JPH11245032A

JPH11245032A - 乾式水中溶接方法

Info

Publication number: JPH11245032A
Application number: JP5316098A
Authority: JP
Inventors: Toru Iwasaki; 徹岩崎; Mitsuru Komori; 充小森; Kazuhiro Fukuda; 和廣福田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 1999-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】水中にある箱状鋼構造物底に形成された溶接
開先を溶接用裏当て材でシールし、箱体内での溶接に圧
気を必要としない乾式水中溶接方法を提供する。【解決手段】本乾式水中溶接方法は、(1)箱体１上に
設置されたエアーコンプレッサ３から内部に圧縮空気を
送給して突合せ溶接開先２の隙間から内部の水を排除
し、(2)ダイバーが水５中にもぐり、箱体１の下から開
先２裏面に、溶接用裏当て材４(水中に没したとき空気
膜保持可能なコーティング層を有するフラックス粒子
と、該粒子を内包する、同コーティング層を有するガラ
ス繊維チューブからなる)を装着してシールし、(3)エア
ーコンプレッサ３を減速して換気用エアーを供給し、
(4)溶接作業者が箱体１内部に溶接ノズル６を持って入
り、開先２の初層溶接をＣＯ₂半自動溶接法により行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、石油生産施設、荷
役施設、貯蔵施設、洋上空港、海上備蓄基地、橋梁、沈
埋トンネル、波力・潮流・温度差発電施設、海洋牧場等
の海洋構造物を洋上で施工する時の水中溶接法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】信頼性のある水中溶接を行うために、通
常は溶接箇所から水を排除しドライな環境をつくって溶
接する乾式水中溶接が用いられる。ドライな環境をつく
る主要な方式としては以下がある。

【０００３】ａ）一つは、溶接箇所、又は溶接箇所を含
む区画全体をチャンバー又はシール用ベルト等で囲み、
水を排除して溶接する方法である。

【０００４】ｂ）他に溶接箇所を含む区画全体を気密に
し、空気を送り込んで圧力をあげ水を押し下げてドライ
な環境をつくる方法（圧気工法）がある。この方法で
は、例えば図５に示すように、溶接箇所を含む区画とし
て底板に溶接開先が形成された箱体１の内部に、箱体１
上に設置されたエアーコンプレッサ３から圧縮空気を送
って、内部の水を排除する。そして溶接開先２の下側に
設けられた囲い８の中に空気溜り９を形成して、水中に
潜ったダイバーによって溶接開先２の裏面に裏当板７を
溶接する。なお箱体を新しく設置する場合は、裏当て板
はもともと箱体の製作時に片側の板の開先部に取り付け
ておくこともできる。その後、送給される圧縮空気の下
で、溶接作業者が箱体１内部で溶接開先の初層溶接を半
自動ＣＯ₂溶接法で行う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ａ）の方法では、大型
構造物で溶接長が長い場合、大規模なチャンバーまたは
大型の水密ベルトを準備する必要があり、その現場での
設置作業も大がかりで費用がかかる。

【０００６】ｂ）の場合、溶接箇所が気密になりやすい
区画された構造物の場合は（例えば超大型浮体構造物な
ど）、大がかりな装置を必要とせず、且つ能率的に排水
できる利点がある。しかし、圧気した状態で初層の溶接
を行って開先部をシールするため、水深が深い場合は区
画内の圧力が高くなり且つ換気が難しく、閉ざされた空
間で溶接中に発生するヒュームより作業環境が悪くな
る。又、開先部分から圧気用のエアが噴出するため、特
に溶接線の最終部分で開先の開口が小さくなると噴出す
るエア流速が大きくなり、溶接シールド不良で溶接がで
きなくなる場合がある。なお、開先部を初層溶接により
シールした後は、圧気をやめて仕上げ溶接を行う。

