摘要：通过对国内外现有受损海底输油管道干法和湿法修复方法的对比研究，认为渤海湾特殊的地质条件和油品特性决定了干式高压焊接修复是一种质量可靠、易于向深海拓展应用范围的修复方法。本文介绍了国内设计制造的最大也是唯一的干式高压焊接实验系统。该系统配有完整的自动测控单元，可完成高压焊接电弧特性的研究和海底管道干式高压自动焊接设备与技术的研究。本文还讨论了实验系统中涉及到的一些相关问题，如环境气体选择、视觉信号采集和全位置焊接实验装置等。关键词：干式高压焊接；海底管道维修；水下焊接前，海底管道的维护是一项复杂而庞大的工程。国外从20世纪60年代开始发展和维护海底管道技术。起初都是依靠潜水员入水进行检查和操作。然而，随着管道深度和长度的增加，依靠人员维护已经不够了。因此，从20世纪70年代开始，英、美等国开始研制各种水下管道维修装置，目前已经趋于成熟。中国海洋油气勘探开发起步较晚。相关海洋工程服务的技术和设备与国外相比差距较大。目前国内没有可以进行水下管道维护的作业装置，相应的水下管道维护工作几乎都是委托给国外的工程公司，费用昂贵。水下管道维修根据维修环境可分为湿式和干式。湿式维修是在水环境中直接焊接或机械修复管道。由于湿法焊接质量不高，湿法维修多采用法兰或抱箍等机械维修方法。在深水中，由于人无法安全有效地工作，国外重点使用无人遥控潜水器(R0V)进行湿式维护。一级专用海底管道维修工具(目前国外使用的这些工具大多有专利保护)。干式维修是在水下创造一个干燥的环境，人员可以直接进行管道维修。在水质浑浊的情况下，ROV等无人操作方式受到很大限制，需要人直接干预。当水深小于60m时，人可以在空气中潜水，安全有效地工作，采用干式维修方法是必要的，也是可行的。在干燥条件下，可采用法兰或抱箍等机械维护方法，也可采用焊接方法。因为可以保证干焊的质量，所以焊接法是主要的方法。干式养护分为常压和高压。由于常压舱密封技术要求高，在压力较低、对人员作业安全和效率影响不大的情况下，多采用高压干式维护方式。干式焊接技术和设备的研究意义重大。1高压焊接试验舱总体设计1.1设计要求及特点高压焊接试验舱的工作特点决定了必须满足特殊要求。舱内气体压力0.11 ~ 0.70 MPa，可无级调节；舱内气体成分可以改变(根据压缩空气的爆炸实验)；必须便于开启和关闭，以便于焊接试件的进出；需要在舱室封闭的情况下观察内部焊接过程：焊接试验时任何人不得进入舱室，试验设备要求自动化；TIC焊接保护气体单独供给；舱内外电信号、气体、焊接试件的交换量大且频繁。1.2测试系统的组成该系统由以下部分组成。舱内高压焊接试验舱和高压焊接轨道焊机系统及舱外焊接电源；试验舱环境中的气体混合罐：供气系统应按要求向气体混合罐和高压焊接试验舱提供氮气、氩气、二氧化碳和压缩空气；meas
焊丝盘(送丝机)放置在轨道焊机上，轨道焊机的焊接电源和控制器放置在高压焊接试验舱外面。每次焊接工艺试验结束后，高压焊接试验箱内的气体通过专用的排气管道导出试验箱，待试验箱内压力降至0 MPa后打开试验箱。测控系统由中央控制系统和分控制系统组成，分控制系统为高压焊接环境展开控制系统、轨道焊机控制系统和焊接电源控制系统。各子系统由独立的计算机实时控制，相关参数通过通信电缆传输到中央计算机。在中控台上，可以观察焊接电弧的高速摄像、设备区的现场拍摄和试验舱内部的现场拍摄，通过气动舱操作系统的动作按钮完成试验舱的开启和关闭，还可以执行灯源的切换、电加热垫的预热温度控制等辅助任务。