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江蘇華航水下工程有限公司
初級(jí)會(huì)員·2年
水下切割，在水中對(duì)工件進(jìn)行的切割。水下切割主要用在海難救撈和核污染結(jié)構(gòu)件的水中解體。依據(jù)各種水下切割法的基本原理和切割狀態(tài)不同，大體上可將現(xiàn)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。
水下切割分類
水下熱切割法是利用熱源對(duì)金屬進(jìn)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(yù)熱到燃點(diǎn)，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(hù)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(duì)待割金屬預(yù)熱使其熔化，然后供氧使金屬燃燒，并將燃燒產(chǎn)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(tài)情況下直接破壞分子間的結(jié)合而形成切口的切割方法，如水下機(jī)械切割法、水下高壓水切割法等。
水下切割安全注意事項(xiàng)
1、預(yù)防
(1)水下必須使用直流弧焊電源。交流弧焊電源的感知電流、擺脫電流和致命電流均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直流。同時(shí)，電流的頻率不同，對(duì)人體的作用也不同。而工頻為50Hz的交流電對(duì)人體的威脅更大。
(2)保證帶電設(shè)備與潛水裝具的絕緣良好，避免潛水員裸露身體直接受到。帶電設(shè)備由于長(zhǎng)時(shí)間在水中浸泡，其絕緣層很容易受到破壞，造成漏電危險(xiǎn)。
(3)避免身體重要部位直接受到。潛水員應(yīng)穿戴好潛水服和絕緣手套，并將潛水裝具絕緣處理，尤其是潛水面窗與領(lǐng)盤等部分，以增大電阻，從而保護(hù)潛水員。由于人體各部分的電阻并不是均勻的，頭部和胸腔等部位的內(nèi)阻比較小，只有100Ω左右，遠(yuǎn)低于兩肢間的電阻500Ω，因此，如果潛水員的頭部或前胸與后背之間受到，將帶來(lái)致命的后果。
(4)作業(yè)過(guò)程中潛水員如果要更換割條或焊條，或者進(jìn)行其它的作業(yè)時(shí)，一定要切斷電流。如需繼續(xù)進(jìn)行作業(yè)，應(yīng)將焊條放置在待焊位置后再通知接通電源。否則，弧焊電源80V的空載電壓將會(huì)造成比較大的危險(xiǎn)。
(5)在開始切割前，應(yīng)將地線牢固地固定在作業(yè)點(diǎn)附近、潛水員前方的區(qū)域，這樣可避免電流流經(jīng)潛水員身體，使?jié)撍畣T成為電路的一部分。地線一定要牢固連接，若有困難可采用點(diǎn)焊的方法將地線固定。地線連接不牢是潛水員進(jìn)行水下焊割作業(yè)時(shí)產(chǎn)生“麻電”的主要原因之一。
(6)潛水員手部如果有傷口應(yīng)避免進(jìn)行水下焊割作業(yè)。人體皮膚的電阻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于從體內(nèi)的電阻，如果手部有傷口則使人體的整體電阻下降很多。
(7)在焊接電路中好使用兩閘刀開關(guān)，以便同時(shí)切割正極和負(fù)極的電流。若只有單閘刀開關(guān)，應(yīng)將其安裝在焊鉗和割鉗一側(cè)。
(8)潛水員自身應(yīng)有一個(gè)好的狀態(tài)，這會(huì)增加潛水員的抵抗力，避免觸電。同時(shí)，在淡水中作業(yè)發(fā)生觸電的危險(xiǎn)比海水中大。
(10)保證電纜絕緣和防水;閘刀開關(guān)應(yīng)保證導(dǎo)電良好，避免表面氧化，甚至產(chǎn)生“銅綠”。
2、在進(jìn)行水下切割作業(yè)前，潛水員事先一定要對(duì)水下作業(yè)區(qū)域進(jìn)行仔細(xì)地探摸，認(rèn)真檢查各部位的情況。如發(fā)現(xiàn)有氣體聚集一定要等氣體排除后再進(jìn)行作業(yè)，千萬(wàn)不能貿(mào)然行事，直接的方法是安裝排氣管，將氣體排出到水面，也可在氣體聚集的“氣墊”部位的上部鉆一小孔將氣體排除。
潛水員進(jìn)行水下焊割作業(yè)時(shí)應(yīng)該采用由上向下，由外向里的順序作業(yè)，以及時(shí)將可能產(chǎn)生的氣體排出到，避免氣體在水中的聚集。若潛水員在水下聽(tīng)到“啪、啪”的聲音時(shí)，應(yīng)立即停止水下作業(yè)，查找產(chǎn)生這種聲音的原因。
3、預(yù)防弧光輻射
