水下焊接技术揭秘：海底世界的神秘面纱

水下焊接技术揭秘：海底世界的神秘面纱

水下焊接技术是水下建筑施工的核心技术之一，它不仅应用于海洋工程，还广泛用于水利工程等领域。通过湿式焊接和干式焊接等方式，水下焊接能够在极端环境下完成高质量的焊接作业。这项技术的发展极大地提升了水下建筑施工的效率和安全性，同时也为探索和开发海底世界提供了强有力的支持。了解水下焊接技术，让我们一起揭开海底世界的神秘面纱吧！

水下焊接技术主要分为湿法焊接和干法焊接两大类。湿法焊接是在直接接触水的环境中进行焊接，而干法焊接则通过构建干燥环境来实现焊接。这两种方法各有优劣，适用于不同的应用场景。

湿法焊接

湿法焊接是直接在水中进行焊接，不需要将焊接周围的水排去。由于水的冷却和压力作用，湿法焊接需要特殊的焊条和防水物质。湿法焊接具有设备简单、操作方便、成本低廉等优点，因此在海洋工程的水下现场原位修补施工中得到了广泛应用。然而，湿法焊接也存在一些问题，例如水下焊缝中每100g熔敷金属的扩散氢含量高达22.85至44.12mL，远高于常见陆上焊缝，容易导致气孔、氢脆等问题。此外，水的快速冷却能力可导致显著增大的工件冷却速率，导致热影响区和焊缝组织恶化，进而导致接头力学性能的下降。

干法焊接

干法焊接是通过构建专门的栖息地或高压室，在焊接区域周围创建一个临时的干燥环境。焊工下潜后进入这个密封室，确保焊接操作在干燥条件下进行。为了平衡外部水压，栖息地会被加压，以防止水进入工作区域。这种方法使焊工能够在相对舒适的条件下进行作业，类似于传统的陆地焊接。然而，由于干燥密封室的复杂性和高成本，这种方法在大型项目或关键维修中的应用有很大的限制。

水下焊接技术在海洋工程、船舶维修、水利工程等领域有着广泛的应用。以下是一些具体的案例：

水下管道修复

水下管道的破损大体上可分为三类：局部小破损、锚船钩挂导致的局部破损，以及大范围管段破损。针对这些情况，可以采用水上焊接维修、钢套维修法、机械连接器维修法、水下机械式三通维修法、法兰维修法与外卡维修法，以及水下焊接维修法。其中，水下焊接维修法又分为水下湿法焊接、水下局部干法焊接和水下干式焊接。这些方法在实际应用中各有利弊，需要根据具体情况选择最合适的方案。

海洋工程

在海洋工程中，水下焊接技术被广泛应用于海底隧道、海上石油平台、风电场等设施的建设与维护。例如，珠江口隧道是深江铁路的关键部分，最大埋深达115米，施工承受的压力超过10个标准大气压。在这样的极端环境下，水下焊接技术发挥了至关重要的作用。

船舶维修

水下焊接技术在船舶维修中也得到了广泛应用。例如，对于船体结构的局部损伤，可以采用水下湿法焊接进行现场修复，避免了将船舶拖到船坞进行维修的高昂成本。此外，水下焊接还可以用于船舶的紧急抢修，确保船舶能够及时恢复航行。

水下焊接技术虽然应用广泛，但也面临着诸多挑战和安全风险。以下是一些主要问题：

安全风险

水下焊接伴随着众多短期和长期风险。尽管我们已经采取了一系列预防措施，但水下焊接的死亡率仍高达15%。然而，死亡并非唯一问题，焊工的身体健康和生活质量的下降同样值得关注。