【０００７】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、箱体の構造物に形成された溶接開先を、水中に没し
たときに空気膜を保持可能なコーティング層を有する溶
接用裏当て材でシールすることにより、溶接中に圧気を
必要としない良好な溶接環境をつくり良好な溶接を行う
ことができる乾式水中溶接方法を提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の乾式水中溶接方法は、水面上に浮上してい
る、あるいは底部が水中に沈んでいる鋼構造物の箱体の
底板または側板に形成された突合せ溶接開先を溶接する
方法であって、(1)箱体の内部に圧縮空気を送給して突
合せ開先の隙間から内部の水を排除し、(2)箱体の下か
ら開先裏面に、溶接用裏当て材として開先形状に追随し
て表面が容易に変形し、かつ表面が水中に没したときに
空気膜を保持可能なコーティング層で覆われている柔軟
裏当て材を装着し、(3)その後、箱体内部に圧縮空気を
止めて代わりに穏やかな換気用空気を供給し、(4)箱体
内部で溶接作業者が突合せ溶接開先の初層をアーク溶接
する方法である。

【０００９】この乾式水中溶接方法では、溶接用裏当て
材として、粒状フラックスと該粒状フラックスを内部に
充填する繊維製チューブとから構成され、かつ繊維製チ
ューブの表面に、あるいは粒状フラックス及び繊維製チ
ューブの各表面に、水中に没したときに空気膜を保持可
能なコーティング層を有する柔軟裏当て材、又は上記粒
状フラックスと繊維製チューブとからなる柔軟裏当て材
の代わりに、この柔軟裏当て材と、この柔軟裏当て材の
下側から支持し、同様に水中に没したときに空気膜を保
持可能なコーティング層で被覆されたセラミック裏当て
材と、両裏当て材を収納する枠とからなる複合裏当て材
を用いてもよい。

【００１０】以下、水中に没したときに空気膜を保持可
能なコーティング層を形成する方法およびその作用につ
いて説明する。空気膜を保持させるために、２つの条件
が必要であることを見いだした。１つは材料の撥水性で
あり、もう一つは空気膜を保持させるための表面の微細
な凹凸構造である。前者の撥水性は水との接触角で言う
と９０度以上が望ましい。９０度以下では空気膜を長期
間保持することができない。後者の表面の微細な凹凸は
水中で空気を保持するために必要な空間である。この凹
凸があるため、水中に没したときこの部分に空気を保持
し、表面に空気膜を保持することが可能になる。材料と
水が直接接することを防止する働きがある。

【００１１】表面の微細な凹凸の形状は、断面が三角形
や半球状あるいは不定形の突起、または凹みを連続的に
または不規則に配置したものでよい。凹凸の寸法は、凹
部と凹部の間隔または凸部と凸部の間隔（以下、単に凹
凸の間隔という）は、２ｎｍ〜２００μｍが好ましい。
さらに好ましく２０ｎｍ〜５０μｍが好ましい。２０ｎ
ｍ以下では空気の保持できる空間の大きさが小さく、水
中での空気膜の容積が小さくなってしまうこと、２００
μｍ以上では、凹凸の間隔が広くなり、水中での空気の
保持が悪くなるからである。

【００１２】凹凸の高さは、２０ｎｍ以上が好ましい。
これ以下だと空気膜の保持性能が悪い問題がある。上限
は空気膜の形成に関しては特に制限はないが、溶接時に
作業がやりにくくならない、寸法精度悪くならない範囲
である。１ｍｍ以下が好ましい。

【００１３】繊維製チューブおよびフラックスの撥水処
理方法としては、繊維製チューブの表裏面及びフラック
ス粒子表面を、疎水基を有する表面処理剤の液でコーテ
ィング処理して、それら表面に疎水基を結合させる方法
を用いる。

