1. 水下切割的分類
依據各種水下切割法的基本原理和切割狀態不同,大體上可將現有的水下切割法分為兩大類,即水下熱切割法和水下冷切割法。
水下熱切割法是利用熱源對金屬進行加熱,或在純氧氣中燃燒,使金屬熔化,并采取某種措施將熔化金屬或熔渣去除而形成切口的切割方法,如水下氧-火焰切割、水下電弧切割、水下電弧-氧切割等。
熱切割法又可分為氧化切割法、熔化切割法及熔化-氧化切割法。氧化切割法是先利用火焰將待割金屬預熱到燃點,然后供氧氣使金屬燃燒,并吹掉熔渣而形成切口的切割方法,如水下氧-火焰切割。熔化切割法是利用熱源將待割金屬熔化,靠熔化金屬自重或采取某種措施將熔化金屬及熔渣除掉而形成切口的切割方法,如水下等離子切割、熔化極氣體保護切割及熔化極水噴射切割等。熔化-氧化切割法是利用熱源對待割金屬預熱使其熔化,然后供氧使金屬燃燒,并將燃燒產生的熔渣及剩余的熔化金屬吹掉而形成切口的切割方法,如水下電弧-氧切割、熱割矛切割及熱割纜切割。
水下冷切割法是利用某種器具或某種高能量,在金屬處于固態情況下直接破壞分子間的結合而形成切口的切割方法,如水下機械切割法、水下高壓水切割法等。各種水下切割法的具體分類見表1。
表1 水下切割法的分類
第 一 層 次 | 第 二 層 次 | 第 三 層 次 | 第 四 層 次 | |
水下熱切割 | 氧-火焰切割 | 氣體燃燒 | 乙炔火焰切割 | |
天然氣火焰切割 | ||||
合成燃氣火焰切割 | ||||
液體燃燒 | 汽油火焰切割 | |||
熔化切割 | 電弧切割 | 等離子弧切割 | - | |
電弧鋸切割 | ||||
電弧-水射流切割 | 噴水式碳弧切割 | |||
熔化極水噴射切割 | ||||
鋁熱劑切割 | - | |||
電子束切割 | ||||
氧化物切割 | ||||
熔化-氧化切割 | 熱割矛切割 | - | ||
熱割纜切割 | ||||
電弧-氧切割 | 鋼管割條切割 | |||
陶瓷管割條切割 | ||||
碳棒割條切割 | ||||
水下冷切割 | 機械切割 | 氣動機械切割 | - | |
電動機械切割 | ||||
液壓機械切割 | ||||
爆炸切割 | 炸藥爆炸切割 | - | ||
成形藥包爆炸切割 | ||||
高壓水射流切割 | - |
(1)水下電弧-氧切割
水下電弧-氧切割是一種利用空心電極(即割條)與工件之間產生的電弧使工件熔化,氧氣從電極孔中吹出,使熱態工件金屬氧化燃燒,并吹掉熔化的金屬及熔渣,從而形成切口的切割方法。
(2)水下等離子弧切割
水下等離子弧切割是利用高溫高速等離子氣流來熔化待切割金屬,并借助高速氣流或水流把熔化金屬除掉而形成切口的切割方法。由于等離子弧難以在電極和工件之間形成,必須利用高頻或直接接觸方式首先在鎢極和噴嘴之間引燃引導電弧(即小弧),然后再轉移過渡到鎢極和工件之間。目前用于水下金屬材料切割的等離子弧切割槍都是轉移弧形式的。
(3)熔化極水噴射水下切割
熔化極水噴射水下切割是利用電弧產生的熱量將金屬熔化,并用高壓水射流將被熔化的金屬及熔渣吹掉,從而形成清潔的切口表面。
(4)水下氧-火焰切割
水下氧-火焰切割是先利用氣體火焰將被切割工件表面預熱到燃燒點,然后噴射氧氣使金屬燃燒,并吹掉熔化金屬及熔渣,從而形成切口。具體過程如下。
