材料成型与加工报告..docxVIP

高压环境下GMAW焊接熔滴过渡特征研究1.1 水下焊接的历史及现阶段发展海洋拥有无限广阔的发展空间，近年来随着陆上石油资源的日渐枯竭，海上石油的勘探开发正在逐渐上升为国家战略，而科学技术的快速发展为我们探索海底世界提供了可靠的工具。很多学者都认为没有系统的海洋科学研究就没有国家的未来，我们要清醒的认识到，海洋石油的竞争是国家整体实力的竞争。当今世界的主要发到国家如美国、日本、英国、德国等等，在海洋石油开发领域已经积累了大量的成果。我国拥有的海洋国土面积达300多万平方公里，但我们在海洋资源的开发方面还处于较低的水平上，海洋油气资源的开发很大程度上要依赖国外的技术力量。为了更好的利用海洋油气资源，使我国成为真正的海上强国，必须增大我们对海洋石油领域的技术研发投入。水下焊接技术是海洋资源开发过程中遇到的重要技术难题之一，是发展海洋事业的一个技术瓶颈。近十几年来，水下焊接技术得到了很大的发展，其应用领域涉及海洋工程中的船舶、船坞、海上石油平台、海底输油管线、核电站维修等。 海上石油开采是一个“高风险”、“高技术”、“高投入”的产业，据测算，每钻井一米耗资约一万人民币，而海上刚结构平台每平方米造价高达两万美元，如此算来，建设一个中型海上油田投资将在3亿到6亿美元之间，而一个大型油田总投资将高达20到30亿美元。海底管道是海上油气输送的重要手段，被称为海上油气田的生命线，是海上油气田的重要组成部分，对海上油气田的开采、生产和产品外输起着关键性的作用。我国近海已建成的油气田海底管道有60多条，总长度超过3700km。水下环境的复杂性导致海洋平台的水下部分和海底管道的维修是一项技术含量高、操作复杂、涉及面广泛、投入高、风险大的海洋工程。现阶段水下结构物的主要维修手段由图1.1所示。水上焊接维修主要适用于浅水区域和小管径的管道，而水下维修中应用最为广泛的是水下焊接法。水下焊接包括水下湿法焊接、水下局部干法焊接和水下干式焊接。近年来水下摩擦叠焊和等离子焊接等新方法的探索又为水下焊接开辟了新的道路。高压干法焊接由于其在技术较易实现和价格上相对低廉成为了国际上一些海洋石油工程公司最常使用的水下焊接方法。高压干法焊接在深水石油管道的焊接领域有着潜在的优势，他的焊接工艺特性决定了其是水下结构物修复和水下管线焊接的最佳选择。高压干法焊接无需将水下结构拖出水面进行处理，与机械连接器相比有更大的灵活性，而它的应用的范围更广泛。另外，熔焊对于工装系统和构件有较高的容差，这又降低了施工成本和设备的复杂性。图1.1 水下结构物维修手段Fig.1.1 Maintenance technique of underwater structure 大量国内外的研究表明：在相对低压环境下，即0.1-1MPa，环境压力对焊接电弧的影响尤为明显。基于以上原因，本文旨在通过高压实验和数值仿真的方法研究GMAW焊接电弧和熔滴过渡各个参数（温度场、电流密度、电弧电压等）在高压环境下的变化规律，得到高压环境对焊接电弧形态和熔滴过渡的影响，从而为改善水下焊接质量，开发相应的焊接新材料和新工艺奠定基础。英国是最早使用了水下焊接技术的国家。早在1917年，英国海军将水下湿法焊接技术应用到船体铆钉的渗漏修补中。后来各种水下焊接技术陆续出现，高压干法焊接是由美国人于1954年率先提出的，在1966年美国开始将这一技术用于水下作业。目前阶段，海底管道的水深一般不超过200m。在这种深度环境下，填充焊和打底焊采用手工焊或者TIG焊就可以满足焊接质量要求。但是随着海洋石油产业向着深海发展，海底作业已经延伸到1000m左右甚至更深的海域。要大规模开采深海的油气资源，目前被广泛应用的水下焊接技术就有点力不从心，必须进行适当的调整和研究才能适应更高的要求。 当水深达到500米以下时，有两个因素严重限制着水下焊接操作：首先，水深超过250米时，会引起潜水员身体的不适，比如高压神经综合征（HPNS）。这种症状会导致潜水员注意力下降，而焊接过程需要潜水员保持注意力高度集中，所以这种病症对深水作业造成很大限制。人类潜水的极限水深大概是605米，当水深超过这一极限，就会对潜水员身体造成损害。挪威政府认为超过180米的水下作业为特别危险工作；其次，从上个世纪八十年代开始，科研人员发现随着环境压力的增大，TIG焊接电弧的稳定性变差。大量科研人员最终确定高压环境先TIG焊接的最大工作水深是在500米左右，当水深大于这一深度时，焊接过程就是极其不稳定，而电流脉冲焊虽然不受此限制，但是由于其较高的操作灵活性要求和较低的金属沉积率等缺陷，也难以有大的发展空间。基于以上的背景，GTAM焊接难以在水深超过500米的海域使用。其他的连接手段如固相焊、机械连接等虽然可以一定程度上替代电弧焊接，但电弧连接被业界普遍认为是效