海洋工程結構的焊接作業(包括遠洋船只和鉆井平臺在內)通常面臨著非常惡劣的自然環境，對技術品質及效率要求很高。因為作業需在水下完成難度增加，一旦發生重大結構損傷或傾覆事故，后果不堪設想。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建阻隔屏障，比如焊接艙，施工成本低，操作簡單，適應范圍廣，因而受到用戶的歡迎。但是，這種方法的一大挑戰是需要有很好的焊接頭，以確保在要求苛刻的環境中對船只或鉆井平臺進行重要修理時，可以實現快速而高效的周轉，以便再次迅速投用。本文中，Frank Babish, 山特維克材料科技駐美國斯克蘭頓的焊接產品技術經理，為大家帶來了公司開發的濕法焊接和水下焊接專用焊條的介紹。
 
    成功開發專用安全焊條
 
    針對海工環境下的焊接市場需求，山特維克啟動了獨特的、專用于海下環境的特種焊條開發項目。這種焊條需要易于施工，方便水下焊接人員在船只或者設備現場進行緊急維修，以便盡可能縮短維修時間，提供最高效和最有效的焊接解決方案，確保船只的完整性，讓維修對象可以盡快再次回到作業狀態。
 
    另外，焊條開發的一大擔憂是，焊接區周圍存在發生氫脆的可能。高強度鋼和低合金鋼焊接后24小時內可能會發生因氫脆誘發的開裂。為了減少這種現象的發生，山特維克在開發階段調整了材料的化學成分組成，目的是在模擬真實海下作業條件下，尋求如何擁有盡可能好的焊接性能。通過仔細平衡鎳的含量，山特維克發現氫脆問題是有可能被解決的。最終，成功開發出了Sandvik Sanweld AquaSan。
 
     AquaSan是一種3/32 英寸x 14 英寸(2.4 mm x 350 mm)包覆焊條,專門用于碳當量(CE)>0.4的高強度、低合金鋼的濕法焊接和水下現場焊接作業環境，并已通過深度達50英尺(15米)的水下焊接認證。AquaSan可有效用于各種鋼材牌號，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準AWS A5.35規定的機械性能要求,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械性能。
 
    此外，焊條高達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散到焊接金屬中，遠離高強度鋼。盡管AquaSan投入市場不久，卻已在海洋工程、船舶行業及核電行業得到了廣泛的應用和認可。
 
    化學成分
 
     AquaSan Ni50在水下焊接的純熔敷金屬的名義化學成分如下所示：


 
圖2：使用索具和隔離艙對船進行焊接維修
 
    在使用中，鎳基專利合金焊條具有一致而優異的水下焊接接頭和性能，易于使用和操作，方便專業的水下焊接人員使用，提高焊接效率和作業安全性。由于適合在深達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），來實現焊接和維修。從而節約了時間、成本，提高了安全性，極大降低了人工，工廠、設備和運營投資。


 
圖3： 常見焊接艙，以及在高壓倉的狹小的空間內進行焊接操作
 
    為了確定某個鋼牌號發生氫脆的敏感性，引入了碳當量（CE）的概念。其計算公式如下：


 
    從公式可以計算出CE，不同CE范圍代表不同的焊接性，見下表：
 


    由于焊條是專門設計用于濕法焊接和水下焊接的，因此可以獲得光滑、連續的焊縫，良好的拉伸強度和彎曲性能，同時可以達到X射線的探傷的要求，不再需要反復試驗，重修和返工。
 
    這種焊條還可以用于臨時修理的應急需求，以滿足船期的要求以及勞氏船級社、美國船級社、以及挪威船級社認證標準的要求，在結束船運任務之后，如果有需要可再根據要求進行永久性修復。
 


    這種專用焊條提供了很高的焊接一致性。圖5顯示的是水下焊接人員在進行角縫焊，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出很高一致性。