水下切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的弧光輻射，為了預(yù)防水下弧光輻射造成的傷害，潛水員有條件的情況下應(yīng)在潛水裝具的頭盔或面罩安裝活動(dòng)護(hù)目鏡。
如條件不允許，可在潛水面窗的上部或下部貼一層顏色較深的玻璃紙，在作業(yè)時(shí)可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整頭部來(lái)防止弧光輻射。另外，潛水員在操作時(shí)，也可以調(diào)整眼睛或身體的位置，利用焊條或割條遮擋住弧光，實(shí)際利用時(shí)效果也不錯(cuò)。
4、預(yù)防灼傷
灼傷傷害主要是水下切割時(shí)，熔化的高溫金屬熔滴或熔渣對(duì)潛水員或潛水裝備造成的傷害。灼傷除了會(huì)造成潛水員燙傷外，還能燒壞潛水服或供氣管，造成呼吸氣體中斷等嚴(yán)重后果。
為了防止灼傷，潛水員下水前應(yīng)穿戴手套或襪子，防止手部或腳部裸露的部位被燙傷。開始作業(yè)前，潛水員應(yīng)將軟管、信號(hào)繩、電纜等整理好，使其不會(huì)被熔化金屬或熔渣損傷。熄弧后，潛水員不要立即用手觸摸焊縫，應(yīng)該稍等一會(huì)兒觸摸或用鋼絲刷去清理。
水下切割技術(shù)
一、研料高壓水射流法
研料高壓水射流法已被成功地用于導(dǎo)管架管件、樁基和隔水套管的管內(nèi)切割，既可用于鋼管件，又可用于混凝土結(jié)構(gòu)。其原理是用混合有象金剛砂或石榴石砂這種非常硬的研磨砂的高壓水噴射(壓力高達(dá)250MPa)。試驗(yàn)證明在360m水深可使用，并可能發(fā)展到500m水深。
對(duì)小尺度對(duì)象切割時(shí)，可在作業(yè)的ROV(水下機(jī)器人)中安置切割噴嘴裝置。對(duì)大尺度對(duì)象，則需在水下配置一個(gè)工作模塊，在水面進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
目前這種技術(shù)能切割305m深處有5層鋼組成的夾層結(jié)構(gòu)。不換切割噴嘴也可完成對(duì)有水泥填充和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的切割，切割時(shí)沒(méi)有震動(dòng)和搖晃(假設(shè)被割物體也是固定狀態(tài))，切口較和干凈;另一優(yōu)點(diǎn)是除在海床上下研磨砂的沉積外，不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成污染。該技術(shù)的主要問(wèn)題在于噴嘴的磨損速度很快。
1、研料高壓水射流系統(tǒng)的構(gòu)成
關(guān)鍵部件是高壓泵、水射流、研料補(bǔ)給系統(tǒng)和研料射流噴嘴，其它部件還包括研料回收器及一些附件如控制閥、高壓水籠等。
①高壓水泵：研料高壓水射流系統(tǒng)中壓力是重要參數(shù)。實(shí)踐表明當(dāng)壓力范圍在172.3-310MPa之間，水射流流量為11.3L/min時(shí)，該方法可對(duì)硬的金屬進(jìn)行切割，以現(xiàn)在的技術(shù)*可以提供這樣的壓力和流量。
②射流切割噴嘴：噴嘴由寶石穿孔制造，應(yīng)用時(shí)，其穿孔直徑為0.51-0.76mm，服役壽命為250-500h。
③研料注入系統(tǒng)：對(duì)于研料高壓水射流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，研料流量的準(zhǔn)確控制是基本的要求。研料注入系統(tǒng)可以對(duì)研料流量進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制。在水射流形成后，干研料被注入集料器，水流對(duì)研料進(jìn)行加速。
2、研料高壓水射流系統(tǒng)的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)
①缺點(diǎn)：在使用過(guò)程中，機(jī)械噪聲與空氣動(dòng)力噪聲為嚴(yán)重，有時(shí)需向操作工提供保護(hù)裝置。機(jī)械噪聲主要來(lái)自于柴油或汽油發(fā)動(dòng)機(jī);空氣動(dòng)力噪聲主要來(lái)自于研料粒子高速穿過(guò)空氣的過(guò)程，作用距離越遠(yuǎn)，噪聲越明顯。研料顆粒有反彈的可能，是由于切割的材料較厚，研料顆粒不能直接穿過(guò)造成的，可能造成一定的危險(xiǎn)。在噴嘴處設(shè)置防護(hù)裝置可有效解決這一問(wèn)題。另外，為防止污染環(huán)境，嚴(yán)格遵守管理規(guī)范，在切割完成后，應(yīng)進(jìn)行研料回收和清理。
②優(yōu)點(diǎn)：該方法的應(yīng)用范圍極廣，由于技術(shù)的*性，許多工業(yè)項(xiàng)目都可使用，并能迅速得到收益。在油氣開發(fā)工業(yè)，裝備研料高壓水射流系統(tǒng)的船可從事海洋廢棄平臺(tái)的切割、救生、平臺(tái)拆除和修補(bǔ)及水下建筑工作。