① 點燃預熱火焰 先將預熱火焰在空氣中點燃,然后由潛水員將燃著火焰的割炬帶到工位來進行切割。但由于水對火焰冷卻作用很大,火焰容易熄滅,尤其是深水作業時,火焰的點燃成功率很低,可采用點火器在工位上來點燃。
② 預熱起割處 用預熱火焰將起割處預熱到燃點。由于水的冷卻作用,預熱時要比陸上困難得多。
③ 供氧切割 當起割處溫度達到燃點后,供給高壓氧氣使金屬燃燒,并次掉生成的熔渣。金屬燃燒產生的熱量及預熱火焰繼續預熱下層金屬,使其繼續燃燒,最終將工件割穿。隨著割炬的移動,工件被割開。
(5)熱割矛切割
熱割矛是一根裝滿鋼絲的鋼管,當從外部對鋼管出氣端預熱并使其達到燃點時,將氧氣從鋼管內的鋼絲間吹出,鋼管及鋼絲開始燃燒放出大量的熱量,從而使工件熔化而達到切割的目的。熱割矛放出的熱量及通過熱割矛吹出的氧氣使被切工件熔化、燃燒而形成切口,是一熔化-氧化過程。但與水下電弧-氧切割不同的是:熱割矛是以本身氧化產生的熱量起主導作用,而水下電弧-氧切割是以氧化金屬為主。
(6)熱割纜切割
熱割纜是用細鋼絲制成的空心纜,外面用密封套套著。其切割原理與熱割矛切割基本一樣:先將熱割纜出氣端預熱到燃點,然后供氧氣使熱割纜燃燒,放出的熱量使工件熔化,從而達到切割目的。
(7)水下成形藥包爆炸切割
該地用的成形藥包是裝在軟質金屬(如銅、鋁及鉛等)外殼內的、成分經特別配制的一種炸藥(如RDX等)。藥包的斷面通常呈倒V形(如圖2所示)。水下成形藥包爆炸切割的原理是:把藥包置于被切割工件的待切割部位,當炸藥起爆、爆炸波將金屬外殼破壞時,所形成的高溫高速金屬粒子流(伴有高能沖擊波)定向集中地噴射到工件很小的面積上,把工件擊穿而形成切口。
與一般炸藥爆炸相比,成形藥包爆炸切割具有以下優點:
① 能切割出相對精確的切口;
② 由于定向爆炸,故破壞鄰近構件的危險性較小。
該水下切割可對板材進行直線切割、穿孔以及標準幾何形狀的斷面(如切割管子、鋼纜等)。
(8)高壓水射流切割
高壓水射流切割是利用從噴嘴中噴出的高速高壓水射流將工件破斷,以達到切割目的。該切割法屬于冷切割,切割過程中無熱影響,不會造成工件切口附近材料金相組織變化,也不會產生熱變形。另外,切口質量良好,并能切割三維曲形工件。
(9)水下機械切割
水下機械切割的有的原理與陸上的機械切割一樣,也是采用鋸、磨、刨、銑等方法對構件進行切割,切割速度比熱切割慢得多,但切口質量和精度很高,可按照標準要求對工件進行精確加工。
2. 水下切割的特點
不同的水下切割法有不同的技術要求、切割速度、應用水深等,每一種水下切割法都有其優點和局限性,各種水下切割法的比較見表2。
表2 各種水下切割法的比較
切割方法 | 現有經驗 深度/m | 優 點 | 限 度 |
氧-乙炔 | 13 | 火焰溫度較氧-氫為高 | 超過2×105Pa,乙炔燃燒就不穩定 |
氧-氫 | 100 | 具有最佳蒸氧壓的可燃氣體,火焰容易維持,設備輕便 | 切割速度較低 |
氧-丙烷、丙二烯 | 1 | 對噴嘴到工件之間距離的敏感性很小 | 火焰溫度較氧-氫為低,裝卸困難 |
氧-汽油 | 100 | 在壓力下液體燃料易于保存 | 在點燃前需要加熱器使燃料汽化 |
電弧-氧/鋼管割條 | 180 | 設備簡易輕便,操作技術要求不高 | 需要經常更換割條,切口表面粗糙 |
電弧-氧/陶瓷管割條 | 120 | 設備簡單,操作技術要求不高,割條輕 | 割條較脆,較鋼管割條的割速為慢 |
