Статьи

Энциклопедический справочник «МАШИНОСТРОЕНИЕ» (389-392)

Кононенко В.Я., Савич И.М. Оборудование для сварки и резки под водой / Машиностроение. Энциклопедия Том IV-6. М.: Машиностроение - 1999. - с. 389-392.
Первичная электронная версия.

Основными способами сварки, используемыми под водой, являются способ сухой сварки, когда свариваемые узлы и сам сварщик находятся в газовой среде, промежуточный способ сварки, когда осушается только зона, в которой горит дуга и небольшое пространство вокруг нее, а сам водолаз находится в воде и способ мокрой сварки, когда свариваемое изделие, дуга и сам сварщик находятся непосредственно в воде. В странах СНГ в основном применяется способ мокрой сварки штучными электродами и самозащитными порошковыми проволоками.

МОКРАЯ СВАРКА ШТУЧНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ

Пост ручной сварки штучным электродом состоит из источника питания, электрододержателя, рубильника и сварочных кабелей.

В качестве источников питания дуги используются сварочные преобразователи и выпрямители с повышенным напряжением холостого хода /70...90В/. Наиболее широко используются при подводной сварке и резке при отсутствии электрической сети автономные однопостовые сварочные агрегаты ПАС-400-УI и ПАС-400-УIII. Эти агрегаты обеспечивают повышенное напряжение холостого хода /до 100В/. Пределы регулирования сварочного тока 120…600А при ПР - 45%. Разработаны и внедряются в производство новые однопостовые сварочные агрегаты с дизельным приводом АДД-4001-Т1 и АДД-4002-Т1 на раме и одноосном прицепе. Пределы регулирования сварочного тока 60…450А при напряжении горения дуги 36В.

Разработан и освоен выпуск сварочного преобразователя с карбюраторным двигателем АДД-3112-Т1 на одноосном прицепе. Пределы регулирования сварочного тока 30…350А при напряжении на дуге 32В. Все вышеперечисленные агрегаты имеют падающую внешнюю вольтамперную характеристику и могут быть использованы при сварке и резке штучными электродами и электрокислородной резке на глубине до 60 м. Для сварки на больших глубинах необходимы сварочные преобразователи с более высоким напряжением холостого хода, т.к. в этом случае кроме увеличения напряжения горения дуги необходимо компенсировать падение напряжения в удлиняющейся сварочной цепи. Для этой цели рекомендуется использовать универсальный преобразователь АСУМ-400, имеющий жесткую и падающую внешние вольтамперные характеристики и повышенное напряжение холостого хода. Все вышеперечисленные источники питания дуги выполнены в морском исполнении. При отсутствии этих источников питания при сварке на малых глубинах до 30 м возможно использование сварочных преобразователей типа ПС-500 или ПСУ-500, а также сварочных выпрямителей типа ВДУ-501,ВДУ-502, ВДУ-503, ВДУ-504, ВДУ-505, ВДУ-601 или ВДУ-602.

Для подводной сварки штучным электродом используется электрододержатель ЭПС-2, рассчитанный на применение электродов диаметром 2…6 мм и на максимальный ток 400А.

В сварочной цепи применяются кабели, имеющие усиленную изоляцию, стойкие к морской воде и нефтепродуктам марок РШМ и НРШМ сечением 50…95 мм.

Последовательно включается в сварочную цепь однополюсной рубильник, рассчитанный на разрывной ток 400 А. Рубильник располагается рядом с оператором.

МОКРАЯ МЕХАНИЗИРОВАННАЯ СВАРКА

Пост механизированной сварки под водой состоит из источника питания дуги, полуавтомата, сварочных кабелей и кабеля цепи управления.

Для механизированной сварки, в отличии от ручной, применяют источники питания с жесткой внешней вольтамперной характеристикой типа ВДУ-501, ВДУ-502, ВДУ-503, ВДУ-504, ВДУ-505, ВДУ-601, ВДУ-602, ВС-500, ВС-600 и преобразователь АСУМ-400. Для сварки на глубине до 20 м возможно использование преобразователей ПСГ-500 и ПСУ-500. Механизированная сварка выполняется на обратной полярности (плюс на электроде).

