Подводная сварка: принципы работы и особенности

Подводные инженерные сооружения подвергаются значительным испытаниям: они испытывают структурные нагрузки, штормы, волны, а также коррозию от морской воды и эрозию от песчаных потоков. Эти факторы, наряду с внутренними повреждениями, делают их эксплуатацию особенно сложной и рискованной.

Решать возможные проблемы и предотвращать новые помогает подводная сварка. За годы с момента ее изобретения (а было это еще в конце XIX века) технологии сварочных работ под водой совершенствовались, и сегодня входят в арсенал водолазов по всему миру.

С учетом растущих потребностей промышленной сферы, важность подводной сварки и ее адаптации к современным условиям становится критической. Сварочные технологии активно используются при эксплуатации портов, подводных трубопроводов, в кораблестроении и даже на атомных электростанциях.

Выделяют три основные категории в зависимости от условий сварки:

• Мокрая подводная сварка;
• Сухая подводная сварка;
• Локальная сухая подводная сварка;

Глядя в будущее, инженерия предлагает и совершенно новые методы: сварка шпильками, взрывом, подводная электронно-лучевая и экзотермическая сварки. Мы же рассмотрим три наиболее широко используемых.

Данная технология позволяет производить сварку непосредственно в водной среде с использованием водонепроницаемого электрода. К преимуществам можно отнести простоту, адаптивность и дешевизну метода. Сварочный аппарат размещается в сухой среде (на судне или берегу), а сварщик работает с электродом под водой.

При этом существует множество минусов:

• Плохая видимость не позволяет обеспечивать ровный сварной шов, нужное его качество и герметичность;
• Быстрое охлаждение негативно влияет на прочность соединения;
• Воздействие водорода приводит к охрупчиванию металла.

При мокрой подводной сварке сложно обеспечить надежность сварных соединений, что ограничивает применение в зонах с высокой ответственностью. Но методика широко применяется для мелких или скоростных ремонтов на небольшой глубине.

Этот метод подводной сварки проводится внутри специальной камеры или рабочей станции, при этом зона сварки полностью или частично осушается с помощью газа. Давление внутри камеры может быть атмосферным или высоким, что делит сухую сварку еще на две подкатегории.

Чаще всего при сухой подводной сварке водолазы работают с неплавящимся электродом. Используются дуговая сварка и сварка в защитном газе.

Сухая подводная сварка под высоким давлением используется все чаще, поскольку обладает рядом преимуществ, таких как высокое качество сварного шва и оптимальные характеристики соединения – почти как при работе на суше.

Но существуют и минусы:

• Камера для работы имеет ограничения, накладываемые ее конструкцией, т.е. применять ее получается далеко не в любых условиях;
• Лучше всего подходит для сварки конструкций простой правильной формы, таких как крупные трубопроводы, но не для “тонкой работы”;
• Сварщику в сухом боксе стоит быть аккуратным, т.к. газовые смеси при неосторожном обращении могут повредить дыханию.

Сам метод сухой сварки под водой предполагает большие вложения, включая постоянный мониторинг, системы жизнеобеспечения, контроль влажности и других показателей.

Оборудование для сухой подводной сварки также достаточно дорогое. Сварочный аппарат MOD-1 американского производства, способный сваривать трубопроводы диаметром 813 мм, оценивается в сумму до $2 млн.

Естественно, что сама по себе сварка под водой, хоть и является привычным делом для современных водолазов, предполагает более трудоемкий процесс в сравнении с наземной.

Плохая видимость
Вода сама по себе имеет свойство отражать, поглощать и преломлять свет. В условиях мутной, загрязненной воды с частицами, видимость еще хуже. Сама по себе сварка добавляет проблем: вокруг дуги образуются дым и пузырьки воздуха. Сделать со всем этим что-либо попросту невозможно. Поэтому подводная сварка часто производится практически вслепую, что конечно негативно влияет на ее качество.

Высокая концентрация разрушительного водорода
Дуга при подводной сварке вызывает термическое разложение воды, от чего и образуется большое количество водорода. Его воздействие приводит к образованию трещин и повреждений конструкции и шва.

Ускоренное охлаждение
Вода в сравнении с воздухом имеет повышенную теплопроводимость. Пресная – в несколько раз, морская до 20 раз. Мокрая и локальная сухая сварки проводятся в условиях воздействия холода (особенно в ледяной воде), что приводит к прокаливанию. Избежать этого помогает только сухая подводная сварка.

Высокое давление
С ростом давления (увеличение на 0,1 МПа на каждые 10 метров глубины) столб дуги становится тоньше, ширина шва сужается, а его высота увеличивается.
Кроме того, повышенная плотность проводящей среды затрудняет ионизацию, что приводит к повышению напряжения дуги, снижению ее устойчивости, увеличению количества брызг и дыма.

Невозможность непрерывной сварки
Чаще всего (из-за воздействия перечисленных выше факторов, особенно видимости) подводную сварку приходится выполнять с перерывами, что вредит цельности шва.
Опыт сварщика-водолаза позволяет адаптировать работу ко всеми этим условиям, поэтому для реализации сварочных работ стоит выбирать проверенных специалистов.

Сварку под водой можно проводить ручным дуговым и полуавтоматическим методом. Здесь мы подробнее рассмотрим каждый способ.

Методика основана на способности дуги устойчиво гореть в газовом пузыре при интенсивном охлаждении окружающей водой. Газовый пузырь образуется за счёт испарения и разложения воды, паров и газов расплавленного металла и обмазки электрода.

