海洋工程结构的焊接作业(包括远洋船只和钻井平台在内)通常面临着非常恶劣的自然环境，对技术品质及效率要求很高。因为作业需在水下完成难度增加，一旦发生重大结构损伤或倾覆事故，后果不堪设想。因此，市场上推出了各种水下焊接方法，包括湿法水下焊接，局部干法水下焊接和干法水下焊接等。其中，湿法水下焊接不需要构建阻隔屏障，比如焊接舱，施工成本低，操作简单，适应范围广，因而受到用户的欢迎。但是，这种方法的一大挑战是需要有很好的焊接头，以确保在要求苛刻的环境中对船只或钻井平台进行重要修理时，可以实现快速而高效的周转，以便再次迅速投用。本文中，Frank Babish, 山特维克材料科技驻美国斯克兰顿的焊接产品技术经理，为大家带来了公司开发的湿法焊接和水下焊接专用焊条的介绍。
 
    成功开发专用安全焊条
 
    针对海工环境下的焊接市场需求，山特维克启动了独特的、专用于海下环境的特种焊条开发项目。这种焊条需要易于施工，方便水下焊接人员在船只或者设备现场进行紧急维修，以便尽可能缩短维修时间，提供最高效和最有效的焊接解决方案，确保船只的完整性，让维修对象可以尽快再次回到作业状态。
 
    另外，焊条开发的一大担忧是，焊接区周围存在发生氢脆的可能。高强度钢和低合金钢焊接后24小时内可能会发生因氢脆诱发的开裂。为了减少这种现象的发生，山特维克在开发阶段调整了材料的化学成分组成，目的是在模拟真实海下作业条件下，寻求如何拥有尽可能好的焊接性能。通过仔细平衡镍的含量，山特维克发现氢脆问题是有可能被解决的。最终，成功开发出了Sandvik Sanweld AquaSan。
 
     AquaSan是一种3/32 英寸x 14 英寸(2.4 mm x 350 mm)包覆焊条,专门用于碳当量(CE)>0.4的高强度、低合金钢的湿法焊接和水下现场焊接作业环境，并已通过深度达50英尺(15米)的水下焊接认证。AquaSan可有效用于各种钢材牌号，包括HY 80、HY 100、204B、A36 和300系列不锈钢。它满足或超过了美国焊接标准AWS A5.35规定的机械性能要求,并采用含有特殊辅助剂的专利防水涂层来提高材料焊接性能和机械性能。
 
    此外，焊条高达64%的镍含量也消除了氢脆的可能。由于镍与氢有很高的亲和力，AquaSan焊条所含的成分使得氢可以扩散到焊接金属中，远离高强度钢。尽管AquaSan投入市场不久，却已在海洋工程、船舶行业及核电行业得到了广泛的应用和认可。
 
    化学成分
 
     AquaSan Ni50在水下焊接的纯熔敷金属的名义化学成分如下所示：


 
图2：使用索具和隔离舱对船进行焊接维修
 
    在使用中，镍基专利合金焊条具有一致而优异的水下焊接接头和性能，易于使用和操作，方便专业的水下焊接人员使用，提高焊接效率和作业安全性。由于适合在深达50英尺（15米）的水下使用，可以在水下完成非常好的焊接，不需要构建成本高昂的高压焊接屏障，如焊接隔离舱（图2）、焊接舱 （图3），来实现焊接和维修。从而节约了时间、成本，提高了安全性，极大降低了人工，工厂、设备和运营投资。


 
图3： 常见焊接舱，以及在高压仓的狭小的空间内进行焊接操作
 
    为了确定某个钢牌号发生氢脆的敏感性，引入了碳当量（CE）的概念。其计算公式如下：


 
    从公式可以计算出CE，不同CE范围代表不同的焊接性，见下表：
 


    由于焊条是专门设计用于湿法焊接和水下焊接的，因此可以获得光滑、连续的焊缝，良好的拉伸强度和弯曲性能，同时可以达到X射线的探伤的要求，不再需要反复试验，重修和返工。
 
    这种焊条还可以用于临时修理的应急需求，以满足船期的要求以及劳氏船级社、美国船级社、以及挪威船级社认证标准的要求，在结束船运任务之后，如果有需要可再根据要求进行永久性修复。
 