2干式高压焊接实验系统的其他关键问题2.1干式环境气体和焊接保护气体根据渤海油田现有管道深度，干式舱系统总体方案设计拟采用常规空气潜水技术，潜水员由脐带面罩独立供气，由于采用舱侧锁舱进舱方式，水面母船配有相应的潜水系统，独立于干舱系统。在干舱系统总体方案设计中，潜水员由脐带面罩独立供气，因此加压气体的选择不再考虑气体对潜水员呼吸系统的影响，而是侧重于爆炸可燃性、焊接质量和经济效益。氮气(N2)价格便宜，不会引起爆炸燃烧，但焊接质量需要在高压焊接试验箱中进行测试。加压气体有三种可能的选择，即纯空气、空气ar和空气N2。因此，首先要确定纯空气介质的临界爆炸压力Pr。如果PR是7 bar，加ar或者N2更合适。如果
选择air＋Ar作为加压气体，则需要通过实验确定：以及与Pr-7bar相匹配的一系列临界爆炸氩气浓度Ar％。如果选择air＋N2作为加压气体，同样需要确定与Pr-7bar相匹配的一系列临界爆炸氮气浓度N2％。实验证明，在控制气氛中可燃成分的比例的前提下引弧，不会发生爆燃。焊接保护气体仍然选用常规TIG焊接所用的氩气。
2．2视觉问题
由于焊接实验是在密闭的高压舱中进行，必须将舱内场景和焊接电弧的图象采集并引导到舱外，以便于观察记录。由于舱内压力的升高，视觉系统的机械部件和电器元件都要经受压力的考验，例如电容就有可能被压破。为保证CCD器件的正常工作，可以有三种选择。第一，将摄像头放置在承压的保护罩内；第二，用刚性光路（反射镜）或柔性光路（光纤）把光引导到舱外；在一定的压力范围内允许直接将摄像头置于舱内使用。
2．3实验舱内全位置焊接工装
课题的目标之一是研制一套适用于海底管道全位置焊接的工艺，所以设计了一套可以在舱内完成全位置焊接实验和管道焊接实验的工装。
2．4焊接工艺与管道焊接工艺研究
手工TIG焊用在不规则管道的打底焊和局部焊点的修补焊接。在海底高压且潮湿的干式舱中，采用高频放电引弧对于潜水员是极不安全的，计算机控制的焊接电源可以对焊接电流和焊接电压进行复杂精确控制，通过钨极和工件的直接接触实现引弧是可能的。压力对TIG焊的重要影响是弧压增加。工作电压的增加是因为高压环境吸热能力的增加。因为热量更容易从电弧外部区域损失，电弧可以通过减少直径来减少热量损失。事实上，这就要求工作电流的电弧交叉区域小，从而增加电流密度、电离水平和工作温度。额外的能量需求导致上述的弧压增加。如果这个弧压由位于母船上的电源提供，则需要增加一个额外电压，以满足连接电源与焊接舱的电缆阻抗的要求。因为环境对TIG弧压的影响，在建立焊接过程合适的工作电压限值之前，这些因素必须特别地考虑。对于TIG焊，效率从1个大气压时的90％下降到6bar（6×102kPa）时的70％，而8bar（8×102kPa）时又恢复到75％，之后基本保持恒定。对于恒定的工作电流，弧压随水深增加的速度比焊接效率下降速度快。随着环境压力增加，TIG焊电弧稳定性降低。
3 结论
设计制造成功的干式高压焊接实验系统具有进行焊接电弧和焊接工艺实验的全面功能，目前不仅适用于1－7bar之内的12″双层管道高压TIG焊接工艺的研究，还可以进行高压电弧物理的研究，两种以上环境气体的配比对电弧和工艺的影响研究，两种以上保护气体对电弧和工艺的影响研究。经过适当改造，设备可用于负压焊接研究。