Механизированная сварка самозащитными порошковыми проволоками осуществляется специальными полуавтоматами марок А1660, А1450, ПШ-141 и ПШ-156, разработанных Институтом электросварки им. Е.О.Патона АН Украины. В конструкции перечисленных полуавтоматов имеются агрегаты и узлы, выполняющие аналогичные функциональные задачи и отличающиеся друг от друга только совершенством и надежностью исполнения.

В состав полуавтоматов входят:

Шкаф управления предназначен для пуска и остановки подачи порошковой проволоки, плавного регулирования ее скорости, а также подачи сигналов появления возможных неполадок в электрической цепи. На передней панели шкафа расположены приборы, обеспечивающие контроль за параметрами сварочного процесса. В аппаратном шкафу располагается также электросхема, обеспечивающая заданную скорость вращения электродвигателя подачи электродной проволоки независимо от возникающей при этом нагрузке.

Погружной контейнер полуавтомата изготовлен из диэлектрического материала. В контейнере располагается электродвигатель подачи электродной проволоки с понижающим редуктором, подающий механизм и катушка с электродной проволокой. Электродвигатель и редуктор размещены в стальном стакане с герметичным вводом проводов цепи управления. Стакан заполняют диэлектрической жидкостью (полисилоксан, керосин и др.), а на одной из его стенок размещена подвижная мембрана, способная передавать увеличивающееся с погружением полуавтомата на большие глубины гидростатическое давление на жидкость которая, благодаря растворенным в ней газам, слегка сжимается. Такое устройство гидрокомпенсатора позволяет эксплуатировать полуавтомат во всем диапазоне глубин континентального шельфа. Внутренняя полость контейнера заполнена водой. Однако благодаря герметичному уплотнению разъема между корпусом и крышкой контейнера токи утечки и рассеивания отсутствуют.

Гибкий шланг с держателем общей длиной до 3 м выполнен в виде гибкого элемента, в котором располагается стальная спираль или пластиковая трубка, по которой проволока подается к медному контактному наконечнику держателя. В случае сварки в условиях с ограниченной видимостью на контактный наконечник надевается диэлектрический чехол. Четырехжильный кабель цепи управления сечением жил не менее 2,5 мм с центральным разгрузочным тросом обеспечивает подачу напряжения с блока управления на двигатель подачи электродной проволоки. Кабель вводится в погружной контейнер через герметичный ввод.

Комплект сварочных кабелей марки НРШМ сечением 70…95 мм соединяют источник питания, шкаф управления и шланговый держатель. Стандартная длина - 60 м. При необходимости, длину сварочной цепи можно нарастить, однако стабильность процесса в этом случае ухудшается из-за увеличения активного, реактивного и емкостного сопротивления сварочной цепи и снижения возможностей источника питания по отработке возмущений, связанных с изменением вылета электрода и длины дуги. Сварочные кабеля ЗАПРЕЩЕНО при работе укладывать в бухты или наматывать на вьюшки из-за значительного увеличения индуктивного сопротивления сварочной цепи.

Полуавтомат ПШ-141 и ПШ-156 являются усовершенствованной моделью, имеющей значительные преимущества по сравнению с предыдущими образцами. При его создании учтен опыт эксплуатации полуавтоматов в различных условиях. Так погружной контейнер в воде весит всего 7 кг, а форма его удобна для переноски. Стальная спираль в гибком шланге держателя заменена пластмассовой трубкой, что повышает надежность аппарата и упрощает уход за ним. В аппаратном шкафу размещен блок защиты электропривода полуавтомата, своевременно сигнализирующий о наличии неисправности в цепи и эффективно защищающий элементы электросхемы от перегрузок и коротких замыканий. Подающий механизм имеет планетарный редуктор и две пары приводных роликов, позволяющих развивать достаточное усилие проталкивания порошковой проволоки со скоростью 0,027…0,14 м/с по шланговому держателю, не деформируя ее оболочки. На катушку наматывается до 3,5 кг сварочной проволоки. Этого количества достаточно для выполнения сварки на токе 180…220 А в течение 2 часов. Технические характеристики полуавтоматов для подводной сварки приведены в таблице 1.

