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【摘 要】本文以海洋石油工程中的水下焊接技术为研究对象，通过对海洋石油工程中的水下焊接技术的方法、特点、基本问题的分析，结合现代海洋石油工程中的水下焊接技术的发展趋势，在克服原有技术的不足的基础上，展望未来海洋石油工程中的水下焊接技术的发展趋势，推动海洋石油工程水下焊接技术的科研发展。
【关键词】石油；海洋石油工程；水下焊接
前言
随着我国国民经济的高速发展，市场经济对石油能源的需求也越来越大。然而石油能源作为不可再生能源具有稀缺性的特征，加之由于政治利益集团的博弈导致的原油市场波动，石油市场的供给关系的平衡状态时刻面临着冲击。在石油供不应求的大背景下，世界各国石油公司都把石油开发方向瞄准了海洋石油资源。能源安全关系国家经济安全，中国石油集团公司应该制定开发海洋石油的战略，加强海洋石油开发的相关技术的研究和运用，加快海洋油气勘探步伐。
1 研发水下焊接技术的必要性
建造和安装起坚固的海洋石油开发构筑物是进行海洋石油开发的基础条件，如坚固可靠的石油平台和导管架等，它们的坚固程度必须能达到适应恶劣的工作环境的程度，要能承载起本身建筑结构的负载荷度、来自海洋风暴和潮流的附加载荷度，同时要能抵抗海水的盐分腐蚀、海水砂流的磨损、海洋地震或者寒冷的洋流侵袭等。由于海洋工程建筑对工作性能要求很高，所以无论海上石油平台还是海底输油管道等设施在力学设计、加工制造、制造材料和焊接等方面都有非常高的质量要求。尽管如此，由于海洋环境的恶劣和条件的艰难，海洋石油工程建筑在其安装和实际的运行过程环节会遇到损坏的情况，为了排除这种可能导致不堪设想的后果的隐患，必须尽快对损坏的建筑部分进行修复。修复受损的海洋建筑需要耗费大量成本，一般为了尽可能降低维修的成本和缩短修复周期从而减少石油公司的损失，必须采用水下焊接技术进行修复。另一方面，随着许多的石油建筑设施的工作寿命的增加，海上石油建筑对水下焊接的需求也越来大。加强水下焊接技术的科研，借鉴国内外水下焊接技术的经验，建立和完善配套的海洋石油工程的水下焊接方法、装备和技术体系是必然趋势。
2 影响水下焊接技术的基本因素
由于自然环境的巨大差别，如水压的存在，水下焊接与陆上一般的焊接作业有较大差别，如水下焊接的弧焊作业过程会遇到截然不同的电弧形态和融滴过渡特征，水下焊接的金属冶金要求也不相同。水下焊接环境相对于陆上焊接环境要更为复杂，其作业程序所顾及的因素也是多方面的。
（1）焊接能见度。水下焊接由于在水下作业，因此能见度很低。众所周知，光线在水中传播距离仅为真空状态的千分之一，水下焊接的作业时的可见光在水中传播会明显发生衰减，加之焊接电弧的高温会在水下产生大量气泡和烟雾，因此水下电弧可见度相对来说处于很低的状态。另外，对于在水下深处的海洋建筑物的焊接维修还会遇到海底泥沙的环境，水的可见度度更是因为杂质而变得很低。与此同时，水下焊接还要面临光在水中的折射导致的观察位置与实际位置相互偏离的情况。某种程度上，水下焊接的工人是处于几乎被致盲的状态，无法清楚了解焊缝位置，在实际作业中还会出现对熔池的位置误判的情况。因此水下焊接技术必须解决相应的盲焊的问题，盲焊也常常导致水下焊接出现焊接作业容易出现焊接缺陷、质量不高的情况。
