Статьи

Основные направления развития подводной сварки

В настоящее время в мире существуют более 4000 стационарных оснований в открытом море, используемых для добычи нефти и газа со дна морей. Большая часть этих металлоконструкций действующие и находятся в эксплуатации более 20 лет. Транспортировка нефти и газа в регионы потребления осуществляется, как правило, по подводным трубопроводам, длина которых составляет несколько десятков тысяч километров. Построены причальные сооружения с большим количеством металлических элементов, находящихся в воде. Строятся и эксплуатируются десятки тысяч кораблей и судов. В подводной части этих сооружений возникают дефекты вследствие монтажных работ, коррозии, повреждений связанных с воздействием природных сил (ураганов, землетрясений), боевых повреждений, а также ввиду возможных ошибок при проектировании и строительстве. Для строительства и восстановления работоспособности этих сооружений требуется применение высококачественных способов сварки.

Ремонт корпусов кораблей и судов обычно выполняется в сухих доках или на слипах по отработанным технологиям. Проблемы возникают в случае невозможности поместить металлоконструкцию в сухой док или при отсутствии доков в регионах, где необходимо проведение ремонтно-восстановительных работ. В этом случае ремонт осуществляется с применением подводной сварки.

В настоящее время существуют три основных способа выполнения сварочных работ под водой:

Так как «Сварка внутри кессона» выполняется в таких же условиях, что и на суше, мы остановимся только на проблемах, возникающих при «Мокрой сварке» и «Гипербарической сухой сварке».

МОКРАЯ ПОДВОДНАЯ СВАРКА

Преимущества сухой сварки в обитаемых камерах общеизвестны. Однако ее использование применительно к ремонту трубных элементов стационарных оснований, корпусов судов, причалов и других гидротехнических сооружений с развитой поверхностью связано со значительными материальными затратами [1]. Существенные неудобства возникают и при использовании сухой сварки в обитаемых камерах при ремонте подводных переходов трубопроводов через малые водные преграды. В этом случае невозможно использовать специализированные глубокосидящие суда, имеющие на борту необходимое оборудование и грузоподъемные механизмы. Камеру, как правило, изготавливают поблизости от ремонтируемой конструкции по упрощенной схеме либо транспортируют к месту выполнения работ на большие расстояния. Стоимость установки и обслуживания такой камеры в этом случае значительно возрастает. Ухудшаются условия работы водолаза-сварщика.

При мокрой сварке сварщик и свариваемый объект находятся в водной среде. Процесс происходит без каких-либо дополнительных сооружений и устройств. Благодаря этому сварщик имеет большую свободу перемещений, что делает мокрую сварку наиболее эффективной и самой экономичной из существующих способов сварки под водой, в первую очередь, при восстановлении металлоконструкций с развитой поверхностью на глубине до 20 м. По этой причине технологии мокрой сварки под водой превалируют на территории стран СНГ.

В 1932 г. группа сотрудников под руководством академика АН УССР К. К. Хренова разработала и осуществила на практике электродуговую сварку под водой покрытым электродом [2]. Новый метод был применен на практике в 1936-1938 г при подъеме парохода «Борис» на Черном море [3] и при выполнении других подводно-технических работ.

После войны потребность в применении подводной сварки и резки существенно возросла, однако разработанные в то время электроды обеспечивали прочностные показатели сварных соединений, только на уровне показателей, получаемых при сварке на воздухе электродами типа Э34 [3]. Низкая производительность процесса сварки под водой покрытым электродом и неудовлетворительные показатели механических свойств соединений заставили специалистов искать другие пути решения данной проблемы. Н.М. Новожиловым [4] была предложена технология механизированной сварки под водой проволокой сплошного сечения в среде углекислого газа. Широкого распространения она не нашла, даже после замены углекислого газа на его смесь с кислородом [4]. Однако этот технологический процесс имеет ряд преимуществ, по сравнению со сваркой покрытым электродом. Здесь исключается трудоемкая и опасная для водолаза-сварщика операция смены электрода под водой, а также технологический перерыв, связанный с этой операцией. В результате повышается производительность и снижается влияние субъективных факторов на качество выполняемых под водой сварных соединений.

В 1959 г. была разработана технология и комплект оборудования для механизированной сварки под водой проволокой сплошного сечения без дополнительной защиты реакционной зоны [5]. При её использовании повысились прочностные показатели сварных соединений, однако пластические свойства металла шва оставались низким и, кроме того, устойчивый процесс горения дуги удавалось поддерживать в весьма узком интервале режимов [5]. Этот технологический процесс практического применения не нашел.

Следующий шаг на пути развития технологий мокрых механизированных процессов сварки под водой плавящимся электродом был сделан в ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины. По заказу ВМФ СССР в 1969 г. была разработана технология сварки под водой самозащитной порошковой проволокой [6]. В случае ее использования в 3…6 раз по сравнению со сваркой покрытыми электродами повышается производительность труда водолаза-сварщика. При сварке низкоуглеродистых и ряда низколегированных корпусных сталей во всех пространственных положениях обеспечивается получение равнопрочных соединений. Технология эффективно используется в условиях удовлетворительной видимости при ремонтных работах на корпусах судов и при восстановлении других гидротехнических сооружений [7-9].

К недостаткам всех способов мокрой сварки можно отнести резкое охлаждение металла сварного соединения в воде и значительное насыщение его водородом и кислородом. Это может привести к появлению подваликовых трещин в сварных соединениях, выполненных на сталях с углеродным эквивалентом Сэ ≥ 0,39 [10, 11].

Оборудование. Для реализации технологии мокрой сварки под водой покрытым электродом используют выпрямители (с падающей ВАХ или универсальные) и сварочные агрегаты с падающей ВАХ, рассчитанные на силу тока ≥250 А и обеспечивающие повышенное напряжение холостого хода 70-90 В. Для фиксации электродов диаметром 3-5 мм и передачи тока силой до 400 А используют специализированные электрододержатели ЭПС-2-76, ДПС-АН1 и ДПС-АН2.

