0引言海底管线维修是一项复杂而庞大的工程,最初依靠潜水员入水检查并实施作业,从20世纪7 0年代开始,英、美等国开始发展各种水下管线维修装置,目前已趋向成熟<1>。与国外相比, 我国在技术、设备等方面还有不小差距,我国还没有能够实施水下管线维修的作业装置,水下管线 的维修工作几乎都委托给国外的工程公司进行,维修费用昂贵。因此,开展水下焊接技术的研究, 开发具有自主知识产权的水下管线维修设备非常必要。为此,国家科委“十五”期间资助了“水下 干式管道维修系统”研究课题,该项目是国家863计划重大专项“渤海大油田勘探开发关键技术 ”所属专题“海底管道修复技术”中的一项课题。笔者单位承担了“水下干式高压焊接”子课题的 研究工作,主要研究内容包括高压焊接试验装置和高压焊接机器人的研制,并在此基础上开展高压 焊接工艺研究。本文针对前期的高压焊接试验装置开展研究。1水下干式高压焊接试验装置总体设 计1.1水下干式高压焊接试验装置的设计目的水下干式高压焊接是为了更好地解决水下常压焊接 密封问题而提出的,采用与水深相适应的压力环境,解决了动态密封问题,降低了试验舱的密封要 求。水下高压干式焊接与常规焊接相比,焊接条件有重大差别,焊接水深或环境压力对焊接电弧的 影响不容忽视。对高压环境下电弧行为的研究是了解高压干式焊接过程的特点、开发相应的焊接材 料和获得良好焊接接头的关键。水下高压干式焊接时,焊接电弧主要受环境压力的影响,水深每增 大10m相当于压力增大0·101MPa,可以设想,随着压力增加,单位体积的气体分子数量 增加,足以改变电弧的结构。另外,还需要进行环境安全性研究,如研究高压下气体的浓度比例( 在焊接电弧的作用下是否发生爆炸现象),以确保现场维修人员的安全;通过高压焊接试验,考核 焊接机器人的可靠性、可操作性,确保海上管线维修的顺利进行,降低焊接设备成本。基于上述考 虑,为了降低水下焊接试验成本,课题组投入数百万元资金,研制了高压焊接试验装置,在陆地上 模拟水下干式高压焊接的实际情况,开展了高压下焊接工艺的研究、现场安全性研究、焊接设备的 可靠性和可操作性研究。1.2设计要求设计要求如下:①舱内气体压力0·11~0·70MP a,无级可调;②舱内气体成分可以根据需要调配(根据压缩空气的爆炸试验而定);③由于在试 验舱内进行大量的高压焊接工艺试验,试件更换频繁,因此舱门必须开启方便;④在舱体密闭的情 况下能观察内部的焊接过程;⑤焊接试验过程中人无法进入舱内,故要求试验设备自动化程度高; ⑥TIG焊接保护气单独送入。1.3高压焊接试验装置的设计内容根据高压焊接实验室的设计要 求和目的,高压焊接试验装置应该包括高压环境气体调配储罐、高压焊接试验舱、压缩机、配气站 、焊接保护气、储罐采样箱、试验舱采样箱等(图1)。图1高压焊接试验装置组成高压环境气体 调配储罐为试验舱提供试验环境的高压焊接气体,由压缩机提供高压空气,由配气站的汇流排提供 氩气等保护气体,二者的比例不同可获得不同成分的高压焊接气体。通过储罐采样箱检验各种气体 指标,进而可以开展各种成分的焊接气体在不同压力下的可燃性、易爆性研究以及焊接质量研究。 为了能够开展焊接试验研究,高压焊接试验舱设计为开合式,接受储气罐提供的气体和焊接保护气 体,形成压力可控的焊接试验舱。根据试验要求,试验舱不仅有气体环境检测装置,而且还有焊接 设备的摄像监视和熔池观测设备。1.4高压焊接试验装置结构设计环境气体调配储罐和高压焊接 试验舱属于压力容器。环境气体调配储罐的工作压力为8·0MPa(设计压力为9·5MPa) ,属于一、二类容器,可依据GB150-98《钢制压力容器》进行设计。参考国外高压焊接工 艺研究试验装置<2>,初定高压焊接试验舱为带有2个椭圆形封头的卧式压力容器,试验舱筒体 部分固定不动,但要求其中一个封头能往复直线运动。试验舱设计压力1·5MPa,设计温度100℃,筒体内径小于1600mm,腐蚀裕量2mm,筒体材料16MnR,焊缝系数1·0,舱内容积5·5m3,工作介质为氩气和空气。试验舱的安全使用寿命依据JB4732-95《钢制压力容器—— —分析设计标准》进行设计,疲劳分析的设计寿命为15年,操作次数为1500次/年,总循环次数为22500次。由此,可对试验舱的筒体壁厚、椭圆形封头、卧式支座、接管和法兰等进行疲劳分析并进 行设计计算,据此设计出的高压焊接试验装置如图2所示。图2高压焊接试验装置2高压焊接试验 装置的控制系统设计2.1高压焊接试验装置的控制流程高压焊接试验包括储罐配气、试验舱充气 、焊接、气氛环境参数测量、排气等五个主要过程。(1)储罐配气储罐配气的目的是调配压力水 平和组分体积比例符合要求的混合高压气体。根据混合气体理论,组分体积与组分压力成正比,采 取的配气策略是,首先充入Ar/N2直至设定的分压水平,关闭电动球阀DDQF-001/2 ,启动压缩机YSJ-001充入空气直至设定的总压力水平。