• 触电风险：虽然水下焊工触电身亡的事故目前仅有一例，但在进行湿焊或在部分浸没的空间作业时，触电的威胁仍然不容小觑。
• 爆炸风险：高压焊接作业会产生气囊，如果气体没有得到正确排出，便可能引发爆炸。特别是在氧气压力较低的情况下，电缆还可能出现孔洞，进而对作业人员造成伤害。
• 减压病：与其他类型的潜水员一样，水下焊工需要格外小心减压病的发生。在数百米深的水下工作时，通常缺乏其他潜水员的陪伴，减压病风险会更高。
• 溺水风险：溺水是水下焊工最常见的致死原因，其根源可能多种多样。设备故障通常都是罪魁祸首，呼吸气管、面罩和氧气罐等均有可能发生故障，进而导致溺水事件的发生。

长期健康风险

• 骨坏死：在长期潜水活动中，潜水员可能面临一系列严重的健康风险。其中之一是压缩性骨坏死，也被称为缺血性坏死或骨坏死。这种情况是由于骨组织的血液供应不足导致。最常见的受累部位是股骨，通常需要通过手术来治疗，在某些情况下甚至可能需要进行全关节置换。
• 神经系统问题：挪威卑尔根的水下技术中心进行的研究指出，长期的深潜可能导致脑功能障碍、癫痫发作及短暂性全面失忆等神经系统问题。

极端环境对焊接质量的影响

水下环境的极端条件对焊接质量提出了严峻挑战。例如，水的快速冷却能力会导致焊缝组织恶化，影响接头力学性能。此外，水下焊接过程中产生的氢气泡也可能导致气孔和裂纹的形成，进一步降低焊接质量。

面对水下焊接技术的诸多挑战，自动化和机器人技术成为重要的发展方向。焊接机器人在常规焊接应用中已经展现出高效性和优良的焊接质量，超越了人工焊接的表现。借助于配备了末端执行器的水下遥控潜水器（ROV）及机械臂，这一构想正在逐步实现。

水下焊接机器人的实用性

一般来说，常见的水下焊接机器人可以在20 米至 30 米水深范围内工作，部分先进的水下焊接机器人可以达到 60 米甚至更深，具体的深度范围会因不同的应用场景而有所不同，目前主要的应用领域有：

• 海洋油气资源的开采：水下焊接机器人可以用于海底管道的铺设和维修，以及海上石油平台的建设。
• 海底隧道和管道的铺设：水下焊接机器人可以提高施工效率，降低人工潜水员的风险。
• 各类海上工程装备的建设维护：水下焊接机器人可以用于船舶维修、风电场建设等。

尽管我们对水下焊接技术的未来充满期待，但由于其技术门槛较高、应用场景相对特定等因素，广泛应用仍面临困难。早在2015年，挪威国家石油公司便在这一领域取得了一定进展，他们成功地利用干式搅拌摩擦焊（FSW）技术开发了用于水下管道维修的远程焊接栖息地。然而，目前该栖息地的应用范围仅限于特定类型的管道，尚未实现更广泛的应用。

目前，美国RESURGAM项目团队正在积极研发一种适用于船体维修的湿式搅拌摩擦焊机器人。结合人工智能和工业4.0（物联网）基础设施的应用，这项技术有望大规模推广。然而，除了技术实施之外，购买、编程和部署高压焊接机器人所需的前期成本也令人担忧。每一个应用场景都需要专业的程序员，以确保机器人能够完全按照要求运行，这无疑会增加小型项目的成本和交货时间。

为了解决这一难题，潜在的解决方案之一是“神经网络控制”焊接机器人。该技术利用操作员佩戴的脑电图帽，实时指挥机器人手臂的动作。尽管在广泛应用之前仍需进一步的研发，但此项技术为水下焊接的未来展现了光明的前景。

结语

水下焊接技术是人类探索和开发海洋资源的关键技术之一。尽管面临着诸多挑战和风险，但随着自动化和机器人技术的发展，水下焊接的未来前景依然广阔。我们期待着这项技术能够不断进步，为海洋工程、水利工程等领域带来更多的创新和突破。