Для реализации технологии мокрой механизированной сварки самозащитными порошковыми проволоками используются полуавтоматы А1450, А1660, ПШ142, ПШ146 (ИЭС им. Е.О.Патона Украина) и ПСП-3 (фирма «Подводсервис» Россия). В качестве источников питания дуги применяют выпрямители с жесткой и пологопадающей ВАХ, рассчитанные на силу тока ≥300 А и напряжение 50-55 В.

Расходуемые материалы. На территории бывшего СССР для ручной сварки под водой длительное время использовали покрытые электроды марок ЭПС-52 и ЭПС-А [5], разработанные в 1950 гг. Механические свойства соединений, полученные при сварке под водой электродами ЭПС-52, соответствуют свойствам соединений, выполненных на воздухе электродами типа Э38. Электроды выпускаются до настоящего времени на ФГУП «28-й Военный завод» г. Ломоносов. Электроды ЭПС-А с основным видом покрытия и стержнем из проволоки Св-07Х25Н12Г2Т [11] в настоящее время не выпускаются.

В С.-Петербургском государственном морском техническом университете совместно с АО «Электродный завод» разработаны электроды Э38-ЛКИ-1П для подводной сварки углеродистых и некоторых марок низколегированных сталей [12]. Механические свойства соединений, получаемых сваркой электродами Э38-ЛКИ-1П, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Механические свойства соединений, выполняемых мокрой сваркой под водой

Марка электродного материалаПредел прочности σв, МПаПредел текучести σт, МПаОтносительное удлинение δ5, %Ударная вязкость KCV, -20°С Дж/см²Угол загиба, α по классу B AWS D3.6M
Покрытые электроды
ЭПС-52390...420не нормирован6-20не определяласьне нормирован
ЭПС-АН1≥ 420не нормирован≥ 14не определяласьне нормирован
Э38-ЛКИ-1П410не нормирован≤ 8не определяласьне нормирован
Самозащитные порошковые проволоки
ППС-АН1400...430300...32014...16≥ 10180
ППС-АН2400...440300...34013...18≥ 25180
ППС-АН5420...460320...36013...17≥ 25180
ППС-ЭК1400...460300...36014...18≥ 25180

Для сварки низколегированных сталей повышенной прочности в С.-Петербургском государственном морском техническом университете были разработаны электроды ЛКИ-2П [13]. Рутил-флюоритное покрытие нанесено на электродный стержень из проволоки Св-10Х16Н25АМ6. Металл, наплавленный электродам ЛКИ-2П, имеет более высокие механические свойства по сравнению с электродами ЭПС-А [13].

В ИЭС им. Е. О. Патона была создана оригинальная газошлаковая композиция [14], позволившая разработать новый электрод марки ЭПС-АН1 для сварки под водой во всех пространственных положениях. Электроды ЭПС-АН1 обладают сварочно-технологическими свойствами, превосходящими электроды ЭПС-52 и Э38-ЛКИ-1П. Они предназначены для сварки сталей с пределом текучести до 350 МПа под водой на глубине до 20 м и обеспечивают механические свойства металла шва на уровне класса «В» ANSI / AWS D3.6 [15].

В настоящее время для механизированной сварки под водой используют самозащитные порошковые проволоки диаметром 1,6 мм марок ППС-АН2 (производится в ИЭС им. Е.О. Патона) и ППС-ЭК1 (производится фирмой «Экотехнология») [16]. Механические свойства сварных соединений, выполненных под водой мокрым способом с использованием самозащитных порошковых проволок приведены в табл. 1.

За рубежом сварка покрытым электродом является основным технологическим процессом при создании сварных соединений мокрым способом [17-19]. В настоящее время серийно выпускаются электроды с рутиловым покрытием, обеспечивающие сварку углеродистых и низколегированных сталей с Сэ ≤0,4 на глубине до 60 м [20]. Механические свойства соединений соответствуют классу В стандарта AWS D.3-6. При сварке на глубине до 10 м некоторыми марками электродов удается обеспечить механические свойства, соответствующие классу А стандарта AWS D.3-6. Для сварки сталей повышенной прочности выпускаются электроды с рутил-флюоритным покрытием, которое нанесено на стержень из хромоникелевой или никелевый проволоки. Все электроды имеют гидроизоляционное покрытие, в которое некоторые производители вводят дополнительные ингредиенты, стабилизирующие дугу и обеспечивающие при своем сгорании дополнительное количество защитных газов, разбавляющих атмосферу парогазового пузыря.

С использованием мокрой сварки покрытыми электродами в мировой практике выполняется большой объем работ по восстановлению низконапорных трубопроводов, малонагруженных элементов стационарных оснований, ремонтируются суда на плаву и закладные элементы водопропускных и причальных сооружений. Так только в Украине в последнее время электроды ЭПС-АН1 частично используются при монтаже временных оснований, предназначенных для строительства мостового перехода через р. Днепр в Киеве.