二、金剛石串珠曲線鋸法
金剛石串珠曲線鋸法是從開采工業(yè)中發(fā)展來(lái)的，在石油天然氣工業(yè)中也有所應(yīng)用，當(dāng)發(fā)生井噴和油井著火時(shí)，需采用該技術(shù)進(jìn)行井口遠(yuǎn)程切割。
目前開發(fā)商已完成技術(shù)的改進(jìn)，制作了工具，進(jìn)行了用金剛石串珠曲線鋸法切割直徑比隔水套管還要大的鋼管水下結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)。金剛石串珠曲線鋸法的優(yōu)點(diǎn)在于其作業(yè)的高可靠性。
實(shí)踐證明，即使在巨大的軸向壓力作用下也可成功地切割導(dǎo)管架的主要管件，因?yàn)殂@粒珠直徑經(jīng)改進(jìn)后減小，使鉆粒纜在截面上切割速度比被鋸開的管件由于壓力釋放而使鋸口閉合的速度快得多，因此在鋸口閉合前鉆粒纜已經(jīng)離開，不會(huì)造成鋸縫卡住鉆粒纜運(yùn)動(dòng)的故障。
金剛石串珠曲線鋸切割方法利用一系列遙控操作設(shè)備，對(duì)鋼、混凝土或其它材質(zhì)進(jìn)行外部切割。系統(tǒng)不受目標(biāo)的大小、材質(zhì)、及海洋結(jié)構(gòu)的水深的影響，并可對(duì)任何構(gòu)件進(jìn)行高質(zhì)量的切割。這些特點(diǎn)使其成為進(jìn)行外部切割的理想工具。
1、金剛石串珠曲線鋸系統(tǒng)的構(gòu)成
剛石串珠曲線鋸系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成：能量單元、驅(qū)動(dòng)單元和鉆石曲線，由BLUECIASS公司提供的金剛石串珠曲線鋸系統(tǒng)。
①水力能量單元：40Hp電動(dòng)機(jī)，流量124.9L/min，大壓力206.7MPa，質(zhì)量為635.6kg。
②金剛石串珠曲線鋸：直徑81.3cm驅(qū)動(dòng)輪，轉(zhuǎn)速為0-50r/min，體積為74×31×38(長(zhǎng)×寬×高)，質(zhì)量為544.8kg。
③支撐框架：金剛石串珠曲線鋸的線體由鋼索、彈簧和外部嵌有金剛石的鋼珠組成。鋼索從鋼珠和彈筍的內(nèi)部穿出，鋼珠之間有彈簧分隔。
2、金剛石串珠曲線鋸的長(zhǎng)度計(jì)算及其技術(shù)參數(shù)
金剛石串珠曲線鋸的長(zhǎng)度=2×(切割深度+切割高度)+切割高度。
3、金剛石串珠曲線鋸法的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)
①缺點(diǎn)：該方法操作較復(fù)雜，從而產(chǎn)生不*切割，容易損壞吊裝設(shè)備及駁船。根據(jù)不同金剛石串珠曲線鋸切割能力和尺寸，需為其設(shè)計(jì)制造專門的夾具和索具。
②優(yōu)點(diǎn)：安裝方便，可由潛水員或ROV(水下機(jī)器人)完成，對(duì)水深無(wú)要求，環(huán)境安全可靠，對(duì)切割目標(biāo)無(wú)明顯的物理體積限制，可切割的材料多，切割質(zhì)量高。
三、旋轉(zhuǎn)內(nèi)割刀法
雖然研料高壓水射流法、金剛石串珠曲線鋸法優(yōu)點(diǎn)很多，但使用費(fèi)用相當(dāng)大，設(shè)備價(jià)格昂貴。內(nèi)割有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工制造且成本低、適用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于導(dǎo)管架樁腿的切割，可選用套管割刀。套管割刀是在進(jìn)行封井作業(yè)時(shí)用來(lái)割斷套管的。
旋轉(zhuǎn)內(nèi)割刀切割過(guò)程：
①清除樁腿內(nèi)的淤泥及雜物，以便順利安裝切割工具。方法是用高壓水噴射沖泥，用氣舉法將水與泥排出樁外。
②在平臺(tái)上搭設(shè)割刀的工作框架，將割刀從水面上樁腿的上口放進(jìn)樁腿。
③將割刀插入，到達(dá)預(yù)定位置后，液壓控制的刀臂張開使割刀在油管內(nèi)固定，然后刀片在油管內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行環(huán)向切割。
這種割刀在我國(guó)已使用多年，主要用來(lái)切割套管，在樁腿切割方面尚無(wú)應(yīng)用先例。雖然該切割工具要求進(jìn)行垂直作業(yè)，即被切割物應(yīng)該垂直放置，但對(duì)平臺(tái)而言，樁腿普遍具有8-10°的傾角，不會(huì)對(duì)切割產(chǎn)生大的影響。另外，該割刀的刀片價(jià)格比其它工具經(jīng)濟(jì)，且技術(shù)相對(duì)成熟。
四、三種切割技術(shù)比較
三種切割技術(shù)的比較，如下表所示。