手工金屬電弧 | 60 | 與濕法手工電弧焊的設備相同 | 技術要求很高,切割速度慢 |
爆炸(爆破炸藥) | - | 設備簡易,可遠距離操縱 | 切口很粗糙,對臨近構件有危害 |
爆炸(成型裝藥) | 90 | 設備簡易,切割速度快,對技術要求很低 | 限于簡單的幾何形狀,對臨近構件也會有影響 |
機械 | 180 | 能精確加工,可機械化,易于操作 | 限于簡單的幾何形狀,切割速度很慢 |
等離子弧(轉移弧) | 4 | 高速,精確,切口干凈,不需要更換割條 | 使用高電壓,對手工操作造成威脅 |
等離子弧(非轉移弧) | - | - | 需要大功率 |
熱割矛 | 60 | 設備簡易,操作簡單,幾乎能切割所有的東西 | 切口很粗糙,有“蒸氣爆炸”的危險 |
熔化極水噴射 | 54 | 設備和熔化極都簡單,能機構化開坡口 | 要求可見度高 |
鋁熱劑 | - | 設備簡單 | 割縫粗糙 |
高壓水 | - | 切口質量高,無熱影響區,能切割三維曲形工件 | 設備成本高,切割速度低,切割精度與機械切割相比較差 |
目前應用最廣的水下切割法是鋼管割條水下電弧-氧切割。該切割法操作方便、靈活,設備簡單、成本低,用來切割厚度不超過40mm的鋼板,操作技術容易掌握,是實際應用最廣泛、應用水深最大的一種水下切割方法。但需要頻繁地更換割條,影響切割效率,切口也較粗糙。
切割速度比較快的是熔化極水噴射切割法及水下等離子弧切割法。這兩種切割法切割效率高,切口質量也比較好,不加修整或稍加修整就可以進行水下焊接。但水下等離子弧切割與在大氣中切割相比,存在以下問題。
① 要求的電弧功率較大。水中切割時存在水壓的阻力,使等離子弧的穩定性變差、弧長縮短、電弧吹力減弱、有效熱能降低,再加上水對工件的冷卻作用,因此在切割同等板厚時需要提高電弧功率。
② 要求的電源空載電壓和高頻引弧功率較大。在水中為引燃“小弧”,需先用較大流量的氣流把噴嘴周圍的水排除。在這種氣流中引弧,必須增大高頻引弧裝置的電源功率和提高電源的空載電壓。
③ 在水中能見度低,對切割情況不易觀察,給操作帶來一定的困難。
我國于20世紀70年代末引進了熔化極水噴射水下切割技術,研制了切割設備。在淺水及56m水深對12mm厚的低碳鋼板進行切割,切割速度越過20m/h。熔化極水噴射水下切割的最大切割能力可達40mm。
但水下作業的安全性較電弧-氧切割差,尤其是水下等離子弧切割,使用的電壓高達180V,這對水下作業人員有很大的危險性。切割速度最快的是聚能爆炸切割,適用于幾何形狀簡單的工件水下切割,如水下管道、水下金屬樁和柱等結構。如能很好地控制炸藥用量并掌握好爆炸方向,可以大大減少對臨近結構的威脅。
水下氧-火焰切割和機械切割,切割速度雖然很慢,但它是修整焊接坡口的最好的水下切割方法。水下氧-火焰割炬的割嘴上帶有一個空氣噴嘴,高壓空氣從噴嘴中噴出,在火焰周圍形成一個“氣簾”,將火焰與水分開,這樣既確保了火焰燃燒的穩定性,又提高了火焰的預熱效果,同時也增大了從噴嘴到待切割工件間距離的變化范圍,便于操作。水下機械切割機一般有液壓驅動、氣壓驅動及電動驅動三種。液壓驅動的切割機在同樣的液壓下,隨著水深的增加,供給切割機的功率相應降低,即驅動功率受到水深的限制。氣壓驅動與液壓驅動的切割機相似,如能將排氣管道與大氣相通,則可消除反沖壓力作用,從而提高切割效率。電動驅動切割機不受水深的限制,理論上可應用到水下幾百米深度切割。