С помощью технологии мокрой механизированной сварки самозащитными порошковыми проволоками с 1969 года в бывшем СССР выполнено большое количество работ под водой, направленных на восстановление целостности причальных сооружений, судов на плаву, подводных переходов водоводов, а также газо- и нефтепроводов через водные преграды [7-9, 11]. Некоторые работы, выполненные под водой с применением этой технологии, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные работы, выполненные при восстановлении подводных переходов трубопроводов через водные преграды

Место выполнения работыХарактер поврежденияТехнология ремонта
1970 г. р. Бейсуг, глубина 5 м. Нефтепровод Ø1020 мм из стали 14ХГСТрещина по монтажному стыку, из-за непровара корня шваМеханическая разделка с фиксацией концов трещины сверлением. Разделка заполнена многослойным стыковым швом.
1974 г. р. Москва, глубина 8 м. Подводный переход газопровода Ø720 мм из стали 09Г2Под воздействием динамических нагрузок образовалась трещина в ЗТВ монтажного стыка.Та же.
1975 г. р. Ухта, глубина 10 м. Переход газопровода Ø820 мм из стали 14ХГСТрещина в результате непровара корня монтажного стыка.Та же.
1976 г. р. Обь, глубина 6 м. (р-н п. Перегребное). Переход газопровода Ø1020 мм из стали 09Г2Трещин, образовавшейся в процессе эксплуатации из-за непровара монтажного стыкаТа же.
В 1977 г. о. Донузлав (Крым), глубина 4 м при отсутствии видимости. Переход газопровода Ø720 мм из стали 09Г2Свищи, образовавшиеся в результате коррозионного разрушения.Механическая разделка дефектных участков. Сварка проволокой Ø1,4 мм, так как толщина металла в зоне сварки не превышала 4 мм.
1977 г. р. Большой Иргиз, глубина 15 м. Переход газопровода трубой Ø325 мм.Трещина в ЗТВ кольцевого стыка длиной 40 мм, образовавшаяся под воздействием динамических нагрузок.После механической разделки и фиксации концов трещины, путем сверления, образовавшуюся разделку заполняли многопроходным стыковым швом.
1979 г. р. Енисей, глубина 12 м. Переход газопровода Мессояха-Норильск трубой Ø325 мм.Полный разрыв трубы.Внутрь дефектного участка заведена вставка с меньшим наружным диаметром. Она соединялась с трубой по периметру угловыми многопроходными швами.
1980 г. р. Красивая Мечи, глубина 10 м. Переход газопровода трубой Ø500 мм.Трещина в вертикальном положении по ЗТВ монтажного стыка.Механическая разделка дефектного участка. Фиксации концов трещины, путем сверления. Образовавшуюся разделку заполнили многопроходным стыковым швом.
1980 г. р. Волга, глубина 25 м. Переход газопровода трубой Ø500 мм.Трещина монтажного стыка длиной 40 мм, располагавшаяся в потолочном положении.Та же.
1980 - 1981 гг. р. Обь, глубина 7 м. Переход нефтепровода Александровское - Анжеро-Судженск трубой Ø1020×18 мм из стали 18Г2САФНепровар корня двух монтажных стыков. Трещины при укладке дюкераУдалены дефектные участки трубы с трещинами. После механической обработки образовавшихся кромок в трубу установили заплаты с подкладными элементами, используя винтовой домкрат. Из-за высокого углеродного эквивалента стали, ремонтировали комбинированным методом. Первых три прохода выполняли мокрым способом, используя специальную самозащитную порошковую проволоку. Дальнейшее заполнение разделки выполняли ручной сваркой покрытыми электродами в кессоне с предварительным подогревом трубы.
1982 г. р. Обь, глубина 12 м (р-н г. Нефтеюганск). Переход продуктопровода трубой Ø820 мм из стали 17Г1СРазрушение монтажного стыка на 1/3 длиныЭлектрокислородной резкой удален дефектный участок. После механической обработки в образовавшуюся полость установили вставку с подкладными элементами и соединили ее с трубой по периметру многопроходным стыковым швом.
1987 г. р. Днепр, глубина 12 м (р-н г. Кременчуг). Газопровод Елец - Кременчуг - Кривой Рог. Труба Ø1420×18,7 мм из стали типа Х70Свищ в монтажном стыке.После механической разделки с углом раскрытия кромок 90° на глубину 16 мм полученная разделка была заполнена многопроходным стыковым швом. Использовали порошковую проволоку, обеспечивающую аустенитную структуру металла шва.
1990 г. р. Кама, глубина 12 м (район г. Пермь). Переход газопровода. Материал трубы - сталь 17Г1СТрещина монтажного стыка длиной 100 мм.Та же.

Наиболее значимая работа, выполненная с использованием мокрой механизированной сварки под водой - это сварка кессонов, завершившаяся в сентябре 2005 г., которые использовались при строительстве на ФГУП "ПО "Севмашпредприятии" морской ледостойкой стационарной платформы "Приразломная" [21, 22]. Работа выполнялась под надзором Российского Морского Регистра судоходства. За 55 рабочих дней с учетом подготовительно-заключительного времени на глубине до 8 м в потолочном и вертикальном положениях было сварено 1800 м однопроходного шва, средняя скорость сварки которого составила 6,0-6,5 м/ч. Для выполнения сварочных работ использовался полуавтомат ПСП-3, выпущенный в России, а также порошковая проволока марки ППС-ЭК1, поставленная фирмой «Экотехнология».

Приведенные примеры использования технологии мокрой механизированной сварки под водой самозащитной порошковой проволокой показывают ее высокую эффективность при ремонте большинства гидротехнических сооружений, находящихся на территории СНГ. Она обеспечивает выполнение строительных и ремонтных работ в сжатые сроки с достаточным качеством даже при наличии волнового воздействия и течения на глубине до 20 м.

Мокрая сварка под водой может осуществляться с применением технологии сварки трением. Эксперименты в этом направлении проводятся в Великобритании с 1992 года. Разработанная технология (Friction Hydro Pillar Processing FHPP), предназначена для ремонта металлоконструкций «в открытом море» [23].

После определения траектории расположения трещины с одного из ее краев на часть толщины металла засверливается отверстие диаметром 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 ремонтируемого элемента операция повторяется с другими отверстиями, которые частично перекрывают предыдущие отверстия.

К преимуществам этого технологического процесса можно отнести:

При использовании этой технологии пластифицированный метал вставки вытесняет из зоны соединения все дефекты и загрязнения, обеспечивая высокое качество шва.