Для компенсации тепловых потерь в условиях холодной воды и присутствии водорода, на дуге под водой требуется более высокое напряжение (30-35В).

Подводную сварку выполняют на постоянном и переменном токе. На постоянном токе дуга горит более устойчиво, чем на переменном, т.к. постоянный ток разлагает воду еще до возбуждения дуги, а переменный ток разлагает воду и образует газовый пузырь в момент короткого замыкания под действием высокой температуры
.
С увеличением глубины и давления окружающей среды устойчивость дуги не нарушается; возрастает только напряжение и увеличивается ток. Подводная сварка возможна в пресной речной и соленой морской воде. В качестве источников питания используют однопостовые и многопостовые сварочные агрегаты, сварочные преобразователи и трансформаторы, имеющие напряжение холостого хода 70-110 В.

Этот метод считается более перспективным, он использует механическую подачу проволоки в зону дуги, при этом используя преимущества и удобство ручной сварки. Механическая подача проволоки позволяет длительное время вести процесс сварки без перерывов. Так как проволока имеет меньший диаметр, чем электрод, создаются благоприятные условия для наблюдения процесса и создания точного шва.

Использование для защиты дуги аргона и особенно углекислого газа позволяет немного снизить содержание водорода в металле шва. Более эффективным способом защиты дуги от вредного воздействия окружающей среды является использование порошковой проволоки.

Разработанная в институте электросварки им. Е.О. Патона порошковая проволока марки ППС- АН1 (диаметр 1,2 – 2,0 мм) позволяет обеспечить стабильное горение дуги и получение (на низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталях) сварных соединений, равнопрочных основному металлу.

Поскольку сухая подводная сварка имеет ограничения по применимости, а мокрая чаще и повсеместно используется в промышленности, инженерия активно работает над ее оптимизацией.

Так, российские специалисты ООО «УНТЦ «Сварка» и Санкт-Петербургского Политехнического университета Петра Великого разработали механизированный комплекс подводной сварки и резки «КОПС-М» с применением самозащитной порошковой проволоки.

Порошковая проволока марки ППС-АПЛ2 диаметром 1,6 мм предназначена для мокрой подводной механизированной сварки углеродистых и низколегированных сталей на глубинах до 60 м. Порошковая проволока марки ППР-АПЛ1 диаметром 2,0 мм предназначена для мокрой подводной механизированной резки углеродистых и легированных сталей толщиной до 20 мм на глубинах до 60 м. При сварке сила сварочного тока составляет 140-240 А, напряжение дуги 37-45 В, для резки 350-500 А и 30-36 В соответственно.

В октябре 2024 года стартовали государственные испытания комплекса для освоения технологий подводной сварки и резки. В ближайшем будущем инновация, по словам разработчиков, позволит:

• Сократить рабочее время на подводную сварку в 5-7 раз;
• Обеспечить точную сварку и предсказуемые характеристики прочности соединения;
• Упростить приемку выполненных работ;
• Улучшить наблюдение за условиями сварки за счет лучшей видимости и отсутствии ярко выраженных физических процессов;
• Улучшить внешний вид и качество сварного шва.

Комплекс также может применяться и для наземной сварки путем смены проволоки.

Несмотря на разницу в условиях, для подводного сваривания используют аппараты, которые мало чем отличаются от стандартных. Во время выполнения работ сам сварочный аппарат остается на поверхности, поэтому в его конструкцию редко вносятся какие-либо изменения.

Зато при подводной сварке используют трансформаторы с безвоздушным охлаждением, жидким диэлектриком и компенсацией давления. Здесь как раз важно выбрать подходящее для условий оборудование. Такие трансформаторы могут работать на глубине до 3000 метров.

Держатели для электродов герметично покрываются изоляционным составом. Кабель используется цельный без скруток, изоляция максимально проверяется на целостность, чтобы избежать не только потерь мощности, но и поражения током. Перед заменой электрода питание аппарата обязательно должно быть выключено.

Важно правильно выбрать электроды для подводной сварки:

• используется сталь с низким содержанием углерода;
• покрыты защитной водонепроницаемой смазкой на основе парафина, смолы, нитролака (вес пропитки электрода – от 150% массы стержня).

С момента разработки, технология подводной сварки применяется во множестве сфер жизнедеятельности человека и общества. Отметим основные из них:

• Ремонт и замена поврежденных участков трубопроводов, нефтяных платформ и других объектов ресурсной отрасли;
• Соединение различных элементов конструкций при прокладке и ремонте нефтепроводов и газопроводов, других трубных систем под водой;
• Установка и ремонт сооружений для сферы водного транспорта: портовых, причальных, мостовых и других конструкций;
• Разведка и добыча полезных ископаемых;
• Обслуживание и ремонт подводных кабелей;
• Ремонт и обслуживание судов;
• Подводные исследования.

Метод подводной сварки получил толчок к развитию в условиях необходимости проведения ремонта в боевых условиях Второй мировой войны, однако сегодня технология широко применяется в мирных целях, и сфер этого применения множество.

С развитием ресурсной логистики, подводных каналов и трубопроводов, морских и речных путей, услуги подводной сварки становятся все более востребованными. Профессиональные водолазы обучаются этой технике, потому что они уже готовы к вызовам водной стихии, а значит – гарантируется безопасное и качественное выполнение работ.