（2）焊接熔池条件。在水下焊接的电弧焊接过程中，高温会导致水的气化和蒸发，水下焊接的熔池冶金条件会进一步恶化，气体蒸发会导致焊接接头出现众多气孔，甚至很难成形。高温同时还会导致水的热分解发生，从而让焊接的接头处氢的含量大为增加，一旦超过了允许值就会产生新的裂纹，严重影响焊缝结构，影响焊接的接缝的质量。一般的水下焊接导致的扩散氢的的含量正态分布是40ml/100g左右，是一般的陆上酸性环境下焊接的多倍。水中焊接质量如果处理不好氢含量是很难得到保障的。
（3）焊接的冷却速度。水下焊接的环境特殊性，导致焊接冷却速度远高于普通焊接。在进行水下焊接作业时，由于水的热导率远远高于空气热导率，在焊接的同时水会对焊接融态的金属和热影响区进行强烈的冷却。过快的水冷却不利于焊接质量的保障，会导致焊缝处产生快冷却导致的淬硬组织，导致其韧性变差，焊接裂纹随时有可能会出现。
（4）焊接面临的水压。由于一般的海洋石油工程建筑大多建在水深较深的海面上，所以维修时下潜的深度很深。而随着下潜水下的深度的增加，根据帕斯卡定律，水压也会逐渐增大，一般每下潜十米左右，水下增加0.1MPa。而水压的增加会导致电弧气压的增加，电弧会出现弧形变细，焊道变窄而焊缝高度增高的状况；而焊接的导电介质密度也会随水压的升高而增加，进一步加大了进行电离的难度，焊接电弧的电压也会陡然升高，稳定性变得很低，焊接时出现的飞溅和烟尘也会变多。由此可见，较高的水压环境对于水下焊接的工艺特性、焊接质量以及焊接接缝的化学结构都会产生不利影响。
上述诸多不利因素的影响下，在复杂的水下环境下是很难实现高效的连续水下焊接作业的，经常出现断断续续的低效水下焊接作业。在综合考虑以上各方面影响因素下，水下焊接结束也必须有相应的配套解决措施和方案。
3 现代水下焊接技术的方法及其特点
随着人们对海上石油能源开发的需求越来越大，相关的海洋石油工程及其维修技术发展日趋完善。1917年英国海军造船运用水下焊接技术来维修船舶的受损的接缝，1932年俄国工程师科儿克罗夫发明了用于焊接防水的专用焊条，到了二战期间水下焊接技术在打捞海底沉船方面已经得到广泛运用，在20世纪下半叶由于各国对海洋石油和天然气的开发需求，海洋石油工程的水下维修技术得到长足发展，并在1985年建立起了相对完备的湿法水下焊接工艺。水下接技术中的水下湿法焊条电弧焊工艺在50年代传入了我国。并且在我国广大科学工作者的努力下，水下焊接技术也得到进一步的发展。70年代哈尔滨焊接研究所开发的水下局部排水二氧化碳气体保护焊技术，其能在特别制作的水下半自动焊接枪帮助下排除烟雾，提高水下焊接效率，有效保障焊接质量。到近几年北京石化学院进一步发展了水下局部干法焊接技术，TIG焊过程在60米水深环境下得到进一步完善，促进我国水下焊接技术发展。 （1）湿法焊接技术及其特点。在水下焊接技术中有一套已经相对完备的水下焊接工艺就是湿法焊接工艺。湿法焊接利用的是电弧可以直接在水中燃烧的原理，实现水下作业就能完成焊接的熔滴过渡和焊缝最终的结晶形成。湿法焊接工艺主要有水下焊条电弧焊以及药芯焊丝半自动焊。在现代焊条技术研究方面，英国的Hydroweld FS水下焊条、德国的双层自保护药芯焊条等处于国际领先水平。有美国学者通过添加适量的稀土元素以改善焊条药皮，改良后的焊条性能有所改善，一定程度提高了焊缝的质量。而近几年来兴起的药芯焊丝法也有独特的水下焊接工艺，其采用药芯焊丝，加进的焊药可以很明显地改善电弧电力条件，并保障金属过渡的稳定性，其焊接效率相对前者焊接工艺要较高。