ГИПЕРБАРИЧЕСКАЯ СУХАЯ СВАРКА

Этот способ сварки начал развиваться в мире с шестидесятых годов прошлого столетия, когда по мере расширения добычи углеводородного сырья на морском дне и монтажа установок для его добычи проектировщики стали использовать материалы с более высокими механическими свойствами [1]. Повысились требования к качеству сварных соединений. Основная цель применения этого способа сварки состоит в том, чтобы исключить контакт с водой реакционной зоны и свариваемого металла, что дает существенные преимущества для получения равнопрочного сварного соединения независимо от внешних условий и глубины выполнения работ.

Основное количество работ в сухих камерах выполняются при ремонте подводных трубопроводов. Камеры проектируются и изготавливаются индивидуально под заказ. Такая камера массой от 8 до 20 т, как правило, входит в состав корабельного водолазного комплекса. Кроме самой камеры, в состав комплекса входят гидравлические подъемники и центраторы. Они необходимы для перемещения труб в вертикальной и горизонтальной плоскости при их фиксации и герметизации в торцах камеры. Камеры комплектуются набором герметизирующих элементов под различные диаметры труб, комплектом оборудования для зачистки, резки и подгонки труб, герметизированным универсальным источником питания дуги для сварки неплавящимся и плавящимся электродом, герметичными емкостями для хранения инструмента и приспособлений, электроинструментом, оборудованием для зачистки, контроля и термообработки сварных соединений. Камера комплектуется также системой дымоудаления, пожаротушения, контроля состава газовой смеси и гидравлической системой для фиксации и перемещения на небольшие расстояния ремонтируемой трубы в случае ее центровки при монтаже. В верхней части камеры располагается люк, к которому пристыковывается водолазный колокол. Водолазы сварщики-монтажники из колокола могут переходить непосредственно в камеру. В период монтажа на трубе когда камера затоплена, работы выполняются в водолазном снаряжении. После окончания монтажных работ сварщик работает без водолазного снаряжения. В случае необходимости, он надевает дыхательную маску, подключенную к системе газоснабжения водолазного колокола. Технология ремонта подводных трубопроводов отработана на сотнях объектах различными производителями работ. Она разбита на следующие этапы:

Все операции под водой выполняются под руководством специально подготовленных инженеров и техников. Они постоянно следят за физическим состоянием водолазов-сварщиков, составом и влажностью газовой смеси, а также контролируют все электрические параметры дугового процесса. Сварочные работы под водой выполняют специалисты, прошедшие многомесячную подготовку.

Сухая сварка металлоконструкций с развитой поверхностью сопряжена со значительными трудностями. Для реализации этой технологии необходимо проектировать и изготавливать камеру, предназначенную для ремонта только одного элемента. Это требует существенных трудозатрат. Современные компьютерные технологии и металлообрабатывающее оборудование позволяют изготавливать специализированную камеру за 3…4 рабочих дня. Такая камера, как правило, имеет минимальное внутреннее оборудование. Совместно с ней используется погружной универсальный источник питания, позволяющий выполнять сварку покрытым электродом, ТИГ и МИГ/МАГ, а также проводить термообработку сварного соединения по заданной программе. Источник размещается за пределами камеры. Сварочные материалы и оборудование для выполнения работ подаются внутрь камеры в герметичных боксах. В верхней части камеры может располагаться переходной узел для ее стыковки с водолазным колоколом. Условия работы водолаза-сварщика в таких камерах хуже, чем в камерах, применяемых для сварки трубопроводов. Технология выполнения ремонтных работ зависит от глубины, конструкции ремонтируемого узла, технологических возможностей фирмы, удаленности ремонтируемого объекта от мест, где производятся такие камеры, и требований заказчика к срокам проведения работ.

Подготовка ремонтируемых поверхностей (очистка от обрастания) выполняется с применением механических щеток или струей воды высокого давления. Резка трубных элементов в воде производится с применением электрокислородной или экзотермической резки. Подготовка поверхностей под сварку (разделка кромок) осуществляется с использованием металлорежущего инструмента с гидравлическим или электрическим приводом. Герметизация трубных элементов, как и в случае сварки трубопроводов, выполняется уплотнителями, устанавливаемыми внутри труб.

Для выполнения ремонтных работ на плоских конструкциях, таких, например как борт судна или плавучего дока, создаются специализированные камеры, в которых размещается весь ремонтируемый участок объекта. Установка и герметизация такой камеры требует существенных трудозатрат. Технология ремонта такая же, как и при использовании специализированных накидных камер.

Исследования в области совершенствования технологий гипербарической сварки проводятся в ведущих институтах и исследовательских центрах [23]. Они направлены на совершенствование технологий сварки покрытыми электродами, МИГ/МАГ и ТИГ с использованием проволок сплошного сечения и порошковых проволок. Исследования направлены на оценку влияния давления, состава газовой среды и расхода защитных газов на перенос, окисление легирующих элементов, структуру и механические свойства металла шва в процессе сварки. В связи с тем, что новые месторождения нефти и газа в Мексиканском заливе и других регионах располагаются на глубинах более 500 м, были интенсифицированы работы по созданию автоматических систем сварки с дистанционным управлением. В настоящее время разработанные автоматические системы позволяют получить необходимые механические свойства соединений с высокой повторяемостью технических характеристик при использовании технологий ТИГ и МИГ/МАГ на глубине до 450 м [24-26].

Для строительства стационарных оснований и подводных трубопроводов применяются углеродистые и низколегированные стали с микролегированием (Аl, Тi, В и др.). Такие стали склонны к образованию структур закалки в ЗТВ в условиях гипербарической сварки, когда происходит существенный отбор теплоты в окружающую среду камеры, заполненную гелиокислородной смесью. С целью снижения вероятности образования холодных трещин в ЗТВ свариваемые конструкции подогревают до температуры 120 °С.

