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21世纪海洋工程连接技术的挑战与对策_焦向东_图文

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21 世纪 海洋工程 连接 技术 挑战 对策 向东 图文
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! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "##$ 船舶焊接国际论坛论文集 ! 焊接!""# 年第 $ 期!" 世 纪 海 洋 工 程 连 接 技 术 的 挑 战 与 对 策北京石油化工学院海洋工程连接技术研究中心( %#"&%$) ! ! 焦向东 ! 周灿丰 ! 陈家庆薛 ! 龙 ! 高 ! 辉 ! 朱加雷摘要 ! 在解释海洋工程连接技术内涵的基础之上,针对 "% 世纪中国海洋石油开发深水资源的巨大挑战,对深水海底管道铺设焊接、局部干式焊接、水下干式高压焊接以及摩擦叠焊等重要技术进行了介绍,其中包括北京石油化工学院海洋工程连接技术研究中心开展的相关研究工作,最后提出了发展中国海洋工程连接技术的对策。关键词: ! 海洋工程连接技术 ! 海底管道铺设 ! 局部干式焊接 ! 摩擦叠焊中图分类号: ! "#$$! "#%&’())$*! 海洋工程连接技术的内涵海洋工程连接技术是指应用于海洋平台、海底管道等各种海洋结构物的陆上预制、海上安装和维修的连接技术。如图 % 所示,按照连接作业的环境不同,海洋工程连接可以分为陆上连接和水下连接,陆上连接主要用于陆上预制和海上安装;水下连接主要用于海洋平台水下部分和海底管道等的维修。陆上连接属于比较成熟的技术,而水下连接是海洋工程连接技术研发的难点、重点和热点。海洋结构物因为水深、结构形式、重要性差异非常之大,水下连接方法的选择必然是收稿日期: "##$ ’#( ’"(基金项目: 国家高技术研究发展计划( "##&))#*+,"*);国家自然科学基金( -#&$-#"");北京市自然科学基金( ,#$,#%$)。“在适合于使用”的前提之下进行“具体问题具体分析”,不同的连接方法的具体研究内容自然有很大的不同,但是, "% 世纪海上油气开发的重点是深水,所以连接技术基本的努力方向或面临的挑战均是:适应更深的水深、提供更高的连接质量、更大程度地提高自动化作业水平甚至发展到无潜水员支持的全自动化作业。’! 海洋结构物的陆上预制与海上安装海洋平台主要是由有各种弦杆和斜杆等组成的钢管桁架结构,陆上预制时,要求焊接设计以及施工必须特别注意防止重要节点的层状撕裂。海上桩管焊接是重要的海上安装技术之一,传统焊条电弧焊工艺不仅焊接质量难以保证、劳动强度大、工作时间长,而且除浮吊外,还需 " 只船、 . /%# 人配合作业,因此,有必要采用先进的环缝自动焊接,进行技术更新。胜利油田油建一公司研制了如图 " 所示的“桩管横焊缝 01"自动焊接装置”及其配套专用操作,"焊 接 ! "#$%&&’()*+ $, -../ 0)1&#)21($)23 4$#56 $) 7&3’()* 8&%9)$3$*: () ;9(?@ 以上 , !A B.. 66 桩 管 环 缝 焊 接 时 间 由 焊 条 电 弧 焊 的 C DA. 9 缩 短 为 E 9[ A]。高 效 、 快 速 、 高 质 量 的 连 接 技 术 对 于 海 底 管 道 铺 设具 有 及 其 重 要 的 技 术 和 经 济 意 义 。 中 国 蓝 疆 号 起 重 铺管 船 , 作 业 水 深 A?. 6, 铺 设 效 率 不 能 满 足 深 水 作 业 需要 , 而 且 船 上 的 焊 接 生 产 线 等 主 要 装 备 为 从 国 外 全 套引 进 。 南 海 ?.. DE ... 6 水 域 蕴 含 丰 富 的 油 气 资 源 ,是 中 国 -A 世 纪 海 洋 石 油 经 济 的 重 要 增 长 点 。 所 以 ,“ 十 一 五 ” 期 间 , 由 海 洋 石 油 工 程 股 份 有 限 公 司 牵 头 , 启动 了 以 建 造 E ... 6 深 水 铺 管 船 为 依 托 的 “ 深 水 海 底 管道 铺 设 技 术 ” 研 究 。 