СУХАЯ СВАРКА ПОД ВОДОЙ

Во многих странах для сварки трубопроводов под водой применяются накидные камеры, в которых размещается как сам дефектный участок трубопровода, так и сварщики с набором механизированного инструмента и монтажных приспособлений. После проведения сварки соединения подвергаются дефектоскопии. При отсутствии дефектов в шве на ремонтируемый участок наносится гидроизоляция. Для сварки трубопроводов используются специализированные камеры, рассчитанные на несколько типоразмеров труб. Обычно для выполнения сварочных работ используется то же оборудование, что и при сварке на воздухе. Оно устанавливается в специализированные контейнеры, размещенные непосредственно в камере. Источник питания размещается либо на обеспечивающем судне, либо непосредственно в камере. Обработка кромок перед сваркой выполняется многорезцовыми головками, а зачистка швов осуществляется абразивными кругами. Для выполнения ремонтных работ на стационарных основаниях используются накидные камеры, изготавливаемые для каждого ремонтируемого узла. Стоимость изготовления составляет 300…500 тыс $ США. В камерах применяется такое же боксированное оборудование, как и при ремонте трубопроводов в специализированных накидных камерах. Этот способ ремонта трубопроводов и стационарных оснований позволяет получить высокое качество сварного соединения, однако стоимость ремонта одного стыка составляет 600…1500 тыс. $.

Наиболее целесообразно использовать способ сухой сварки на глубинах более 60 м, при наличии значительных илистых отложений, а также при плохой видимости и при скорости течения более 0,7 м/с. Способ сухой сварки был использован с странах СНГ при ремонте подводного перехода нефтепровода Александровское-Анджеросудженск через реку Обь. Работы выполнены с применением оригинальной технологии, разработанной и внедренной сотрудниками ИЭС.

СПОСОБ С ЛОКАЛЬНЫМ ОСУШЕНИЕМ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ

Способ с локальным осушением рабочей зоны осуществляется с применением специализированной миникамеры. Обеспечивается удовлетворительная видимость процесса. В камеру подается углекислый газ или его смесь с кислородом. Камера прижимается водолазом к ремонтируемому участку. Уплотнение осуществляется по торцу мягкой резиновой прокладкой. Внутри камеры размещен держатель, по которому в зону сварки подается электродная проволока и дополнительные защитный газ. При использовании этой камеры обеспечивается удовлетворительное качество сварных соединений. Выполнение работ с использованием этой камеры требует очень высокой квалификации водолаза. В странах СНГ этот способ не применяется.

РЕЗКА МЕТАЛЛОВ НЕПОСРЕДСТВЕННО В ВОДЕ

Основным способом подводной резки, применяемым в странах СНГ, является электрокислородная резка металлическим трубчатым электродом. В состав поста для электрокислородной резки входят следующие элементы:

Пост предназначен для выполнения работ на глубинах до 60 м. За исключением кислородного баллона и держателя, применяется то же оборудование, что и при сварке под водой штучным электродом. Скорость электрокислородной резки с использованием электродов ЭПР-1 при резке стального листа 20 мм достигаемая опытным водолазом-резчиком доходит до 20 м/час.