При гипербарической сварке необходимо различать два типа среды - среда сварочной камеры и среда (газовая смесь), подаваемая сварщику для дыхания. В связи с тем, что процесс сварки загрязняет окружающую среду (атмосферу камеры) сварщику необходимо носить маску и иметь независимую среду для дыхания. Надо также учесть, что для выполнения сварки необходимо выполнить целый ряд подготовительных работ. Существует также риск того, что сварщик может случайно вдыхать газовую среду камеры. Поэтому среда камеры должна быть пригодна для дыхания.

В составе газов, заполняющих камеру, жестко контролируется содержание азота (оказывает сильное наркологическое воздействие на организм человека, при попадании в зону горения дуги образуются оксиды азота) и аргона (при повышенном давлении оказывает сильное наркотическое воздействие на организм человека). В этом отношении гелий (хотя и очень дорогой) является газом, который приемлем для дыхания водолаза-сварщика на различных глубинах. Кислород необходим для дыхания сварщика и его концентрация в составе атмосферы камеры устанавливается с позиции биологической потребности и требованиями пожарной безопасности.

В случае если выдыхаемый сварщиком газ попадает в камеру, то концентрация кислорода и других газов может выйти за допустимые рамки. Газовая смесь, которую выдыхает сварщик, либо выводится за пределы камеры, либо в камере устанавливают систему регенерации атмосферы, которая контролирует концентрацию кислорода и других газов.

Процесс сварки характеризуется выделением в атмосферу камеры целого ряда соединений, таких как NО2, О3, СО, СО2 и различных видов пыли. Концентрация этих соединений в составе атмосферы камеры не должна превышать порога допустимых значений (ТLV). Кроме состава атмосферы внутри камеры контролируются такие параметры как влажность и температура. Повышенная влажность атмосферы камеры может привести к возникновению проблем, связанных с насыщением расходуемых материалов влагой и попаданием ее в зону горения дуги. Контроль температуры внутри камеры также оказывает существенное влияние на состояние здоровья сварщика в связи с тем, что в процессе дыхания при повышенном давлении гелий выносит из организма человека значительно больше теплоты, чем азот.

Существенные проблемы при сварке в гипербарических условиях возникают за счет повышенного давления и высокой теплопроводности газовой среды. Установлено, что независимо от используемых технологий, с увеличением глубины выполнения работ дуговой процесс дестабилизируется [27, 28]. Точка пересечения собственной характеристики источника питания сварочной дуги и характеристической кривой дуги в гипербарических условиях меняет свое положение по отношению к ее положению в нормальных условиях. Дуга в этих условиях характеризуется большим градиентом падения напряжения и высокой степенью обжатия. Поджиг дуги осложняется.

Повышенное давление оказывает существенное влияние на состав наплавленного металла [29]. Как отмечалось выше, в условиях повышенного давления дуга обжимается, снижается площадь анодного и катодного пятен, обжимается столб дуги, что в свою очередь повышает температуру в них. Обжатие дуги и повышение ее температуры оказывает влияние на геометрию и другие характеристики сварочной ванны (с ростом давления увеличиваются глубина проплавления и высота усиления, уменьшается ширина шва, изменяется поверхностное натяжение расплавленного металла и его подвижность, а также возрастает степень адсорбции газов). Повышение температуры дуги способствует интенсивному выгоранию легирующих элементов из металла шва. Снижается концентрация кремния и марганца в шве и возрастает количество их оксидов в шлаковой корке.

Для защиты зоны горения дуги при использовании технологий ТИГ и МИГ/МАГ применяют различные комбинации газов (Не, Не/СО2, Не/О2 в различных сочетаниях и др.). Оптимальное количество газа, подаваемого для защиты зоны горения дуги при сварке в гипербарических условиях, составляет ~10 л/мин [23]. Существенное влияние на ударную вязкость металла сварного соединения оказывает характер истечения потока защитного газа из сопла горелки. Турбулентный газовый поток, как и при сварке на воздухе, снижает ударную вязкость металла шва.

Технологии сварки покрытым электродом в гипербарических условиях применяются для сварки корневых швов, а в ряде случаев и для заполнения разделки. Для сварки используются покрытые электроды с основным видом покрытия. При их использовании возникает целый ряд технических и технологических трудностей. Как отмечалось выше, с ростом давления снижается жидкотекучесть сварочной ванны, и увеличиваются возмущения, вызванные магнитным дутьем, швы становятся более выпуклыми с более крутым переходом шва к основному металлу (значительно хуже удалять шлак). Водолазу-сварщику приходится использовать электроды меньшего диаметра по сравнению с электродами, применяемыми в аналогичных условиях при сварке на воздухе. Больше всего проблем возникает при выполнении многопроходных угловых швов и последнего, заполняющего разделку шва. Сварку приходится выполнять очень короткой дугой. Определенные проблемы возникают из-за высокой гигроскопичности основного покрытия электродов в условиях сварки в гелиокислородной атмосфере. При влажности в камере 90…98% скорость насыщения электрода парами воды до концентрации 0,2% составляет 2-3 минуты. Поэтому электроды в камере находятся в портативных печах (подогреваемых пеналах) или в вакуумной упаковке, что снижает вероятность их увлажнения. Нарушение условий хранения электродов в камере перед сваркой проводит к образованию холодных трещин в ЗТВ и пористости в металле шва.

Установлено, что при сварке с увеличением глубины выполнения работ наблюдается рост содержания углерода и кислорода в составе металла шва происходящий за счет восстановления элементов, содержащихся в покрытии электродов. Это вызывает повышенное выгорание марганца и кремния из сварочной ванны.

С увеличением давления наблюдается рост количества водорода в сварном соединении. Основная причина этого явления - воздействие давления на электрическую дугу. Это может оказать существенное влияние на стойкость соединений к образованию холодных трещин при сварке сталей с высоким углеродным эквивалентом и толстолистовых металлоконструкций.

Механические свойства сварных соединений полученных в гипербарических условиях с применением покрытых электродов находятся на уровне прочностных показателей основного металла.