（2）干法焊接技术及其特点。水下焊接技术中的干法焊接一般指的是水下人为创造一个相对无水的气相焊接环境然后进行作业的方法。作业人员可以在水下一个空间相对开阔的干气室中焊接。这种方法在海洋石油工程建筑深水作业情况中常用。干法焊接一般包括高压干法焊接和常压干法焊接。第一，高压干法焊接。该工艺最早在美国得到运用。其基本原理是，在水下焊接时，焊工位于一个底部有开口的气室，作业时通入稍大于作业环境的水压的气体，将室内水从底部开口派出去，然后工作人员可进行正常作业。虽然其能有效保障焊接质量。但也存在适应范围有限，施工成本由于气室作业需要的辅助多而非常高昂等问题。第二，常压干法焊接。该水下焊接工艺是指在很深的水下，焊接作业人员仍然在标准的气相环境中进行焊接工作。最早是法国的石油公司于1977年在修复北海深水输油管道作业中采用。气室是一个宽为2.4米，长达6米的圆筒，两头为椭圆形。然而其设备的制造和作业的时候成本异常高昂，一般只能适合于深水焊接作业。干法焊接工艺需要造价高昂的气室辅助，作业成本高，适用范围小，一般只能用于管线接头的焊接。
（3）局部干法水下焊接。局部干法焊接技术主有日本的钢刷式水下焊接法、罩式水下焊接法和美国提出的可移动气室水下焊接法。虽然三者的具体水下焊接工艺方法各有不同，但是核心一点都是采用系列措施达到水下焊接环境下局部排水的目的。干法焊接的核心特点就是局部排水，从而在相对无水作业环境下保障电弧稳定性、焊缝形状、焊接的质量，但是只能使用浅水焊接环境。
4 展望水下焊接技术的发展
水下焊接技术受到影响最大的因素就是恶劣而复杂的水下环境带来的作业难度。湿法焊接工艺直接适应水下作业环境的复杂条件，由于复杂的水压环境，其焊接质量难以得到最佳保障。虽然湿法焊接技术已经发展相对成熟，但依旧无法满足海洋石油工程建筑对设施结构和质量的高要求，所以提高湿法焊接质量是水下焊接技术研究的重点之一。而水下焊接技术中的局部干法技术则相对更有优势，局部干法水下焊接一方面其作业方法简单可行，另一方面，性价比相对较高，用相对低廉的成本就可以获取较高的经济效益，而干法水下焊接由于有相对无水的气相环境做保障，因此焊接质量也能得到一定的保障，唯一的不足是大部分干法水下焊接技术还处于试验研发阶段，市场运作并未成熟，而且适用范围局限于浅水环境，因此干法水下焊接技术还需要进一步加大研发力度。
唯一能满足现代海洋石油工程建筑对设施的高质量要求的现代水下焊接技术只有水下干法焊接技术。但是由于水下干法焊接技术需要制作精密的创造气相环境的干气室，耗费成本高昂，而且在实际的水下焊接作业过程中，需要配备相应的辅助施工队伍，施工时间长而且成本巨大，并且对突发性的海洋环境变动，如风暴或者海浪，其适应力相对较弱。由此可见，大部分水下焊接技术的发展都有不同程度的局限性。因此必须加大水下焊接技术的研发，如智能化和自动化水下焊接技术、深水干法水下焊接技术、水下焊接连续作业技术、水下焊接过程监控技术、水下焊接电弧稳定技术等，水下焊接技术的发展将对海洋石油能源的开发提供强大的软件支持，从而促进经济的发展。
参考文献：
[1]唐德渝，龙斌，郑树森.海洋石油工程水下焊接技术的现状及发展[J].金属加工（热加工），2009（04）.
[2]庞涛.铝合金焊接技术的研究现状及发展趋势[J].黑龙江科技信息，2009（14）.
[3]张金利，黄华，李庆会，梁建辉.水下焊接技术应用现状及发展趋势探讨[J].企业技术开发，2010（21）.