МЕХАНИЗИРОВАННАЯ БЕСКИСЛОРОДНАЯ РЕЗКА

В состав поста для механизированной бескислородной резки входит следующее оборудование:

Для подводной механизированной электропорошковой резки ИЭС им. Е.О.Патона АН Украины разработан специализированный полуавтомат типа ПШ-131, имеющий некоторые общие узлы с аппаратами для подводной сварки. Он также имеет контейнер из диэлектрического материала, гидрокомпенсатор давления, шланговый держатель и т.д. Однако его электропривод создан на базе асинхронного двигателя имеющего постоянную частоту вращения 1500 об/мин. Изменение скорости подачи электродной проволоки ступенчатое с помощью сменных шестерен. Как правило, режимы подводной резки не должны изменяться в течение одного спуска, и хотя водолаз стремится увеличить ток, чтобы быстрее закончить работу, он вынужден, благодаря конструкции аппарата, выполнять весь объем резки на оптимальных режимах. Это ограждает источник питания от серьезных перегрузок. Этой же цели, а также значительному упрощению процесса и снижению требований к квалификации водолаза-резчика служит установленная на токоподводящем наконечнике держателя специальная керамическая насадка, позволяющая выполнять резку методом опирания.

Для резки черных и цветных металлов используется порошковая проволока ППР-АН2 диаметром 2,2…2,4 мм. Скорость, при резке металла толщиной 20 мм, доходит до15 м/ч. Одной кассеты порошковой проволоки достаточно для ведения процесса в течение 45…50 мин. С ростом глубины производительность процесса снижается, т.к. возрастают потери в сварочной цепи с увеличением ее длины.

ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ РЕЗКА

Для плазменно-дуговой резки под водой разработана специализированная установка типа "Скат", обеспечивающая резку в пресной и морской воде металла толщиной 8…40 мм на глубинах до 20 м. В качестве плазмообразующего газа используется воздух. Ток на плазмотроне с цирконовым катодом 200…600А при напряжении на дуге 120…250 В. Скорость резки в зависимости от глубины и толщины разрезаемого металла составляет 5…24 м/ч.

В состав установки входит источник питания, пульт управления, компрессор, система осушения воздуха, система охлаждения плазмотрона, гирлянда кабелей и коммуникаций, а также плазмотрон.

Наиболее эффективна плазменно-дуговая резка при разделке корпусов судов на лом, т.к. мощность, необходимая для работы установки, доходит до 100 кВт. Сложность эксплуатации оборудования и ограниченный ресурс работы плазмотрона не позволили широко внедрить этот способ при проведении подводно-технических работ.

ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

В последние годы за рубежом разработано оборудование и технологический процесс экзотермической резки металлов и неметаллов под водой. В комплект оборудования входит следующее оборудование:

При использовании этого способа возможна резка металла и неметаллических материалов толщиной до 150 мм на глубине до 300 м. Производительность процесса, в зависимости от условий работы, глубины и толщины разрезаемого металла составляет от 3 до 30 м/ч.

В настоящее время в ИЭС разработан аналогичный комплект оборудования и новые экзотермические электроды с более высокими эксплуатационно-технологическими свойствами.

Для защиты глаз водолаза-сварщика от действия электрической дуги применяются защитные стекла типа ТС-3, класс светофильтра ЭС-100, классификационный номер 3 при сварке в воде с видимостью до 50 см и ЭС-300, классификационный номер 2 - при сварке в воде видимостью более 50 см. Возможно также применение защитных светофильтров марки ТС-1 и ТС-2, классов В-1, В-2 и В-3, классификационные номера 3, 4.

При работе в трехболтовом водолазном снаряжении защитные стекла устанавливаются в специальных откидных приспособлениях, прикрепляемых к переднему иллюминатору при помощи обоймы.

При подводной сварке для зачистки места сварки и швов, а также для удаления наплывов, брызг металла, шлака и других дефектов водолаз-сварщик должен иметь проволочную щетку, ручной молоток-секач, зубило и щуп для проверки зазоров и правильности подгонки привариваемых листов и заплат.

При сварке трубопроводов и других гидротехнических сооружений ответственного назначения подготовка поверхности под сварку и последующая зачистка швов должна производиться с помощь шлифовальной машинки типа ИП2014А. К машинке необходимо иметь набор металлических щеток и армированных абразивных кругов толщиной 3…6 мм. Возможная глубина, на которой можно выполнять работы, 30 м. Избыточное давление в системе 0,5…0,8 МПа.