其 中 北 京 石 油 化 工 学 院 海 洋 工 程连 接 技 术 研 究 中 心 承 担 的 管 道 铺 设 焊 接 技 术 研 究 , 拟将 突 破 深 水 管 道 铺 设 优 质 快 速 焊 接 的 一 系 列 关 键 技术 , 提 升 中 国 深 水 油 气 开 发 重 大 装 备 的 技 术 能 力 , 拟 设计 的 船 上 海 底 管 道 铺 设 焊 接 生 产 线 布 局 如 图 E 所 示 。!" 海 洋 结 构 物 的 水 下 维 修!#$" 提 升 维 修 与 围 堰 焊 接海 洋 结 构 物 的 水 下 维 修 有 两 种 特 殊 情 况 , 一 种 是将 结 构 物 主 要 是 管 道 提 升 出 水 面 , 在 水 上 焊 接 , 焊 接 完毕 再 下 放 到 海 底 , 另 一 种 是 修 筑 围 绕 结 构 物 待 修 部 位 、连 接 到 水 面 的 围 堰 , 在 干 式 围 堰 内 焊 接 。 这 两 种 方 法的 突 出 优 点 是 , 可 以 采 用 与 结 构 物 初 始 建 造 时 相 同 的耗 材 、 焊 接 程 序 和 人 员 来 完 成 作 业 , 但 是 , 很 明 显 , 水 深增 加 、 管 道 提 升 过 程 之 中 弯 曲 的 可 能 性 增 加 , 围 堰 则 要能 够 适 应 波 浪 、 潮 汐 带 来 的 较 大 水 深 变 化 , 所 以 , 提 升维 修 和 围 堰 焊 接 只 能 应 用 于 某 些 特 殊 场 合 , 而 且 通 常只 能 应 用 于 浅 水 区 域[ -]。!#%" 机 械 连 接 器机 械 连 接 器 结 构 简 单 、 价 格 相 对 便 宜 , 应 用 于 水 下不 受 水 深 影 响 。 但 是 , 一 方 面 因 为 大 多 数 海 洋 结 构 与全 焊 接 结 构 一 样 需 要 接 受 认 证 机 构 的 设 计 评 估 , 人 们一 直 担 心 机 械 连 接 器 有 时 会 损 害 结 构 性 能 及 其 水 下 应用 的 长 期 可 靠 性 , 另 一 方 面 , 机 械 连 接 器 应 用 于 海 底 管道 的 准 确 安 装 而 需 要 的 辅 助 设 备 和 操 作 使 得 问 题 复 杂化 , 应 用 于 海 洋 平 台 结 构 时 这 个 问 题 更 加 突 出 。 机 械连 接 器 研 发 重 点 , 一 是 深 水 应 用 评 估 , 二 是 控 制 产 品 的尺 寸 和 重 量 。 F:’#21(*91 制 造 的 G$#*#(,? 公 司 的 (@4A BC 系统[ D]、 0()(4E9 公 司 的 FA0 系 统[ G], 其 技 术 研 发 重 点 是提 高 作 业 的 自 动 化 水 平 。“ 十 五 ” 期 间 , 由 海 洋 石 油 工 程 股 份 有 限 公 司 牵 头 ,启 动 了 以 “ 渤 海 大 油 田 勘 探 开 发 关 键 技 术 ” 为 工 程 依 托的 “ 水 下 干 式 管 道 维 修 系 统 ” 研 究 , 北 京 石 油 化 工 学 院海 洋 工 程 连 接 技 术 研 究 中 心 承 担 了 其 中 的 “ 水 下 干 式高 压 焊 接 ” 子 课 题 。 该 子 课 题 经 过 一 系 列 研 究 开发[ % HC"], 建 造 了 设 计 压 力 为 C; G >F3 即 相 当 于 CG# I水 深 的 高 压 焊 接 试 验 装 置 ( 图 J) , 研 制 了 钨 极 氩 弧 自动 焊 机 ( 图 C#) , 获 得 了 #; C H #; $ >F3 范 围 之 内 的C%>/ 管 道 全 位 置 自 动 焊 接 工 艺 , 形 成 的 管 道 焊 接 接 头全 部 达 到 了 美 国 焊 接 学 会 )*0 K: CJJJ 中 ) 类 接头 即 相 当 于 陆 上 接 头 的 要 求 , 并 且 于 "##% 年 CC 月 C%日 在 中 国 渤 海 湾 天 津 新 港 锚 地 附 近 C" I 水 深 海 域 , 与水 下 干 式 舱 ( 图 CC) 及 其 他 作 业 系 统 一 并 进 行 了 海 上G"焊 接 ! "#$%&&’()*+ $, -../ 0)1&#)21($)23 4$#56 $) 7&3’()* 8&%9)$3$*: () ;9(. 年 代 的 研 究 表 明 , 随 着 环 境 压 力 增 加 ,?8@7 电 弧 稳 定 性 降 低 , 其 原 因 是 钨 极 尖 端 的 空 气 动力 学 效 应 与 电 弧 周 围 的 漂 浮 效 应 的 共 同 作 用 。 