【００１４】セラミック裏当て材のコーティング方法と
しては、硬化後に上記の撥水性と、空気層を保持させる
ための凹凸構造が構成されるようにあらかじめ調整され
たコーティング液を、開先加工部等の溶接部表面に塗布
する方法が利用できる。コーティング液は、疎水性粒子
および樹脂を溶媒に混合・分散したスラリーからなる。
疎水性粒子は、無機酸化物の粒子表面を疎水基を有する
表面処理剤で処理したもの、有機材料のポリテトラフル
オロエチレン粒子を用いることが出来る。粒子は空気膜
を保持するための凹凸構造を構成するものであるので、
粒径は、平均粒径で２ｎｍ〜２００μｍが好ましい。さ
らに好ましくは２０ｎｍ〜５０μｍが好ましい。２０ｎ
ｍ以下では空気の保持できる空間の大きさが小さく、水
中での空気膜の容積が小さくなってしまうこと、２００
μｍ以上では、凹凸の間隔が広くなり、水中での空気の
保持が悪くなるからである。

【００１５】処理を行う無機酸化物粒子の種類は、シリ
カ、アルミナ、酸化チタン、酸化鉄などを挙げることが
出来る。

【００１６】また、セラミック裏当て材はもともと表面
が微小な凹凸を有するため、該基材表面を、疎水性基を
有するアルコキシシラン、クロロシラン、シラザンのい
わゆるシラン化合物や、ジメチルポリシロキサン、疎水
基を有するチタネートカップリング剤、アルミニウム系
カップリング剤の液で処理して、基材表面に疎水基を結
合させる方法を用いることもできる。

【００１７】疎水基を有する表面処理剤は、アルキル基
やフッ素置換疎水性基を有するシラン、クロロシラン、
シラザンのいわゆるシラン化合物や、ジメチルポリシロ
キサン、アルキル基を有するチタネートカップリング
剤、アルミニウム系カップリング剤を使用する。

【００１８】アルキル基を有するシラン化合物として、
メチル基を有するもので、例えばメチルメトキシシラン
ＣＨ₃Ｓｉ(ＯＣＨ₃)₃、ジメチルジメトキシシラン(ＣＨ
₃)₂Ｓｉ(ＯＣＨ₃)₂、トリメチルメトキシシラン(ＣＨ₃)
₃Ｓｉ(ＯＣＨ₃)、メチルトリエトキシシランＣＨ₃Ｓｉ
（ＯＣ₂Ｈ₅)₃、ジメチルジエトキシシラン(ＣＨ₃)₂Ｓｉ
(ＯＣ₂Ｈ₅)₂、トリメチルエトキシシラン(ＣＨ₃)₃Ｓｉ
(ＯＣ₂Ｈ₅)、ヘキサメチルジシラザンなどがあり、エチ
ル基を有するものでは、エチルトリメトキシシランＣ₂
Ｈ₅Ｓｉ(ＯＣＨ₃)₃、ジエチルジメトキシシラン(Ｃ
₂Ｈ₅)₂Ｓｉ(ＯＣＨ₃)₂、トリエチルメトキシシラン(Ｃ₂
Ｈ₅)₃Ｓｉ(ＯＣＨ₃)、エチルトリエトキシシランＣ₂Ｈ₅
Ｓｉ(ＯＣ₂Ｈ₅)₃、ジメチルジエトキシシラン(Ｃ₂Ｈ₅)₂
Ｓｉ(ＯＣ₂Ｈ₅)₂、トリエチルエトキシシラン(Ｃ₂Ｈ₅)₃
Ｓｉ(ＯＣ₂Ｈ₅)などがあり、プロピル基を有するもの
で、プロピルトリメトキシシランＣ₃Ｈ₇Ｓｉ(ＯＣ
Ｈ₃)₃、ジプロピルジメトキシシラン(Ｃ₃Ｈ₇)₂Ｓｉ(Ｏ
ＣＨ₃)₂、トリプロピルメトキシシラン(Ｃ₃Ｈ₇)₃Ｓｉ
(ＯＣＨ₃)、プロピルトリエトキシシランＣ₃Ｈ₇Ｓｉ(Ｏ
Ｃ₂Ｈ₅)₃、ジプロピルジエトキシシラン（Ｃ₃Ｈ₇)₂Ｓｉ
（ＯＣ₂Ｈ₅)₂、トリプロピルエトキシシラン（Ｃ₃Ｈ₇)₃
Ｓｉ(ＯＣ₂Ｈ₅)などがあり、長鎖アルキルシランとして
ｎ−オクタデシルトリメトキシシラン、ｎ−ドデシルト
リエトキシシラン等がある。

