陳曉強 馬震 汪福強 朱小俊
在沉船打撈及海難救助等水下工程作業(yè)中,水下切割技術(shù)經(jīng)常被用于水下救助、切割除障、船體開孔以及附屬構(gòu)件的去除等,如美國“墨西哥灣”漏油堵漏工程及我國的“阿波丸”號沉船打撈工程。而在水下切割技術(shù)中,使用最為廣泛的便是水下電-氧切割技術(shù),該技術(shù)是打撈潛水作業(yè)人員必需掌握的水下作業(yè)技能之一。在“阿波丸”號沉船打撈工程中,運用水下電-氧切割技術(shù)切割船體的總長度超過2 400m,消耗氧氣超過2 600多瓶。
水下電-氧切割技術(shù)的參數(shù)包括許多方面,如焊機的類型、極性接法、割條的型號和種類、氧氣純度、氧氣壓力、切割電流以及切割角度等。其中,對潛水員水下操作影響較大的是氧氣純度及壓力、切割電流和切割角。
(1)氧氣純度及氧氣壓力 氧氣在水下電-氧切割中是不可或缺的,在切割過程中擔負著重要作用。氧氣不僅可以起到氣體吹除的作用,而且可以和被割元素在高溫條件下發(fā)生燃燒反應(yīng),并發(fā)出大量的化學(xué)反應(yīng)熱,用于加熱和熔化被割金屬。
水下電-氧切割時氧氣的純度非常重要,在《美國海軍水下焊割手冊》中,明確指出:氧氣的純度必須>99.5%。純度越低,切割速度越低。純度每降低一成,切割速度就會下降25%左右;純度如果<95%,切割過程就不能進行。所以說,在水下電-氧切割過程中,不能使用空氣或其他氣體代替氧氣。
氧氣壓力是影響水下切割效率和切割質(zhì)量的另一個關(guān)鍵因素。一般來說,切割氧氣壓力的大小與被割金屬的材料和厚度有關(guān)。對于同種材料而言,氧氣壓力是隨著板厚的增加而增大的,并且在一定范圍內(nèi),適當增加氧氣壓力有利于提高水下切割效率和切割速度。如果氧氣壓力過小,容易產(chǎn)生割不透、割縫邊緣毛糙等現(xiàn)象,進而大大影響切割效果和切割速度,如圖1所示。
在水下電-氧切割時,氧氣壓力還要考慮水深及氧氣管的長度。一般來說,水深每增加10m,氧氣壓力應(yīng)增加0.1MPa;氧氣管越長,對氧氣的阻力就越大,氧氣壓力也應(yīng)適當增大一些。需要說明的是,切割氧氣壓力并不是越大越好,即在水下電-氧切割時,割條內(nèi)徑相當于直筒型噴嘴,在氧氣通過割條內(nèi)徑時,切割氧氣流達到一定值后,可切割的板厚也會達到最大值,切割效率最佳;反之,如果再提高氧氣壓力,反而會造成切割的板厚減小,切割的速度減慢。
圖1
(2)切割電流 水下電-氧切割電流的選擇是根據(jù)電纜導(dǎo)電截面積及長度的大小和被割板厚而定,其中電纜的導(dǎo)電截面積和長度對電流的影響不是主要的,被割金屬的厚度才是選擇切割電流的依據(jù)。如圖2所示,當切割電流選擇過小時,電弧的穿透能力不足,容易產(chǎn)生割不透的現(xiàn)象,割縫不整齊,并且易發(fā)生引弧困難、續(xù)弧階段產(chǎn)生粘條和短路等,造成焊接過載及燒損,切割效率降低;當切割電流選擇合適時,切割電弧穩(wěn)定,引弧和續(xù)弧階段都很容易,切割的割透能力增強,割縫比較整齊,切割效率高;一旦電流選擇過大,則容易使割條過熱、割條熔化速度過快、藥皮提前爆裂等現(xiàn)象,并且切割過程中熔池過寬,熔化金屬在割縫背面易發(fā)生粘合,從而造成割穿而不透的現(xiàn)象,切割效率反而降低。
(3)切割角 切割角是水下作業(yè)潛水員經(jīng)常忽略的一個重要參數(shù)。與水下焊接角度不同,水下電-氧切割時割條與鋼板割縫垂直線間的夾角稱為切割角。實踐經(jīng)驗證明,切割角的大小與切割速度有一定關(guān)系的,切割速度會隨著切割角的變化而變化,但切割角的選擇主要還是取決于被切割板的厚度。通常來說,被切割板的厚度越大,切割角就越小。如果切割角選擇不當,也會影響水下切割效果。如圖3a所示,如果切割角過大,切割時切割火焰明顯集中在鋼板上方,也就意味著鋼板沒割透;圖3b中,切割角合適時,切割火焰大部分集中在鋼板的下方,鋼板被割透,切割可以順利進行。
(4)實際工程中切割參數(shù)的選擇 在海南東方油田對水下導(dǎo)管架進行切割的施工過程中,切割水深平均為70m,鋼管管架的壁厚約為6mm,如圖4所示。根據(jù)切割電流選擇的經(jīng)驗公式,切割電流為280~300A,考慮水深及電纜線長度的影響,實際工程中切割電流選擇為300A。根據(jù)切割氧氣壓力的經(jīng)驗公式,切割氧氣壓力應(yīng)選為0.6~0.7MPa,在考慮氧氣管阻力和水深因素的影響后,實際工程中切割氧氣壓力選擇為1.1MPa。由于被割結(jié)構(gòu)為管狀,所以在選擇切割角時,起割階段應(yīng)與管壁成切線,在起割完成后逐漸減小切割角,以加快切割速度,提高切割質(zhì)量。
水下電-氧切割是一項技能性很強的技術(shù),在實際的水下切割工程作業(yè)中,切割潛水員不僅需要自己的潛水實踐經(jīng)驗,還要對切割參數(shù)進行合理的選擇和良好的匹配,才能提高水下切割效率,達到理想的切割效果。
圖2
圖3
圖4 水下切割油井導(dǎo)管架