研 究 表明 , 高 压 ?8@7 的 工 作 深 度 极 限 大 致 是 A.. 6。!"#$ 深 水 电 弧 焊 接 技 术对 于 A.. 6 甚 至 = ... 6 以 深 的 深 水 区 域 的 连 接 ,英 国 B#2),(&3’ C)(D&#+(1: 等 的 研 究 表 明 熔 化 极 气 体 保 护焊 ( ?E@7) 、 等 离 子 焊 是 可 以 选 择 的 方 法 。 等 离 子 弧束 的 稳 定 性 强 且 对 外 部 磁 场 的 抗 干 扰 性 强 , 可 以 适 应 =... 6 以 深 水 下 焊 接 的 要 求 , 但 是 , 其 电 效 率 非 常 低 , 弧柱 能 量 损 失 大 , 穿 孔 焊 接 时 要 求 提 供 非 常 高 的 电 压 , 对安 全 系 统 的 要 求 很 高 。 E0? 焊 具 备 低 氢 、 高 熔 敷 率 、 非常 适 合 自 动 化 等 优 点 , 从 -. 世 纪 末 以 来 , 随 着 焊 接 电源 控 制 技 术 的 发 展 而 成 为 最 具 备 深 水 应 用 前 景 的 电 弧焊 接 方 法 。 B#2),(&3’ C)(D&#+(1: 的 研 究 人 员 利 用 高 压 焊接 试 验 装 置 F:、 图 5;) 。 目 前 , 北 京 石 油 化工 学 院 海 洋 工 程 连 接 技 术 研 究 中 心 的 摩 擦 叠 焊 技 术 研究 , 已 经 获 得 了 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 、 国 家 自 然 科学 基 金 等 的 资 助 。!" 中 国 开 展 海 洋 工 程 连 接 技 术 研 发 的 对 策海 洋 工 程 连 接 的 突 出 特 点 是 , 作 业 环 境 特 殊 、 作 业对 象 多 样 、 质 量 要 求 严 格 、 要 求 较 强 的 设 备 和 人 力 配套 , 中 国 的 研 究 和 应 用 基 础 以 及 支 持 技 术 均 比 较 薄 弱 , 必须 科 学 规 划 、 合 理 组 织 技 术 研 发 , 才 能 适 应 中 国 海 洋 石 油"5 世 纪 “ 走 向 深 水 ” 的 迫 切 需 求 。 为 此 , 提 出 以 下 建 议 。( 5) 以 创 新 的 先 进 技 术 尽 快 提 高 中 国 海 洋 工 程 连接 技 术 能 力 。 无 论 海 上 安 装 还 是 水 下 维 修 , 与 国 外 先进 水 平 相 比 , 中 国 的 差 距 都 比 较 大 。 为 了 适 应 海 洋 工程 开 发 的 迫 切 需 要 , 要 借 鉴 但 是 不 能 照 搬 国 外 的 技 术 ,而 应 该 要 形 成 适 应 中 国 海 洋 工 程 国 情 的 创 新 技 术 。( ") 加 强 配 套 技 术 研 发 。 水 下 机 器 人 是 海 洋 工 程重 要 的 支 持 技 术 , 但 是 , 中 国 基 本 上 还 不 具 备 研 制 此 类高 性 能 商 业 化 机 器 人 的 能 力 。 此 外 , 陆 上 焊 接 作 业 机器 人 如 何 适 应 水 下 环 境 , 也 是 需 要 解 决 的 问 题 。( :;#$?! [ >] ! R,3 81-+,3 @ %? R)S2(0233 E)E20)-2 D20/)-4 I2.,-/ 6##H3D[ T] ? ’(,*22/)-43 ,U 55+AN-+2(-1+),-10 G,-U2(2-*2 ,- VUUW3A,(2 F2*A1-)*3 1-/ T(*+)* X-4)-22()-4 ( VFTXP") [ G] ?G1041(., 5PP"( 6)[ 下 转 第 $% 页 ]$"焊接 ! "#$%&&’()*+ $, -../ 0)1&#)21($)23 4$#56 $) 7&3’()* 8&%9)$3$*: () ;9(# 气和 ?-气保护时所产生的等离子体弱。"! 讨 ! ! 论活性剂增加熔深机理目前主要有两种理论:西北工业大学[ -]研究认为,活性剂能够吸附等离子体中的电子来降低等离子体密度,从而抑制激光深熔焊过程中光致等离子体,在一定程度上减弱了等离子体对激光束的折射、散射等负效应,使得到达工件表面的激光功率密度增加;张瑞华等[ @, A]人认为是由于活性剂使得熔池表层氧含量急剧增加,引起表面张力温度梯度改变,从而改变了熔池内流体的流动模式,使得熔宽变窄、熔深增加。