【００１９】上記のような炭素数１〜２０のアルキル基
を１〜３個有するアルコキシシランに、クロルシラン又
はシラザンの単独又は複数種を混合して使用することが
できる。但し、本発明の金属アルコキシドは以上の例示
化合物に限定されない（以下同様）。

【００２０】フッ素置換疎水性基を有するシラン化合物
は、例えばパーフルオロオクチルエチルトリエトキシシ
ランＣＦ₃(ＣＦ₂)₇(ＣＨ₂)₂Ｓｉ(ＯＣ₂Ｈ₅)₃、パーフル
オロイソプロピルエチルトリエトキシシラン(ＣＦ₃)₂Ｃ
Ｆ(ＣＨ₂)₂Ｓｉ(ＯＣ₂Ｈ₅)₃などのほかに、パーフルオ
ロメチルエチルトリメトキシシラン、パーフルオロブチ
ルエチルトリメトキシシラン、パーフルオロオクチルエ
チルトリメトキシシラン、パーフルオロオクチルエチル
メチルジメトキシシランなどの炭素数１〜２０の、好ま
しくは１〜１０のパーフルオロアルキル基を有するアル
コキシシランなどが挙げられる。

【００２１】チタネートカップリング剤としては、イソ
プロピルトリイソステアロイルチタネート、イソプロピ
ルトリス(ジオクチルパイロホスフェート)チタネート、
テトライソプロピルビス(ジオクチルホスファイト)チタ
ネート、テトラオクチルビス(ジトリデシルホスファイ
ト)チタネートなどが挙げられる。

【００２２】アルミニウム系カップリング剤としてはア
セトアルコキシアルミニウムジイソプロピレートを挙げ
られる。但し、上記の表面処理剤と同等の疎水性能を有
する処理剤であれば、上記の表面処理剤に限定されるわ
けでない。

【００２３】上記処理をした柔軟裏当て材およびセラミ
ック裏当て材は、水にまったくあるいは殆ど濡れない性
質となる。水中に没した場合は、表面に薄い空気の膜を
生じる性質となる。この空気の膜は、光を当てると、銀
色に反射することで確認できる。撥水処理された柔軟裏
当て材、あるいは撥水処理された柔軟裏当て材に撥水処
理されたラミック裏当て材を下から重ねてなる複合裏当
て材は、水中に没しても内部への水の浸入もなく完全に
水にぬれることがないため、この裏当て材を当てた開先
部をガスメタルアーク溶接法で溶接する際、完全に水の
ない状態で溶接可能となり安定な溶接と良好な裏波ビー
ドを得ることができる。

【００２４】ここで、上記の各表面処理剤により形成さ
れたコーティング層が、水中に没したときに空気膜を保
持可能となるような性質について、図６、７、８を参照
して説明する。図６に示すように、表面の一部に本コー
ティング層２１を形成した平板２０(金属、セラミック
または合成樹脂等の板)を空気中から水２３中に入れた
際、コーティング層２１表面に接していた空気が保持さ
れた状態で水中に持ち込まれ、層表面部に空気膜２２が
形成される。そして、例えば、この空気膜２２に細管２
４を通じて少量の空気を送りこむと、空気はこの空気膜
２２内に取り込まれて、膜２２は点線で示すように膨ら
む。このようにコーティング層２１は、水中で表面上に
薄い空気膜２２を保持し、外部から供給された空気を空
気膜２２中に取り込むという特有の性質がある。

