、钨极二维精细调准控制、焊接的4种摆动方式的设定和摆动控制、送丝机的设定和恒速控制。

控制系统对焊接参数的控制，通过电源控制电路接口板，接管GTAW焊接电源，实现对GTAW焊接电源的焊接方式、焊接电流、脉冲频率、占空比、接触引弧、水冷系统、气体保护系统等的控制。

控制系统对参数监控调整人机交互系统的控制，通过遥控操作盒可以实现对运动参数和焊接参数的实时设定、调整和监控参数显示等控制，通过场景监视器可以监控焊接运行状态和焊接熔池成型状况。图5-33给出了焊接机器人在舱内实施管道焊接的场景。

图5-32　水下GTAW焊接机器人控制系统方框图

图5-33　全位置GTAW焊接机器人在干式舱中焊接

5．3．2．3 海底管道干式高压焊接试验

2006年11月，我国在渤海湾进行了“水下干式管道维修系统”海上试验，其中“水下干式高压焊接”作为最重要的试验内容也顺利完成。

海上试验采用与管道高压焊接试验相同的试件和焊材，进行填充焊接。试件和焊材如下：①钨极为3．2mm铈钨极；②焊丝为AWS5．18ER70S-6，0．8mm；③钢管材料为16Mn，外径158mm，壁厚15mm。焊接电流为180A，焊接速度为6．7cm／min，弧长为4．8mm，坡口两侧停滞时间为0．5s，焊枪摆幅为11mm，摆速为120cm／min，Z形摆动方式，送丝速度为124cm／min，氩气流量为36L／min。

首先干式舱定点下水，下水过程中通过不断充空气维持舱内水面高度，保证舱内水密箱内的设备不被水淹，就位后急需充气使液面低于待焊管道下一定距离，确保轨道车旋转的干式空间。两名潜水员进入干式舱，安装设备，一切妥当后撤离干式舱。位于母船上的焊工通过遥控盒操纵焊接起弧和焊接过程，通过三个监视窗口监视水下干式舱内的工作状况，图5-34为干式舱内焊接电弧经过120m传输到船上的监控图像，最后完成管道的现场对接焊缝，如图5-35所示。

图5-34　船上监控到的焊接电弧熔池

图5-35　海试管道对接焊缝

5．3．2．4 结论

①管道全位置钨极氩弧自动焊机能够以船上手持控制盒遥控、结合焊接电弧监视的方式完成海底管道全位置的自动焊接。

②在水下干式舱高压环境之中，焊接工艺参数能够形成外观良好的焊缝。

③以压缩空气作为舱内加压气体、以氩气作为焊接保护气体，可以进行水下管道安全的高质量焊接。