作者简介：
杨双羊（1980.8-），男，汉族，天津，工程师，工作单位：海洋石油工程股份有限公司。
【关键词】石油；海洋石油工程；水下焊接
前言
随着我国国民经济的高速发展，市场经济对石油能源的需求也越来越大。然而石油能源作为不可再生能源具有稀缺性的特征，加之由于政治利益集团的博弈导致的原油市场波动，石油市场的供给关系的平衡状态时刻面临着冲击。在石油供不应求的大背景下，世界各国石油公司都把石油开发方向瞄准了海洋石油资源。能源安全关系国家经济安全，中国石油集团公司应该制定开发海洋石油的战略，加强海洋石油开发的相关技术的研究和运用，加快海洋油气勘探步伐。
1 研发水下焊接技术的必要性
建造和安装起坚固的海洋石油开发构筑物是进行海洋石油开发的基础条件，如坚固可靠的石油平台和导管架等，它们的坚固程度必须能达到适应恶劣的工作环境的程度，要能承载起本身建筑结构的负载荷度、来自海洋风暴和潮流的附加载荷度，同时要能抵抗海水的盐分腐蚀、海水砂流的磨损、海洋地震或者寒冷的洋流侵袭等。由于海洋工程建筑对工作性能要求很高，所以无论海上石油平台还是海底输油管道等设施在力学设计、加工制造、制造材料和焊接等方面都有非常高的质量要求。尽管如此，由于海洋环境的恶劣和条件的艰难，海洋石油工程建筑在其安装和实际的运行过程环节会遇到损坏的情况，为了排除这种可能导致不堪设想的后果的隐患，必须尽快对损坏的建筑部分进行修复。修复受损的海洋建筑需要耗费大量成本，一般为了尽可能降低维修的成本和缩短修复周期从而减少石油公司的损失，必须采用水下焊接技术进行修复。另一方面，随着许多的石油建筑设施的工作寿命的增加，海上石油建筑对水下焊接的需求也越来大。加强水下焊接技术的科研，借鉴国内外水下焊接技术的经验，建立和完善配套的海洋石油工程的水下焊接方法、装备和技术体系是必然趋势。
2 影响水下焊接技术的基本因素
由于自然环境的巨大差别，如水压的存在，水下焊接与陆上一般的焊接作业有较大差别，如水下焊接的弧焊作业过程会遇到截然不同的电弧形态和融滴过渡特征，水下焊接的金属冶金要求也不相同。水下焊接环境相对于陆上焊接环境要更为复杂，其作业程序所顾及的因素也是多方面的。
（1）焊接能见度。水下焊接由于在水下作业，因此能见度很低。众所周知，光线在水中传播距离仅为真空状态的千分之一，水下焊接的作业时的可见光在水中传播会明显发生衰减，加之焊接电弧的高温会在水下产生大量气泡和烟雾，因此水下电弧可见度相对来说处于很低的状态。另外，对于在水下深处的海洋建筑物的焊接维修还会遇到海底泥沙的环境，水的可见度度更是因为杂质而变得很低。与此同时，水下焊接还要面临光在水中的折射导致的观察位置与实际位置相互偏离的情况。某种程度上，水下焊接的工人是处于几乎被致盲的状态，无法清楚了解焊缝位置，在实际作业中还会出现对熔池的位置误判的情况。因此水下焊接技术必须解决相应的盲焊的问题，盲焊也常常导致水下焊接出现焊接作业容易出现焊接缺陷、质量不高的情况。
（2）焊接熔池条件。在水下焊接的电弧焊接过程中，高温会导致水的气化和蒸发，水下焊接的熔池冶金条件会进一步恶化，气体蒸发会导致焊接接头出现众多气孔，甚至很难成形。高温同时还会导致水的热分解发生，从而让焊接的接头处氢的含量大为增加，一旦超过了允许值就会产生新的裂纹，严重影响焊缝结构，影响焊接的接缝的质量。一般的水下焊接导致的扩散氢的的含量正态分布是40ml/100g左右，是一般的陆上酸性环境下焊接的多倍。水中焊接质量如果处理不好氢含量是很难得到保障的。