压力水平控制由压力表YLT-0 01和压力变送器YLB-001实现,安全阀AQF-001实现储罐安全保护,球阀QF-0 02用于储罐排污,与电动球阀DDQF-001/2对应的汇流排高压气瓶组、低压气瓶组分别 用于补气和主充气。(2)试验舱充气试验舱充气之前,活动封头在往复液压缸作用下闭合,卡箍 在旋转液压缸作用下旋转锁紧。开启电磁阀DCF-003,高压气体压紧密封圈,实现可靠密封 ;开启电磁阀DCF-005,高压气体通过减压器JYQ-004由储罐充入试验舱,当试验舱 内气体达到设定的试验压力水平时,关闭电磁阀DCF-005。压力表YLT-002和压力变 送器YLB-002实现压力水平控制,针阀ZF-001实现焊接时试验舱内部介质的流动并使 压力维持在设定水平,安全阀AQF-002实现试验舱安全保护,电磁阀DCF-006实现焊 接完毕的试验舱排气,球阀QF-004用于试验舱排污。通过密封圈实现试验舱活动封头与舱体 的密封,密封圈充气胀紧实现高压密封,电磁阀DCF-004用于密封圈排气以释放密封。(3 )焊接焊接时,保护气体不通过焊接电源,而是直接送入高压焊接试验舱内轨道焊机的焊枪。具体 实现形式是,2个保护气瓶通过电磁阀DCF-008、DCF-009分别给焊枪送入内层保护 气体、外层保护气体。(4)气氛环境参数测量相对于储罐和试验舱,温度和湿度变送器、氧浓度 变送器、臭氧浓度变送器均不能承受高压。根据混合气体理论,混合气体组分比例不随环境压力变 化而变化,温度和湿度等参数也应基本不随环境压力变化而变化,故测量气氛环境参数采取如下方 案:高压气体通过减压器进入容积相对于储罐、试验舱容积可忽略不计的小型环境气体采样箱,从 安装在环境气体采样箱上的有关测量器件获取温度和湿度、氧浓度、臭氧浓度等参数。与储罐气氛 环境参数测量配套的阀门仪表包括减压器JYQ-003、电磁阀DCF-001、电磁阀DCF -002、温度和湿度变送器WSB-001、氧浓度变送器YNB-001;与试验舱气氛环境 参数测量配套的阀门仪表包括减压器JYQ-005、电磁阀DCF-007、针阀ZF-001 、温度和湿度变送器WSB-002、氧浓度变送器YNB-002、臭氧浓度变送器CYN-0 01。(5)排气焊接完毕,通过电磁阀DCF-006实现焊接完毕的试验舱排气,直至舱内达 到大气压水平时才可开启试验舱。2.2控制系统设计根据试验装置的控制流程要求,考虑到设备 的工作可靠性,控制系统选用西门子PLC,主机为CPU-226,外扩2块四入一出的A/D 模块,采用PROFIBUS通信方式,通过WINCC软件实现系统的监控和试验参数的显示、 存储、记录<3>。控制系统的输出控制器件为2个电动球阀、9个电磁阀以及风扇、加湿器等, 通过控制系统主回路与PLC控制回路连接。控制系统的输入控制器件为压力变送器、温度变送器 、湿度变送器、氧浓度变送器、臭氧浓度变送器、摄像头、高速摄像机及相关的各种控制按钮。控 制系统的组成如图3所示。图3高压焊接试验装置控制系统组成2.3基于WINCC的监控系统针对水下干式高压焊接试验系统,开发了基于WINCC的监控软件。系统硬件由PC机、S7-200PLC、EM277以及相应的输入输出装置构成,采用PROFIBUS协议实现现场高速通信监 控。在高压试验装置的配气过程中,监控系统可以监控Ar/N2两种混合气体的配气过程,实时 显示相应控制阀的工作状态和流量、压力,同时监控空压机的空气配比过程,控制其压力、流量和 启停工作过程。通过压力变送器、温度变送器、湿度变送器、氧浓度变送器实时监视储罐配气过程 ,自动调整各个配气设备和排放设备的开关状态与流量大小,实现系统各项控制指标和控制参数的 显示、报警等。在试验舱工作过程中,监控系统可监控Ar/CO2两种焊接保护混合气体的配气 过程,实时显示相应控制阀的工作状态和流量、压力。通过压力变送器、温度变送器、湿度变送器 、氧浓度变送器、臭氧浓度变送器,实时监视试验舱的工作过程,调整储罐动态供气过程和排放设 备的开关状态,维持系统各项控制指标的动态平衡,同时实时显示试验舱的各项参数,并完成参数 的打印、报警。3水下高压焊接机器人的试验研究3.1试验目标海底管道维修采用干式高压TI G焊接技术方案,国内尚无成熟的高压焊接工艺规范,而国外基本上也处于研究和应用同步进行阶 段,且关键技术很难获得。本试验目标是,针对海洋石油工程股份有限公司的渤海湾海底管道,实 现高压全位置TIG焊接,建立高压焊接工艺规范和焊接的运动参数。3.2试验方案如图4所示 ,将管道沿截面等分为8段,研究每一段在不同压力环境下的TIG焊接工艺规范图4工艺试验方 案设计参考图参数和运动参数。8段试件在空间位置合成,可近似逼近管道全位置焊接状态,在此基础上指导高压焊接试验,从而获得管道全位置焊
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