Технология ручной сварки ТИГ в гипербарических условиях, как правило, применяется при выполнении корневого шва цилиндрических стыковых соединений, когда необходимо получить обратное формирование. Дальнейшее заполнение разделки выполняют покрытым электродом или механизированным процессом МАГ с использованием проволок сплошного сечения или порошковых проволок.

Установлено, что увеличение давления вызывает рост напряжения горения дуги. Рост рабочего напряжения способствует большему влиянию магнитного дутья на стабильность дугового процесса в особенности при давлении выше 0,8 МПа. Дуга становится неустойчивой. В ряде случаев для ее стабилизации на питающий дугу ток накладывают высокочастотную составляющую. Еще один путь решения вопроса - это использование внешнего магнитного поля (~140 Гс), которое воздействует на дугу [30-32]. Оно создается катушкой, намотанной вокруг неплавящегося электрода, на которую подается постоянный ток силой ~3 А. Использование внешнего магнитного поля позволило выполнить сварку ТИГ под давлением 2,1 МПа при силе тока 100 А. Дальнейшие эксперименты позволили установить, что положительные результаты обеспечиваются и при использовании переменного магнитного поля параметры, которого менялись по заданной программе.

С ростом давления увеличивается глубина проплавления основного металла. При этом ширина шва практически не меняется. Проведенные многочисленными исследователями эксперименты показывают, что в случае использования сварки ТИГ увеличение глубины выполнения работ мало влияет на механические свойства сварного соединения.

Технология сварки МАГ проволокой сплошного сечения имеет свои преимущества по отношению к сварке покрытыми электродами. Это высокая производительность за счет непрерывной подачи проволоки в зону горения дуги, саморегулирование дугового процесса и отсутствие шлака в реакционной зоне [33]. В гипербарических условиях эта технология обычно используется при сварке короткой дугой. В качестве плавящегося электрода применяют те же проволоки, что и при сварке на воздухе. При сварке на обратной полярности с увеличением давления дуговой процесс дестабилизируется, увеличивается глубина проплавления и разбрызгивание, возрастает содержание оксидов железа, кремния и марганца в газовой фазе (появляется бурый дым). При сварке на прямой полярности дуга более стабильна, что позволяет выполнять сварку на больших глубинах.

Технология сварки МАГ порошковыми проволоками вобрала в себя все преимущества, которые имеются у технологии сварки под водой проволоками сплошного сечения в защитных газах. Введение в сердечник стабилизирующих ингредиентов и лигатур позволяет выполнять сварку на глубине более 200 м. Наличие шлаковой фазы позволяет улучшить формирование шва, защиту расплавленного металла от взаимодействия с окружающей средой и обеспечивает более высокую степень повторяемости результатов. В металле сварного соединения снижается содержание водорода. Применение бесшовных порошковых проволок, специально разработанных для сварки в гипербарических условиях, позволяет выполнять сварку на более высоких режимах. Это дает положительный результат по сравнению с применением покрытых электродов, в случае использования, которых с увеличением глубины, необходимо снижать силу тока. Выполнение сварки на более высоких режимах в ряде случаев позволяет исключить из технологического цикла предварительный подогрев.

Были проведены исследования с целью определения влияния парциального давления кислорода, содержащегося в составе защитных газовых смесей (Не/СО2, Не/О2) на содержание кислорода в металле шва при сварке порошковыми проволоками, легированными марганцем и никелем [23]. Исследования проводились при различных парциальных давлениях кислорода (0,002 - 0,15 МПа) и углекислого газа (0,0015 - 0,20 МПа) на глубине до 100 м. Сварка выполнялась группой водолазов-сварщиков с различным опытом работы под водой. Как и предполагалось, повышение парциального давления кислорода в смесях Не/СО2, Не/О2 увеличивало концентрацию кислорода в металле шва. Исследования ударной вязкости металла швов, выполненных при давлении 0,6-1,0 МПа (температура испытаний -20 ?С), показали высокие значения показателей поглощенной энергии удара (52-107 Дж) в зависимости от используемой защитной смеси. Эти значения достаточно высоки и соответствуют требованиям стандартов, предусмотренных для конструкций, сооружающихся в открытом море.

Вот уже более 20 лет проводятся исследовательские работы по разработке автоматизированных систем, позволяющих сократить время пребывания водолаза сварщика в гипербарических условиях [24-26]. Наиболее часто используется технология сварки ТИГ в сочетании с орбитальными системами, апробированными на глубине до 230 м. Разрабатываются комплексы, позволяющие осуществлять полностью автоматическую сварку в гипербарических условиях с дистанционным управлением всеми процессами с поверхности моря. Надо отметить, что все подготовительно-заключительные работы, связанные с установкой камеры на ремонтируемый объект, зачисткой места сварки, вырезкой дефектного участка, заменой расходуемых материалов, контролем полученного соединения и его гидроизоляцией осуществляют водолазы.

Добываемые нефть и природный газ содержат в своем составе значительное количество Н2S и СО2, которые способствуют развитию коррозионных дефектов в трубопроводах. В связи с этим в настоящее время проводятся исследовательские работы, направленные на разработку технологий и оборудования для сварки на больших глубинах материалов, обладающих повышенной коррозионной стойкостью [34-36]. К таким материалам относятся плакированные стали и дуплексные нержавеющие стали. Проверяются возможности использования для их сварки технологий ТИГ и плазменно-дуговой сварки МИГ. Экспериментальные работы ограничены в настоящее время глубиной в 30 м. Сварка выполняется в горизонтальном положении.

В практике ремонта подводных переходов в бывшем СССР сухая сварка почти не применялась, за исключением ремонта нефтепровода Александровское-Анжеро-Судженск в месте его перехода через реку Обь (674 км) [37]. Оба дефекта трубы диаметром 1020 мм с толщиной стенки - 16 мм из стали 18Г2АФ, располагались близко друг от друга в районе судового хода, где скорость течения воды достигала 0,7-0,9 м/с. В связи с этим, работа могла выполняться только в зимнее время со льда. Участником выполнения этой работы был автор этой статьи. Работа выполнялась в два этапа.