 
圖5：水下焊接工在進行角縫焊焊接（2F），焊縫位置以及焊縫外觀
 
    但是在進行水下焊接時，確保焊縫性能優異對于焊接件的結構穩定性和安全性是至關重要的。圖6中純熔覆金屬經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到的理想水平和焊縫深度。


 
圖6：純熔覆金屬經過抗拉測試的試板橫截面Sanweld AquaSan的理想性能


 
    應用經驗
 
    遠洋船只修補：當一艘船需要修補穩定鰭、舵和甲板溝時，美國修理商找到了AquaSan Ni50來進行修理。對于完成這項工作的水下焊接人員而言，關鍵問題是，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)深的地方進行焊接。
 
    為了滿足需要，包括達到良好的機械性能、拉伸強度、屈服強度 、X射線探測質量同時考慮到母材的碳當量大于0.4，施工方選用了AquaSan Ni50進行焊接。
 
    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間內完成，船只可以盡快返回作業。許多此類海工行業的應用都具有將船只盡快返回作業狀態的緊迫性，使用此焊條焊接便可實現。
 
    核電廠
 
    作為北美核電廠停機計劃的一部分，需要焊接蒸汽發電機內部的支撐架，為其停機做好準備。合同施工方選擇了AquaSan Ni50，因為蒸汽發電機呈放射高熱狀態，蒸汽發生器必須置于水中，焊接工作必須在水下進行。市場上沒有其它焊條可以完全滿足核電廠內部使用的工藝評定的要求。這一工藝的關鍵是，由于核電廠的特殊狀況，要在淡水下20英尺（6m）進行焊接。最后，這個停機項目的水下焊接工作獲得了非常令人滿意的結果。
 
    發電廠安裝
 
    紐約市另一家發電廠所用的316L不銹鋼進水過濾裝置由于暴露在微生物環境中，發生了微生物腐蝕(MIC)， 需要進行修理。按照建議，項目施工方使用AquaSan Ni50焊條后發現該產品焊接進水過濾裝置的效果非常好，并決定在整個項目中都采用該焊條來完成所有的水下焊接工作。
 
    在很多應用中，使用AquaSan Ni50焊條不僅有助于降低項目的整體成本，同時提高焊接效率，避免租賃起重機、制造焊接艙、以及顯著降低這些設備的安裝設置和拆卸的人力和時間成本，施工過程也變得更為安全。
 
    海洋工程應用方面，這種焊條可用于貨船、油船、游船、或任何遠洋船只、石油鉆井平臺及配套裝備。在核電廠方面，則可以用于水冷系統、泵、乏燃料池內襯、傳輸隧道和核電標準ASME Section III 中的3類輔助系統的焊接。
 
    結論
 
     Sandvik Sanweld AquaSan焊條的成功開發滿足了海洋工程潮濕環境和水下環境的焊接作業需求，不僅解決了氫脆問題，提高了焊接質量，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、焊接艙、人工等投資。另外，這種焊條在核電廠、發電廠也取得了很好的應用。
 
    這種焊條的成功開發，得益于山特維克在業內擁有最大的研發設施和實力，不斷開發和推出市場領先的材料解決方案。山特維克在開發新型防腐蝕性材料方面的專業能力和知識堪稱無可匹敵。
 
    高強度低合金鋼的焊接件在水下應用中經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于水下應用至關重要。山特維克經過統性研究和測試最終成功開發了Sandvik Sanweld AquaSan焊條有效的解決了高強度低合金鋼水下焊接的氫脆問題，滿足了市場需求。目前，這種材料已經在全球一些最艱苦的工作環境下得到廣泛測試。
 
    高強度鋼在水下通常需要確保焊接環境干燥，以避免氫脆。在這點上，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和需要成功進行濕法焊接和現場水下焊接的其他行業，不會產生氫脆引發的開裂和失效。
 
     Sandvik 和Sanweld 是山特維克知識產權公司的商標。