两种观点尚缺乏统一的认识。从试 验结果来看,保护气体种类对焊缝成形没有明显影响,活性剂使得熔宽收缩,但熔深增加不明显,并且离焦量的减小,使得热输入量更为集中,但活性元素和活性剂增加熔深的效果并不明显,表明能量的集中并不能直接导致熔深的增加,因此活性剂对激光等离子体的抑制作用并不是其增加熔深的主要原因,活性剂在不同的焊接参数下析出的氧含量对表面张力的影响可能是导致焊缝成形发生变化的主要因素。#! 结 ! ! 论( B)各焊缝表面成形良好,波纹过渡均匀,细腻。( -)焊接速度和激光功率对 C>D 激光焊焊缝成形的影响较大。( @)散焦离焦量和保护气种类对 C>D 激光焊焊缝成形的影响较小。( A)与硫含量较低的情况相比,活性剂和活性元素硫含量较高的情况下均能使得焊缝熔宽发生明显收缩,随着热输入量的增加,活性剂增加熔深的效果更加明显,活性剂对熔深的影响效果与焊接过程的热输入量有密切联系。参 考 文 献[ B] ! 高兰兰 E ?’: C>D 激光器在焊接中的应用[ F] E 光机电信息, -..A( G): -B H--E[ -] ! 马立彩,刘金合,谢耀征,等 E 激光焊活性影响等离子体的初步研究[ F] E 电焊机, -..G, @G( /): @G H@IE[ @] ! 42) J()*, K92)* L5(952, 82)2M2 N, &1 23E C>D 32+&# O&3’P()* O(19 2%1(Q21()* ,35R[ F] E S9()2 7&3’()*, -..@, B-( BB):I@ HITE[ A] ! 张瑞华 E 活性焊接法及熔深增加机理的数值模拟研究[ J] E 兰州:兰州理工大学, -..GE作者简介: ! 樊 ! 丁, BUTB 年出生,硕士,教授,博士生导师,主要从事焊接物理、新型焊接方法以及焊接智能控制等方面的研究工作,发表论文 B-. 余篇 。[上接第 $% 页]! [ G] ! N(%92&3E J2Q(+E 8#$33()* 19& ’&] E 第十一次全国焊接学会论文集[ S],上海 E-..GE! [ I] ! 焦向东,薛 ! 龙,周灿丰 E 水下金属结构物干式高压焊接实验系统[ >] E 能源焊接国际论坛会议论文集[ S],上海 E-..GE! [ U] ! 焦向东,黄松涛,周灿丰,等 E 海底管道干式高压焊接跟踪轨迹的识别[ F] E 焊接学报, -../, -I( B): B HAE[ B.] ! 周灿丰,焦向东,薛 ! 龙,等 E 以空气为舱内加压气体的钨极氩弧焊接[ F] E 焊接学报, -../, -I( -): G HIE[ BB] ! 薛 ! 龙,王中辉,周灿丰,等 E 高压空气环境下 80D 焊接机器人关键技术[ F] E 焊接学报, -..T, -/( B-): B/ H-.E[ B-] ! 陈家庆,焦向东,赵增慧,等 E 高压焊接试验舱的设计及其关键问题研究[ F] E 石油矿场机械, -..A( @): B HGE[ B@] ! L(%92#’+$) 0 NE =:X -... F$()1 S$),&#P&)%&: X)&#*: ,$# 19& ?&O N(33&))(56, ?&O Z#3&2)+, -...:U-/ HU@TE[ BA] ! =2#1 "E 89& &,,&%1+ $, O&3’()* [ F] E7&3’()* L&+&2#%9 >W#$2’, -..B, AU( BBYB-): -U H@/E[ BG] ! C$+9(9(#$ C262+9(12E [)’&#O21&# 32+&# O&3’()* W: AM7 S7C>D 32+&#[ F] E F$5#)23 $, )5%3&2# +%(&)%& 2)’ 1&%9)$3$*:,-..B, @I( B.): IUB HIUGE[ BT] ! 89$62+ 7 N, ?(%9$32+ X J, F$)&+ ; \E 4#(%1($) 4$#6()*E]$)’$), 0)1&#)21($)23 "21&)1 ?$E 7ZYBUU@Y..AIB@E BUU@ H.@ HBI作者简介: ! 焦向东, BUT- 年出生,教授,博士生导师,工学博士,主要研究方向为焊接自动化、水下焊接。.@()()
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