（3）焊接的冷却速度。水下焊接的环境特殊性，导致焊接冷却速度远高于普通焊接。在进行水下焊接作业时，由于水的热导率远远高于空气热导率，在焊接的同时水会对焊接融态的金属和热影响区进行强烈的冷却。过快的水冷却不利于焊接质量的保障，会导致焊缝处产生快冷却导致的淬硬组织，导致其韧性变差，焊接裂纹随时有可能会出现。
（4）焊接面临的水压。由于一般的海洋石油工程建筑大多建在水深较深的海面上，所以维修时下潜的深度很深。而随着下潜水下的深度的增加，根据帕斯卡定律，水压也会逐渐增大，一般每下潜十米左右，水下增加0.1MPa。而水压的增加会导致电弧气压的增加，电弧会出现弧形变细，焊道变窄而焊缝高度增高的状况；而焊接的导电介质密度也会随水压的升高而增加，进一步加大了进行电离的难度，焊接电弧的电压也会陡然升高，稳定性变得很低，焊接时出现的飞溅和烟尘也会变多。由此可见，较高的水压环境对于水下焊接的工艺特性、焊接质量以及焊接接缝的化学结构都会产生不利影响。
上述诸多不利因素的影响下，在复杂的水下环境下是很难实现高效的连续水下焊接作业的，经常出现断断续续的低效水下焊接作业。在综合考虑以上各方面影响因素下，水下焊接结束也必须有相应的配套解决措施和方案。
3 现代水下焊接技术的方法及其特点
随着人们对海上石油能源开发的需求越来越大，相关的海洋石油工程及其维修技术发展日趋完善。1917年英国海军造船运用水下焊接技术来维修船舶的受损的接缝，1932年俄国工程师科儿克罗夫发明了用于焊接防水的专用焊条，到了二战期间水下焊接技术在打捞海底沉船方面已经得到广泛运用，在20世纪下半叶由于各国对海洋石油和天然气的开发需求，海洋石油工程的水下维修技术得到长足发展，并在1985年建立起了相对完备的湿法水下焊接工艺。水下接技术中的水下湿法焊条电弧焊工艺在50年代传入了我国。并且在我国广大科学工作者的努力下，水下焊接技术也得到进一步的发展。70年代哈尔滨焊接研究所开发的水下局部排水二氧化碳气体保护焊技术，其能在特别制作的水下半自动焊接枪帮助下排除烟雾，提高水下焊接效率，有效保障焊接质量。到近几年北京石化学院进一步发展了水下局部干法焊接技术，TIG焊过程在60米水深环境下得到进一步完善，促进我国水下焊接技术发展。 （1）湿法焊接技术及其特点。在水下焊接技术中有一套已经相对完备的水下焊接工艺就是湿法焊接工艺。湿法焊接利用的是电弧可以直接在水中燃烧的原理，实现水下作业就能完成焊接的熔滴过渡和焊缝最终的结晶形成。湿法焊接工艺主要有水下焊条电弧焊以及药芯焊丝半自动焊。在现代焊条技术研究方面，英国的Hydroweld FS水下焊条、德国的双层自保护药芯焊条等处于国际领先水平。有美国学者通过添加适量的稀土元素以改善焊条药皮，改良后的焊条性能有所改善，一定程度提高了焊缝的质量。而近几年来兴起的药芯焊丝法也有独特的水下焊接工艺，其采用药芯焊丝，加进的焊药可以很明显地改善电弧电力条件，并保障金属过渡的稳定性，其焊接效率相对前者焊接工艺要较高。
