為濕法焊接和水下焊接開發(fā)專用安全焊條

海洋工程結(jié)構(gòu)的焊接作業(yè)(包括遠(yuǎn)洋船只和鉆井平臺(tái)在內(nèi))通常面臨著非常惡劣的自然環(huán)境，對(duì)技術(shù)品質(zhì)及效率要求很高。因?yàn)樽鳂I(yè)需在水下完成難度增加，一旦發(fā)生重大結(jié)構(gòu)損傷或傾覆事故，后果不堪設(shè)想。因此，市場上推出了各種水下焊接方法，包括濕法水下焊接，局部干法水下焊接和干法水下焊接等。其中，濕法水下焊接不需要構(gòu)建阻隔屏障，比如焊接艙，施工成本低，操作簡單，適應(yīng)范圍廣，因而受到用戶的歡迎。但是，這種方法的一大挑戰(zhàn)是需要有很好的焊接頭，以確保在要求苛刻的環(huán)境中對(duì)船只或鉆井平臺(tái)進(jìn)行重要修理時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)快速而高效的周轉(zhuǎn)，以便再次迅速投用。本文中，山特維克材料科技駐美國斯克蘭頓的焊接產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)理Frank Babish介紹了公司開發(fā)的濕法焊接和水下焊接專用焊條。

成功開發(fā)專用安全焊條

針對(duì)海工環(huán)境下的焊接市場需求，山特維克啟動(dòng)了獨(dú)特的、專用于海下環(huán)境的特種焊條開發(fā)項(xiàng)目。這種焊條需要易于施工，方便水下焊接人員在船只或者設(shè)備現(xiàn)場進(jìn)行緊急維修，以便盡可能縮短維修時(shí)間，提供最高效和最有效的焊接解決方案，確保船只的完整性，讓維修對(duì)象可以盡快再次回到作業(yè)狀態(tài)。

另外，焊條開發(fā)的一大擔(dān)憂是焊接區(qū)周圍存在發(fā)生氫脆的可能。高強(qiáng)度鋼和低合金鋼焊接后24小時(shí)內(nèi)可能會(huì)發(fā)生因氫脆誘發(fā)的開裂。為了減少這種現(xiàn)象的發(fā)生，山特維克在開發(fā)階段調(diào)整了材料的化學(xué)成分組成，目的是在模擬真實(shí)海下作業(yè)條件下，尋求如何擁有盡可能好的焊接性能。通過仔細(xì)平衡鎳的含量，山特維克發(fā)現(xiàn)氫脆問題是有可能被解決的。最終，成功開發(fā)出了Sandvik Sanweld AquaSan產(chǎn)品。

AquaSan是一種3/32 英寸 x 14 英寸 (2.4 mm x 350 mm)包覆焊條，專門用于碳當(dāng)量(CE)>0.4的高強(qiáng)度、低合金鋼的濕法焊接和水下現(xiàn)場焊接作業(yè)環(huán)境，并已通過深度達(dá)50英尺(15米)的水下焊接認(rèn)證。AquaSan可有效用于各種鋼材牌號(hào)，包括HY 80、 HY 100、204B、A36和 300系列不銹鋼。它滿足或超過了美國焊接標(biāo)準(zhǔn)AWS A5.35規(guī)定的機(jī)械性能要求,并采用含有特殊輔助劑的專利防水涂層來提高材料焊接性能和機(jī)械性能。

此外，焊條高達(dá)64%的鎳含量也消除了氫脆的可能。由于鎳與氫有很高的親和力，AquaSan焊條所含的成分使得氫可以擴(kuò)散到焊接金屬中，遠(yuǎn)離高強(qiáng)度鋼。盡管AquaSan投入市場不久，卻已在海洋工程、船舶行業(yè)及核電行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。

化學(xué)成分

AquaSan Ni50在水下焊接的純?nèi)鄯蠼饘俚拿x化學(xué)成分如下圖1所示。

圖1 AquaSan Ni50水下焊接純?nèi)鄯蠼饘俚幕瘜W(xué)成分

在使用中，鎳基專利合金焊條具有一致而優(yōu)異的水下焊接接頭和性能，易于使用和操作，方便專業(yè)的水下焊接人員使用，提高焊接效率和作業(yè)安全性。由于適合在深達(dá)50英尺（15米）的水下使用，可以在水下完成非常好的焊接，不需要構(gòu)建成本高昂的高壓焊接屏障，如焊接隔離艙（圖2）、焊接艙 （圖3），來實(shí)現(xiàn)焊接和維修。從而節(jié)約了時(shí)間、成本，提高了安全性，極大降低了人工，工廠、設(shè)備和運(yùn)營投資。

圖2 使用索具和隔離艙對(duì)船進(jìn)行焊接維修

圖3 常見焊接艙，以及在高壓倉的狹小的空間內(nèi)進(jìn)行焊接操作

為了確定某個(gè)鋼牌號(hào)發(fā)生氫脆的敏感性，引入了碳當(dāng)量（CE）的概念。其計(jì)算公式如下：

從公式可以計(jì)算出CE，不同CE范圍代表不同的焊接性，見表1。

表1 不同CE范圍與不同的焊接性操作對(duì)應(yīng)表

由于焊條是專門設(shè)計(jì)用于濕法焊接和水下焊接的，因此可以獲得光滑、連續(xù)的焊縫，良好的拉伸強(qiáng)度和彎曲性能，同時(shí)可以達(dá)到X射線的探傷的要求，不再需要反復(fù)試驗(yàn)，重修和返工。