    这种专用焊条提供了很高的焊接一致性。图5显示的是水下焊接人员在进行角缝焊，以及完成的焊接接头的局部放大图片，从中可以看出焊缝呈现出很高一致性。


 
图5：水下焊接工在进行角缝焊焊接（2F），焊缝位置以及焊缝外观
 
    但是在进行水下焊接时，确保焊缝性能优异对于焊接件的结构稳定性和安全性是至关重要的。图6中纯熔覆金属经过抗拉测试的试板横截面显示出，用Sanweld AquaSan焊条在水下焊接所能达到的理想水平和焊缝深度。


 
图6：纯熔覆金属经过抗拉测试的试板横截面Sanweld AquaSan的理想性能


 
    应用经验
 
    远洋船只修补：当一艘船需要修补稳定鳍、舵和甲板沟时，美国修理商找到了AquaSan Ni50来进行修理。对于完成这项工作的水下焊接人员而言，关键问题是，如何按照船所在位置的潮汐状况，在将近水下40 英尺 ±10 英尺(3m)深的地方进行焊接。
 
    为了满足需要，包括达到良好的机械性能、拉伸强度、屈服强度 、X射线探测质量同时考虑到母材的碳当量大于0.4，施工方选用了AquaSan Ni50进行焊接。
 
    由于选用该焊条，不需要高压焊接舱，并且成本更低，因此焊接工作可以在尽可能短的时间内完成，船只可以尽快返回作业。许多此类海工行业的应用都具有将船只尽快返回作业状态的紧迫性，使用此焊条焊接便可实现。
 
    核电厂
 
    作为北美核电厂停机计划的一部分，需要焊接蒸汽发电机内部的支撑架，为其停机做好准备。合同施工方选择了AquaSan Ni50，因为蒸汽发电机呈放射高热状态，蒸汽发生器必须置于水中，焊接工作必须在水下进行。市场上没有其它焊条可以完全满足核电厂内部使用的工艺评定的要求。这一工艺的关键是，由于核电厂的特殊状况，要在淡水下20英尺（6m）进行焊接。最后，这个停机项目的水下焊接工作获得了非常令人满意的结果。
 
    发电厂安装
 
    纽约市另一家发电厂所用的316L不锈钢进水过滤装置由于暴露在微生物环境中，发生了微生物腐蚀(MIC)， 需要进行修理。按照建议，项目施工方使用AquaSan Ni50焊条后发现该产品焊接进水过滤装置的效果非常好，并决定在整个项目中都采用该焊条来完成所有的水下焊接工作。
 
    在很多应用中，使用AquaSan Ni50焊条不仅有助于降低项目的整体成本，同时提高焊接效率，避免租赁起重机、制造焊接舱、以及显著降低这些设备的安装设置和拆卸的人力和时间成本，施工过程也变得更为安全。
 
    海洋工程应用方面，这种焊条可用于货船、油船、游船、或任何远洋船只、石油钻井平台及配套装备。在核电厂方面，则可以用于水冷系统、泵、乏燃料池内衬、传输隧道和核电标准ASME Section III 中的3类辅助系统的焊接。
 
    结论
 
     Sandvik Sanweld AquaSan焊条的成功开发满足了海洋工程潮湿环境和水下环境的焊接作业需求，不仅解决了氢脆问题，提高了焊接质量，使得焊缝均匀一致，而且大幅提高了焊接效率、消除了起重机、焊接舱、人工等投资。另外，这种焊条在核电厂、发电厂也取得了很好的应用。
 
    这种焊条的成功开发，得益于山特维克在业内拥有最大的研发设施和实力，不断开发和推出市场领先的材料解决方案。山特维克在开发新型防腐蚀性材料方面的专业能力和知识堪称无可匹敌。
 
    高强度低合金钢的焊接件在水下应用中经常遇到氢脆引起的断裂和失效问题，消除这类材料焊接中的氢脆问题对于水下应用至关重要。山特维克经过统性研究和测试最终成功开发了Sandvik Sanweld AquaSan焊条有效的解决了高强度低合金钢水下焊接的氢脆问题，满足了市场需求。目前，这种材料已经在全球一些最艰苦的工作环境下得到广泛测试。
 
    高强度钢在水下通常需要确保焊接环境干燥，以避免氢脆。在这点上，Sandvik Sanweld AquaSan Ni50专用焊接焊条满足了这些要求，在满足消除氢脆的要求下，高效水下焊条避免了昂贵的高压屏障和焊接隔离舱的使用，大大便利了焊接操作。
 
    这种材料的推出可用于海洋修理行业和需要成功进行湿法焊接和现场水下焊接的其他行业，不会产生氢脆引发的开裂和失效。
 
     Sandvik 和Sanweld 是山特维克知识产权公司的商标。