【００２５】この空気を取り込む性質について、さら
に、図７(Ａ)、(Ｂ)を用いて説明する。まず、図７(Ａ)
に示すように、表面全体にコーティング層２１を形成し
た平板２０を水中で傾斜させて、細管２４を通じて板表
面に空気を連続的に供給した時は、空気がコーティング
層２１表面に保持された空気膜２２に取り込まれ、板２
０の傾斜面にそって上昇し、そして空気膜２２端から気
泡２７となって浮上する。図７(Ｂ)は、図７(Ａ)での平
板２０を上り斜面の正面寄りからみた図であり、図示の
ように、空気２５が上り斜面にそって広がりながら流
れ、上端で空気溜り２６となり、そこから気泡２７とな
って浮上する。これと比べて、本コーティング層がな
い、例えば生地表面を露出した平板２０を若干傾斜させ
て水中に浸漬し、金属板表面に細管を通じて空気を送り
こんだ時、図８に示すように空気は板表面に接すると、
直ちに板表面から離れ、気泡となって浮上する。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明による乾式水中溶接
方法の実施の形態を図面により説明する。図１、２、３
は溶接用裏当て材として、水中に没したときに空気膜を
保持可能なコーティング層で被覆された柔軟裏当て材を
用いる乾式水中溶接方法を説明する図である。

【００２７】図１に示すように、この乾式水中溶接方法
を適用する鋼構造物は、上部が水面上にあり底部が水中
にある箱体１である。箱体１の底板に突合せ溶接開先２
が形成されている。この場合、既設の構造物である箱体
１の底板にクラックが発生し、これを溶接補修するため
にクラックを除去して溶接開先２を形成した状況を示し
ている。この時点では箱体１内部に水５が浸入してい
る。

【００２８】補修施工の手順を図２により説明すると、
(１)まず、箱体１上に設置されたエアーコンプレッサ３
から内部に圧縮空気を送給して突合せ溶接開先２の隙間
から内部の水を排除する。(２)ダイバーが水５中にもぐ
り、箱体１の下から開先２裏面に、処理された溶接用裏
当て材４を装着してシールする。(３)エアーコンプレッ
サ３を停止して、代わりに換気装置（例えば吸い込みフ
ァン）により送風する。(４)溶接作業者が溶接ノズル６
を持って箱体１上から作業用穴などを通って内部に入
り、開先２の初層溶接をＣＯ₂半自動溶接法により行
う。かくして、箱体１は水密構造となる。(５)その後、
溶接作業者は、換気用エアーの下で、開先２を仕上げ層
まで溶接する。(６)溶接作業の終了後に、ダイバーが水
５中にもぐり溶接開先２裏面から溶接用裏当て材４をひ
きはがす。なお、溶接用裏当て材４の取りはずしは、初
層溶接の後、適宜時期に行えばよい。また、ダイバーが
ひきはがす代わりに、裏当て材の端部に取り付けたステ
ンレス製ワイヤを工事穴から引っ張ることによりひきは
がすようにしてもよい。

【００２９】溶接用裏当て材４は、図３、４に示すいず
れかを用いる。図３に示す柔軟裏当て材４Ａは、粒状の
溶接フラックス１２とそれを内部に充填する繊維製チュ
ーブ１３とから構成されて柔軟性を有するもので、そし
て繊維製チューブ１３の表面に、あるいは粒状フラック
ス１２および繊維製チューブ１３の各表面に、水中に没
したときに空気膜を保持可能なコーティング層を有する
ものである。柔軟裏当て材４Ａは、上部にフランジを張
り出した溝型の固定具１４に下から支持され、フランジ
に設けた両面接着テープ１３（または磁石）により、溶
接開先２裏面に装着される。なお、直接に繊維製チュー
ブ表面に両面接着テープまたは磁石を設けて、固定具な
しに柔軟裏当て材を装着してもよい。柔軟裏当て材は、
柔軟性の故に、開先の目違いなどにも良くなじんで開先
裏面との間に隙間を作らず、又、空気膜を保持する性質
を有する故に水密性は極めて良好であり、圧縮エヤーの
供給をやめても水の浸入はない。