這種焊條還可以用于臨時(shí)修理的應(yīng)急需求，以滿足船期的要求以及勞氏船級(jí)社、美國船級(jí)社、以及挪威船級(jí)社認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求，在結(jié)束船運(yùn)任務(wù)之后，如果有需要可再根據(jù)要求進(jìn)行永久性修復(fù)。

這種專用焊條提供了很高的焊接一致性。圖4顯示的是水下焊接人員在進(jìn)行角縫焊，以及完成的焊接接頭的局部放大圖片，從中可以看出焊縫呈現(xiàn)出很高一致性。

圖4 水下焊接工在進(jìn)行角縫焊焊接（2F），焊縫位置以及焊縫外觀

但是在進(jìn)行水下焊接時(shí)，確保焊縫性能優(yōu)異對(duì)于焊接件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性是至關(guān)重要的。圖5中純?nèi)鄹步饘俳?jīng)過抗拉測試的試板橫截面顯示出，用Sanweld AquaSan焊條在水下焊接所能達(dá)到的理想水平和焊縫深度。

圖5 純?nèi)鄹步饘俳?jīng)過抗拉測試的試板橫截面Sanweld AquaSan的理想性能

應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

遠(yuǎn)洋船只修補(bǔ)。當(dāng)一艘船需要修補(bǔ)穩(wěn)定鰭、舵和甲板溝時(shí)，美國修理商找到了AquaSan Ni50來進(jìn)行修理。對(duì)于完成這項(xiàng)工作的水下焊接人員而言，關(guān)鍵問題是，如何按照船所在位置的潮汐狀況，在將近水下40 英尺±10 英尺 (3m)深的地方進(jìn)行焊接。

為了滿足需要，包括達(dá)到良好的機(jī)械性能、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度 、X射線探測質(zhì)量同時(shí)考慮到母材的碳當(dāng)量大于0.4，施工方選用了AquaSan Ni50進(jìn)行焊接。

由于選用該焊條，不需要高壓焊接艙，并且成本更低，因此焊接工作可以在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成，船只可以盡快返回作業(yè)。許多此類海工行業(yè)的應(yīng)用都具有將船只盡快返回作業(yè)狀態(tài)的緊迫性，使用此焊條焊接便可實(shí)現(xiàn)。

核電廠

作為北美核電廠停機(jī)計(jì)劃的一部分，需要焊接蒸汽發(fā)電機(jī)內(nèi)部的支撐架，為其停機(jī)做好準(zhǔn)備。合同施工方選擇了AquaSan Ni50，因?yàn)檎羝l(fā)電機(jī)呈放射高熱狀態(tài)，蒸汽發(fā)生器必須置于水中，焊接工作必須在水下進(jìn)行。市場上沒有其它焊條可以完全滿足核電廠內(nèi)部使用的工藝評(píng)定的要求。這一工藝的關(guān)鍵是，由于核電廠的特殊狀況，要在淡水下20英尺（6m）進(jìn)行焊接。最后，這個(gè)停機(jī)項(xiàng)目的水下焊接工作獲得了非常令人滿意的結(jié)果。

結(jié)論

Sandvik Sanweld AquaSan焊條的成功開發(fā)滿足了海洋工程潮濕環(huán)境和水下環(huán)境的焊接作業(yè)需求，不僅解決了氫脆問題，提高了焊接質(zhì)量，使得焊縫均勻一致，而且大幅提高了焊接效率、消除了起重機(jī)、焊接艙、人工等投資。另外，這種焊條在核電廠、發(fā)電廠也取得了很好的應(yīng)用。

這種焊條的成功開發(fā)，得益于山特維克在業(yè)內(nèi)擁有最大的研發(fā)設(shè)施和實(shí)力，不斷開發(fā)和推出市場領(lǐng)先的材料解決方案。山特維克在開發(fā)新型防腐蝕性材料方面的專業(yè)能力和知識(shí)堪稱無可匹敵。

高強(qiáng)度低合金鋼的焊接件在水下應(yīng)用中經(jīng)常遇到氫脆引起的斷裂和失效問題，消除這類材料焊接中的氫脆問題對(duì)于水下應(yīng)用至關(guān)重要。山特維克經(jīng)過統(tǒng)性研究和測試最終成功開發(fā)了Sandvik Sanweld AquaSan焊條有效的解決了高強(qiáng)度低合金鋼水下焊接的氫脆問題，滿足了市場需求。目前，這種材料已經(jīng)在全球一些最艱苦的工作環(huán)境下得到廣泛測試。

高強(qiáng)度鋼在水下通常需要確保焊接環(huán)境干燥，以避免氫脆。在這點(diǎn)上，Sandvik Sanweld AquaSan Ni50專用焊接焊條滿足了這些要求，在滿足消除氫脆的要求下，高效水下焊條避免了昂貴的高壓屏障和焊接隔離艙的使用，大大便利了焊接操作。

這種材料的推出可用于海洋修理行業(yè)和需要成功進(jìn)行濕法焊接和現(xiàn)場水下焊接的其他行業(yè)，不會(huì)產(chǎn)生氫脆引發(fā)的開裂和失效。