На первом этапе в феврале-марте 1979 года в сухой камере заварена трещина кольцевого сварного шва. Видимая длина трещин - 250 мм. Глубина выполнения работ - 6 м. После размыва грунта, удаления футировки и гидроизоляции на дефектный участок трубы был установлена камера изготовленная из части стальной емкости размером 1800 х 1500 х 2200 мм. Размеры камеры не позволяли свободно маневрировать со сварочным оборудованием, так как расстояние от наружной поверхности трубы до стенки камеры в нижней части не превышало 60 см. Камера крепилась к трубе при помощи двух скоб. Уплотнение на трубе осуществлялось с помощью двух фланцев. Вода отжималась сжатым воздухом, подаваемым с поверхности компрессором. Сварочный аэрозоль из зоны горения дуги удалялся с использованием местной вытяжки. Вход и выход водолазов, подача необходимого инструмента и приспособлений, кабелей и шлангов выполнялась через нижнюю его часть. Дефектный участок (400 х 650 мм) вырезался с применением газокислородной резки. Для подготовки разделки под сварку использовался абразивный инструмент. В образовавшееся отверстие была введена заплата с подкладкой. После фиксации заплаты на внутренней поверхности трубопровода с применением мокрой механизированной сварки был выполнен корневой шов. Затем разделка заполнялась с использованием покрытых металлических электродов в воздушной среде. Перед сваркой проводился предварительный подогрев трубы. Электроды в зону работ подавали в герметичной емкости. Сварка выполнялась в снаряжении типа СВУ с аппаратом АВМ-1М. Незначительный объем воздуха в баллонах позволял сварщику выполнять в рабочий день только два спуска общей продолжительностью 2 часа. В сухом пространстве водолаз-сварщик находился в водолазном снаряжении и аппарате. Общая продолжительность сварочных работ под водой составила более 25 часов. Суммарное время, затраченное на изготовление камеры, ее монтаж и выполнение сварочных работ, составило 65 суток. После ультразвуковой дефектоскопии полученного сварного соединения и гидравлических испытаний трубопровода было установлено, что труба имеет еще один дефект.

Второй этап проведения ремонтных работ осуществлялся в феврале-марте 1980 года. Учитывая опыт предыдущей экспедиции, работа была организована таким образом, что размыв грунта был проведен в летне-осеннее время. В этом случае зачистка трубы и установка кессона была осуществлена за 10 рабочих дней. Подводные работы были организованы таким образом, что сварщик имел возможность находиться в кессоне более длительное время. Использовался аппарат ШАП-62. Воздух водолазу по шлангу подавался из транспортного баллона. Видимая часть дефектного участка монтажного стыка составляла 200 мм. Трещина, как и в первом случае, располагалась от 13 до 14,30. Технология выполнения сварочных работ была такая же, как и в случае ремонта предыдущего стыка. Меньший вес и размеры водолазного снаряжения, а также возможность работы под водой 3-5 часов без выхода на поверхность позволили выполнить сварочные работы за 10 часов, с учетом нагрева трубы и зачистки швов.

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

По нашему мнению, технология сварки в сухой камере, вмещающей в себя как сварщика, так и сварной узел, будет и в дальнейшем использоваться для сборки и ремонта под водой ответственных гидротехнических сооружений, таких как высоконапорные трубопроводы и отдельные элементы стационарных оснований, а также в случае низкой прозрачности воды.

Мы предполагаем увеличение объемов выполнения ремонтных работ с использованием новых покрытых электродов с улучшенными сварочно-технологическими свойствами. При незначительных объемах сварочных работ применение электродов предпочтительно в случае получения адекватных с механизированным способом прочностных показателей.

Приведенные материалы позволяют сделать заключение о высокой эффективности технологии мокрой механизированной сварки самозащитными порошковыми проволоками. Качество выполнения работ во многом зависит от уровня подготовки специалистов. Разработанные и испытанные на практике технологические решения, позволяют быстро и эффективно ремонтировать корпуса судов и другие гидротехнические сооружения, выполняемые с минимальными затратами труда.