水下切割法的實際采用受水深的限制,表3列出水深對各種水下切割法可行性的影響。
表3 水深對各種水下切割法可行性的影響
切 割 方 法 | 注 釋 | 切割方法 | 注 釋 | ||
氧-碳氫 化合物 | 70%丙烷 30%丁烷 | 碳氫化合物 液化的極限 深度 | 16.5m(4℃) 21.3m(10℃) | 金屬電弧 | 電弧的長度取決于周圍的壓力及電壓,極限深度尚不清楚。在30m深、電壓50V以及在200m深、電壓100V時的電弧長度是5mm |
丙烷、乙烷 | 44m(4℃) 54m(10℃) | ||||
乙炔 | 255m(4℃) | ||||
甲烷 | 179m(0℃) | ||||
丙烷、丙二烯 | 35m(0℃) | ||||
氫-氧,氫 | 氫化的極限 深度 | 1400m | 機械切割(氣 動,液動, 電動) | 由于高壓氣體管路搬運問題,極限深度為30m 用水面上液壓裝置時,極限深度是45m 水面上供電和水下液壓泵及驅動裝置時,基本不受深度的限制 | |
氧-弧,氧 | |||||
熱割矛 | |||||
等離子弧 | 氮 | 離子氣液化 的極限深度① | 5090m | ||
氬 | 3750m | ||||
氫 | 1400m |
① 等離子氣是真正液化,而是在這個深度時,氣體密度接近于其液態密度。
3. 水下切割的應用范圍
水下氧-火焰切割法通常適用于切割低碳鋼、低合金鋼等易氧化的材料,不適用于切割不銹鋼及除鈦以外的有色金屬,最適宜切割的厚度范圍為10~40mm。切割薄板比較困難,因為薄板在水中的冷卻速度比厚板快得多,難以預熱到燃點。板厚超過40mm時,雖然也能切割,但操作技術要求較高。
藥皮焊條切割雖然切口質量較差,但應用廣泛。既可切割低碳鋼及低合金鋼,也可切割不銹鋼及有色金屬,尤其適合于切割6mm以下的薄板。切割厚板時困難一些,需要采用拉鋸的操作方式使焊條在切口內來回拉鋸,以便將熔化金屬除掉。熔化極水噴射切割是一金屬純熔化過程,可用于切割黑色金屬和有色金屬。
等離子弧能量密度高,水下等離子弧切割法適合于切割所有的金屬材料,也可以切割某些非金屬材料。各種水下切割法的應用見表4。
表4 各種水下切割法的應用
切 割 方 法 | 應 用 |
氧-乙炔 | - |
氧-氫 | 厚度達40mm的鐵素體材料,維修切割達300mm厚,但有困難 |
氧-丙烷,丙二烯 | - |
氧-汽油 | 厚度達40mm的鐵素體材料,維修切割達300mm厚,但有困難 |
電弧-氧/鋼管割條 | 厚度達40mm的鐵素體材料,能夠切割得更厚一些,但有困難 |
電弧-氧/陶瓷管割條 | 厚度達40mm的鐵素體材料,能夠切割得更厚一些,但有困難 |
手工金屬電弧 | 鑄鐵、奧氏體鋼和非鐵材料 |
爆炸(爆破炸藥) | 沉船 |
爆炸(成型裝藥) | 切割管道、電纜工字鋼,割孔等,切割厚度達100mm |
機械 | 管子開坡口,斜切管道 |
等離子弧(轉移弧) | 厚度達75mm的所有的金屬材料,表面割槽和開坡口 |
等離子弧(非轉移弧) | 非金屬 |
熱割矛 | 大斷面金屬混凝土 |
熔化極水噴射 | 厚度達60mm的所有金屬 |
鋁熱劑 | 切割溫度約3500℃,能燒穿鋼、礁石及混凝土 |
高壓水 | 各種材料 |