【００３０】図４に示す溶接用裏当て材４Ｂは、柔軟裏
当て材４Ａとその下に重ねたセラミック裏当て材１６と
を組み合わせたもので、セラミック裏当て材１６も表面
処理剤でコーティングされたものを用いる。溶接用複合
裏当て材４Ｂは、溶接ワイヤが溶け込み過大により柔軟
裏当て材４Ａを貫通するような突き抜けがあった場合で
も、柔軟裏当て材４Ａ下のセラミック裏当て材１６で阻
止し、それにより箱体１の水密性を維持することができ
る。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、乾式水中溶接方法を、
水上鋼構造物を構成する箱体内部の入った水を圧気工法
により排水し、箱体の底板に形成された溶接開先裏面に
溶接裏当て材として、水中に没したときに空気膜を保持
可能なコーティング層で被覆された柔軟裏当て材を装着
してシールすることにより箱体の水密性を確保して、そ
の後にガスシールドアーク溶接を行うものとしたので、
溶接時には、溶接作業者は圧縮空気でなく穏やかなエア
ーの下で十分な換気を行いながら安全でかつ良好な溶接
を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の乾式水中溶接方法を適用する構造物を
説明する図である。

【図２】本発明の乾式水中溶接方法を説明する図であ
る。

【図３】表面処理剤で処理された柔軟裏当て材の構成を
示す図である。

【図４】それぞれ表面処理剤で処理された柔軟裏当て材
とセラミック裏当て材を組み合わせた複合裏当て材を示
す図である。

【図５】圧気工法を用いる従来の乾式水中溶接方法を説
明する図である。

【図６】水中で空気膜を表面に保持するコーティング層
を説明する図である。

【図７】板面に形成されたコーティング層が空気膜を保
持し、該空気膜に取り込まれた空気がコーティング層の
面にそって移行することを説明する図である。

【図８】表面処理剤で処理されてない板を水中に浸漬
し、板表面に空気を送りこんだ時、空気は直ちに気泡と
なって浮上する様子を示す図である。

【符号の説明】

１箱体２突合せ溶接開先３エアーコンプレッサ４、４Ａ、４Ｂ溶接用裏当て材５水６溶接ノズル１１コーティングされた粒状フラックス１２コーティングされたガラス繊維チューブ１３両面接着テープ１４固定治具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＢ２３Ｋ 37/06 Ｂ２３Ｋ 37/06 Ｆ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水面上に浮上している又は底部が水中に
沈んでいる鋼構造物である箱体の底板又は側板に形成さ
れた突合せ溶接開先を溶接する方法であって、箱体の内
部に圧縮空気を送給して突合せ開先内部の水を排除し、
箱体の外側から開先裏面に、該開先の形状に追随して表
面が容易に変形し且つ表面が水中に没したときに空気膜
を保持可能なコーティング層で覆われた柔軟な裏当て材
を装着し、その後、圧縮空気を止めて代わりに換気用の
空気を箱体内部に供給し、箱体内部で突合せ溶接開先の
初層溶接を行うことを特徴とする乾式水中溶接方法。
【請求項２】溶接用裏当て材として粒状フラックスと
該粒状フラックスを内部に充填する繊維製チューブとか
ら構成され、且つ、繊維製チューブの表面及び内部の粒
状フラックスには水中に没したときに空気膜を保持可能
なコーティング層を有する柔軟裏当て材を用いた請求項
１記載の乾式水中溶接方法。
【請求項３】柔軟裏当て材の代わりに、該柔軟裏当て
材と、該柔軟裏当て材を下側から支持し、水中に没した
ときに空気膜を保持可能なコーティング層で被覆された
セラミック裏当て材を装着する請求項１記載の乾式水中
溶接方法。