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国内水下切割技术研究与进展

国内水下切割技术研究与进展

2011/2/23 16:39:00
      水下建筑、石油管道等的金属结构在诸多外因影响下逐步磨损、腐蚀或受到某种损伤。为了保持这些建筑的完善状态,必须在恢复和修理这些金属结构中完成大量不同类型的水下工作, 而首先面对的是分割金属结构的某一部分, 或者是必须首先把结构全部拆毁。另外, 海底石油及固体矿藏的开采、船舶及潜艇的维修也都不可避免地应用水下切割技术。对于海上石油平台的拆除、海底输油管道的修复、核潜艇的水下维修等特殊场合下的水下切割技术更是世界各国亟需解决的难题。


  图1水下切割

  水下切割技术最初用于打捞沉船工程,并逐渐发展起来。尤其是近几年来,随着开发诲洋事业的发展,为适应水下工程建造与解体事业的发展,从提高水下切割能力、速度和质量,以及为适应特殊结构、特殊环境需要出发,相继开发了一些新的水下切割方法和设备,并已经应用到实际生产中。水下切割技术已成为水下工程结构建造与解体不可缺少的工艺手段。

  水下切割技术特点

  水下切割技术并不是陆地切割的延续,水下的特殊环境决定了水下工程的困难性和复杂性,有其独特的理论基础和使用方法,许多在陆地上应用的技术不适于水下使用。水下热切割法是应用最广泛的一种切割方法,占水下切割总量的90%以上。用热切割法对工件进行水下切割时,必须考虑热源本身在周围介质中大量的消耗。而水下切割与陆地切割最显著的区别在于空气是流动的气体混合物,而水是相当黏滞且致密的液体,空气有助燃性而水具有阻燃性。另外,水的热容量和热传导性大于空气,这使得在水中加热物体比在空气中困难, 并且物体在水中的冷却速度也比在空气中的快几倍。因此,与水接触的火焰面越大,温度差异越大,热损耗就越大。为了使金属在水中迅速地燃烧,并且补偿被消耗的大量的热,热源不仅应具有很高的温度和足够的能率, 同时还应集中在最小的范围内, 使热消耗减少到最低。水下热切割法具有切割速度较快、效率高、适用范围广等特点; 一般设备简单, 成本较低,但是易对工件产生热影响甚至使工件发生变形, 切口质量较粗糙, 容易发生爆炸事故,安全性差。

  水下冷切割法无热作用, 不产生热应力和热影响区, 不改变被加工材料的材质和性能; 可实现机械化, 具有多方面的切割能力, 切口质量较好; 易于操作; 切割过程无粉尘, 对环境无污染, 无引起火灾的危险。但是切割速度较慢, 效率低; 一般设备庞大,投资较高。

  水下切割技术虽种类繁多, 但依据其基本原理和切割状态不同, 大体上可分为两大类, 即水下热切割法和水下冷切割法。具体分类如图2 所示。

  
图2 水下切割技术分类

  国内水下切割技术进展

  我国水下切割技术起步较晚, 但发展较为迅速。最早应用的水下切割技术是上世纪50 年代从国外引进的水下电弧氧切割技术。

  在日本水喷射熔化极切割原理的基础上, 我国成功开发了深海半自动熔化极水下电弧切割新技术, 并在20 m 及60 m 水深处对厚20 mm 的钢板进行了切割试验, 切割速度高达20 m/h 以上。

  水下聚能爆炸切割技术在我国也逐渐兴起。西安204 所研制的橡皮炸药具有柔软轻便、使用简单、切割精度较高等特点。实际应用聚能炸药切割厚100mm 钢板和直径1.2 m、具有38 mm 钢套的混凝土套管曾获得成功。在打捞“阿波丸” 号沉船时, 还采用了预制的聚能炸药进行船体拆除, 效果较理想。

  中冶集团上海宝冶马迹山项目部用HARDOX刃口板成功从水中切割出港区抓斗刃口板,并与斗体焊接。根据一个多月的抓斗试用跟踪,目前没有出现任何异常情况,标志着上海宝冶自主拥有了在水中切割HARDOX板的技术及HARDOX板的焊接技术,完全能够承接宝钢HARDOX板切割和焊接项目。

  HARDOX板是一种特殊钢材料,因其结构的特殊属性,使之在水中气割才能保证最佳效果。但由于是进口钢材料,价格相当昂贵,而且每年进口数量受严格限制,所以宝钢港区无论从经济上还是技术要求上,对此材料的使用相当慎重。

  中冶集团上海宝冶马迹山项目部自去年年底承接此项目以来,做了大量准备工作,包括各种硬件设施的建立以及请专家亲自指导,并且组织精英力量反复进行实验和探索,通过多方不懈努力,最终成功掌握了这项水中切割新技术,为今后的技术研发和行业市场竞争提供了坚实的保障。

  水下切割技术的发展趋势

  水下切割技术自产生至今得到了长足发展, 并在实际生产中广泛应用, 但也存在着一些问题: (1)自动化程度低;(2) 切口表面比较粗糙, 不进行修整难以继续加工; (3) 焊条或者电极更换频繁, 切割效率低;(4)存在着使用高压电和易发生爆炸等不安全因素。

  随着新材料的不断出现, 机械电子和电子计算机等新技术的不断进步, 切割设备的便携性、切割速度、操作的便利性和自动控制性能都在不断提高。就目前的情况看, 水下切割技术在保证大深度、高速度切割作业的前提下, 主要有2 个发展方向:(1) 向智能化、信息化方向发展。机器人技术是现代技术革命的重要内容之一, 尽管水下切割机器人在先进技术的支持下取得长足进步, 但要向高科技领域迈进, 必须向智能化、信息化方向发展。所谓智能化就是使水下切割机器人能像人一样适应环境, 判断形势, 服从人或计算机的命令,自动编制程序,完成任务。所谓信息化就是机器人本身储存了足够的信息资料, 或与有关的计算机系统联网获得所需的信息, 发挥从以往的资料中取得参考、借鉴、模仿、调整的作用。(2) 向便携化、安全化方向发展。鉴于水下的特殊工作环境给水下切割带来的困难和复杂性, 水下切割设备需要向便携化、安全化方向发展, 避免过去设备庞大, 带电作业给水下切割工作带来的不便。

  参考文献:

  [1] 杜文博,朱胜.水下切割技术研究及应用进展 [J ].焊接技术,2009 (10) .

  [2] 刘海滨,陈晓强.水下焊接与切割技术应用及发展研究[J].大坝与安全, 2008,(01) .

  [3] 赵寿元,李勇].水下切割技术的研究[J].机械研究与应用, 2007, (05)

  [4] 中冶集团上海宝冶成功掌握水下切割新技术http://www.gov.cn/jrzg/2006-04/21/content_259746.htm,2006-04-21

  [5] 水下切割

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