Список использованной литературы
1. Патон Б. Е., Савич И. М. К 100-летию сварки под водой / Автомат, сварка. - 1987. - № 12. - с. 1-2.
2. Хренов К.К. Электросварка под водой // Сварщик. - 1933. - № 1. - с. 23-24.
3. Хренов К.К. Подводная электрическая сварка и резка металлов. - М.: Военное изд-во Мин-ва Вооруженных Сил СССР, 1946. - 160 с.
4. Новожилов Н.М. Автоматическая сварка под водой в окислительной атмосфере // Свароч. пр-во. - 1956. - № 2. - с. 13-15.
5. Мадатов Н. М. Подводная сварка и резка металлов. - Л.: Судостроение, 1967. - 164 с.
6. Савич И.М. Подводная сварка порошковой проволокой / Автомат. сварка, - 1969. - № 10, - с.70.
7. Кононенко В. Я., Рыбченков А. Г. Опыт мокрой механизированной сварки самозащитными порошковыми проволоками при ремонте под водой газо- и нефтепроводов / Автомат, сварка. - 1994. - № 9-10. - с. 29-32.
8. Кононенко В. Я., Грицай П. М.. Семенкин В. И. Применение мокрой механизированной сварки при ремонте корпусов судов / Автомат. сварка, - 1994. - № 12. - с. 35-38.
9. Кононенко В.Я., Ломакин Н.Н. Применение подводной механизированной сварки самозащитными порошковыми проволоками при ремонте судов и гидротехнических сооружений / Автомат. сварка, - 1996. - №4 - с. 36-39.
10. Rowe M. and Liu S.: "Recent development in underwater wet welding", Scienze and Technology of Welding and Joining 2001, Volume 6, Number 6, ISSN 1362-1718 - IoM Communications Ltd
11. Кононенко В.Я. Технологии подводной сварки и резки. - Киев Экотехнология, 2004. - 135 с.
12. АО «Электродный завод» // Электроды сварочные (каталог) Санкт-Петербург. 1997.
13. Музрин В.В., Руссо В.Л. Ручная подводная сварка конструкций из стали повышенной прочности // Сварочное про-во. - 1993. - № 1 - С. 9-12.
14. А.с. 1706821. Электрод для сварки низкоуглеродистых сталей / И.М. Савич, И.В. Ляховая, С.Ю. Максимов, В.Я. Кононенко/ Опубликовано 22.09.1991 г.
15. Максимов С.Ю. Разработка электродов для подводной мокрой сварки во всех пространственных положениях конструкционных сталей с ?т до 350 МПа. Автореф. дис. канд. тех. наук. - ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины. - Киев 1996. - 18 с.
16. V.Ya. Kononenko Technologies of underwater wet welding and cutting E.O. Paton Welding Institute, NASU. 2006. - 156 p.
17. Ibarra S., Grubbs CE, Liu C.: "State of the art and practice of underwater wet welding of steel", - International Workshop on Underwater Welding of Marine Structures, New Orleans, Louisiana, December 7-9, 1994.
18. Pett M. "Wet Welding - Significant advances in quality", Welding & Metal Fabrication, April 2000 - Dmg World Media
19. Advanced test of wet welded joints / I. Pachniuk, H. Petershagen, R. Pohi et al. // Proc. Fourth Int. Offshore and Polar Engineering Conf. Osaka, Japan. April 10-15, 1994. - Osaka, 1994. - P. 99-106.
20. Liu S., Olson D., Ibarra S. Electrode formulation for underwater Welding // Proc. Int. Conf. on Underwater Welding (New Orleans, March 20-21, 1991). - Miami: AWS, 1991. - P. 98-119.
21. Кононенко В.Я. Технология мокрой механизированной сварки при строительстве МЛСП «Приразломная» / Автомат. сварка. - 2005. - № 9. - с. 37-39
22. Кононенко В.Я. Применение технологии механизированной подводной сварки при строительстве МЛСП «Приразломная» / Автомат. сварка. - 2005. - № 12. - с. 53.
23. F. Lezzi "Principali problemi nella soldatura subacguea" Riv. Ital. Soldatura. № 1 - Gennaio/Febbraio 2007.
24. Rougier R.: "Automatic hyperbaric welding with thor-2", Proceedings of the 10th International Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference, 1991, Vol. III. pp. 159-162, ISBN 0-7918-0119-3
25. Hutt G.,Pachniuk L.: "Progress in controlled hyperbaric pipeline tie-Ins", Proc. of the 12th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 1993. Vol. III. A. pp. 167-174, ISBN 0-7918-0785-1.
26. J.O. Berge, T. Harbrekke, H.O. Knagenhjelm: "Automation in underwater hyperbaric pipeline welding", Proc. of the 10th International Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference, 1991. Vol. III-A. pp. 163-167, ISBN 0-7918-0719-3.
27. Dick O., den Ouden G.: "The effect of pressure on the TIG welding process", Proc. International Offshore of International Institute of Welding (IIW) in Trondheim, 27-28, June 1993. pp. 155-162.
28. Allume C.J.: "Effect on pressure on arcs", Proc. of the international Conference of the International Institute of Welding (IIW) in Trondheim, 27-28. June, 1983, pp. 171-178.
29. Bailey N.: "Welding under water - a metallurgical appraisal". Proc. in the First (1991) International Offshore and Polar Engineering Conference, Edinburgh. UK:, 11-16. August 1991, pp. 331-338 (Vol. IV) ISBN 0-9626104-5-3 (set).
30. Richardson I.: "Deflection of a hyperbaric plasma arc in a transverse in a transverse magnetic field" Proc. of the 12th. International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 1993. Vol. III. A. S 155-166, ISBN 0-7918-0785-1.
31. Hoffmeister H., Epler U., Ludwig J.: "Effect of electromagnetic fields on convection and penetration in hyperbaric TIG welding of X6CrNiTi 18 10". Proc. of the 10th International Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference, 1991. Vol. III-A. pp. 155-158, ISBN 0-79180-719-3.
32. Suga Y.: "The effect of magnetic field on stabilization of TIG arc welding under hyperbaric helium atmosphere", Proc. of the Firs (1991) International Offshore and Polar Engineering Conference, Edinburgh, UK, 11-16. August 1991, pp. 325-330 (Vol. IV) ISBN 0-9626104-5-3 (set).
33. Drangelates U., Bouaifi B., Bartzch J Schutzgasschweiben fur die underwasserfertigung // Schwelssen und SCHNEIDEN 1997. - N 12. - P. 909-914.
34. Olsen J.M., dos Santos J.F., Richardson I.M.: "Effect of process parameters on metal transfer of hyperbaric GMAW of duplex steels' Proc. of the Fourth (1994) International Offshore and Polar Engineering Conference, Osaka, Japan, 1994. pp. 107-111, ISBN 1-880653-10-9 (set).
35. Ware N., Dos Santos J. F. Richardson I. M.: "Effect of shielding gas composition on the properties of hyperbaric GMA welds in duplex steel", Proc. of the 13th. (1994) International Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference, OMAE 1994. pp. 369-377. Vol. III.
36. Dos Santos J. F. Richardson J. M.: "Process related aspect of hyperbaric GMAW of duplex steels". Proc. of the 4th International Conference Duplex 94 Stainless Steels, 13 - 16 Nov. 1994, Glasgow Scotland.
37. Ремонт нефтепровода под водой с помощью сварки // В.Х. Галюк, К.А. Забела, В.Я. Кононенко и др.// Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. - 1981. - № 12. - с. 22-24.