（2）干法焊接技术及其特点。水下焊接技术中的干法焊接一般指的是水下人为创造一个相对无水的气相焊接环境然后进行作业的方法。作业人员可以在水下一个空间相对开阔的干气室中焊接。这种方法在海洋石油工程建筑深水作业情况中常用。干法焊接一般包括高压干法焊接和常压干法焊接。第一，高压干法焊接。该工艺最早在美国得到运用。其基本原理是，在水下焊接时，焊工位于一个底部有开口的气室，作业时通入稍大于作业环境的水压的气体，将室内水从底部开口派出去，然后工作人员可进行正常作业。虽然其能有效保障焊接质量。但也存在适应范围有限，施工成本由于气室作业需要的辅助多而非常高昂等问题。第二，常压干法焊接。该水下焊接工艺是指在很深的水下，焊接作业人员仍然在标准的气相环境中进行焊接工作。最早是法国的石油公司于1977年在修复北海深水输油管道作业中采用。气室是一个宽为2.4米，长达6米的圆筒，两头为椭圆形。然而其设备的制造和作业的时候成本异常高昂，一般只能适合于深水焊接作业。干法焊接工艺需要造价高昂的气室辅助，作业成本高，适用范围小，一般只能用于管线接头的焊接。
（3）局部干法水下焊接。局部干法焊接技术主有日本的钢刷式水下焊接法、罩式水下焊接法和美国提出的可移动气室水下焊接法。虽然三者的具体水下焊接工艺方法各有不同，但是核心一点都是采用系列措施达到水下焊接环境下局部排水的目的。干法焊接的核心特点就是局部排水，从而在相对无水作业环境下保障电弧稳定性、焊缝形状、焊接的质量，但是只能使用浅水焊接环境。
4 展望水下焊接技术的发展
水下焊接技术受到影响最大的因素就是恶劣而复杂的水下环境带来的作业难度。湿法焊接工艺直接适应水下作业环境的复杂条件，由于复杂的水压环境，其焊接质量难以得到最佳保障。虽然湿法焊接技术已经发展相对成熟，但依旧无法满足海洋石油工程建筑对设施结构和质量的高要求，所以提高湿法焊接质量是水下焊接技术研究的重点之一。而水下焊接技术中的局部干法技术则相对更有优势，局部干法水下焊接一方面其作业方法简单可行，另一方面，性价比相对较高，用相对低廉的成本就可以获取较高的经济效益，而干法水下焊接由于有相对无水的气相环境做保障，因此焊接质量也能得到一定的保障，唯一的不足是大部分干法水下焊接技术还处于试验研发阶段，市场运作并未成熟，而且适用范围局限于浅水环境，因此干法水下焊接技术还需要进一步加大研发力度。
唯一能满足现代海洋石油工程建筑对设施的高质量要求的现代水下焊接技术只有水下干法焊接技术。但是由于水下干法焊接技术需要制作精密的创造气相环境的干气室，耗费成本高昂，而且在实际的水下焊接作业过程中，需要配备相应的辅助施工队伍，施工时间长而且成本巨大，并且对突发性的海洋环境变动，如风暴或者海浪，其适应力相对较弱。由此可见，大部分水下焊接技术的发展都有不同程度的局限性。因此必须加大水下焊接技术的研发，如智能化和自动化水下焊接技术、深水干法水下焊接技术、水下焊接连续作业技术、水下焊接过程监控技术、水下焊接电弧稳定技术等，水下焊接技术的发展将对海洋石油能源的开发提供强大的软件支持，从而促进经济的发展。
参考文献：
[1]唐德渝，龙斌，郑树森.海洋石油工程水下焊接技术的现状及发展[J].金属加工（热加工），2009（04）.
[2]庞涛.铝合金焊接技术的研究现状及发展趋势[J].黑龙江科技信息，2009（14）.
[3]张金利，黄华，李庆会，梁建辉.水下焊接技术应用现状及发展趋势探讨[J].企业技术开发，2010（21）.
作者简介：
杨双羊（1980.8-），男，汉族，天津，工程师，工作单位：海洋石油工程股份有限公司。