موضوعات علمی ، فنی مهندسی و بازرسی و دانلود کتاب و جزوه

جوشكاری تعمير و نگهداری در درياهای آزاد

 

حسین کهتری

 

 

امروزه كشف و توسعه ميادين نفت و گاز در اعماق آبهاي درياهاي آزاد، اهميت خاصي به جوشكاري و تعميرات سازه‌هاي مستقر در اين تأسيسات داده‌‌است. تعمير سازه‌ها و تجهيزاتي كه بر اثر خوردگي يا توفانهاي دريايي دچار خسارت شده‌اند، به روش جوشكاري زيرآبي خيس[i] انجام مي‌شود و به همين علت اين نوع جوشكاري به يك تكنولوژي مهم، قابل پيشرفت و ماندني تبديل شده‌است.

 

 

جوشكاري زيرآبي خيس يا U.W.W :

معمولاً روش جوشكاري U.W.W به روش جوشكاريOver Dry در زير آب ترجيح داده مي‌شود زيرا آماده‌سازي تجهيزات جهت جوشكاري به روش U.W.W در مناطقي كه فاقد امكانات كامل هستند سريعتر انجام مي‌گيرد. همچنين قيمت تمام شده تعميرات در اين روش بسيار ارزانتر از جوشكاري به روشOver Dry است. به طور مثال جهت تعويض و جوشكاري سازه بادبند افقي مدل K(K-Brace) در سكوي دريايي به روش Over Dry Welding چند ميليون دلار هزينه شده‌است در حاليكه نصب همين سازه با روش U.W.W داراي هزينه بسيار پاييني است. امروزه جوشكاري زير آب به روش U.W.W تا عمق 100 متري با موفقيت انجام شده‌است.

 

 

مشكلات جوشكاري زيرآبي خيس:

روش جوشكاري زيرآبي خيس در حال تبديل شدن به جانشيني مناسب براي روشهاي ديگر جوشكاري جهت جوشكاري تعميراتي تجهيزات خارج از ساحل[ii] مانند كشتيها و نيروگاههاي نصب شده در سكوهاي نفتي است.

مشكلاتي كه در جوشكاري زير آب به روش U.W.W وجود دارد ناشي از وجود اكسيژن و هيدروژن در منطقه جوشكاري شده‌است زيرا هنگام جوشكاري به اين روش در زير آب درجه حرارت ايجاد شده در منطقه قوس الكتريكي در حدود 10000 °k است كه باعث تجزيه آب به هيدروژن و اكسيژن مي‌شود. اين دو عنصر در درجه حرارت 2000 °c جذب حوضچه مذاب مي‌گردند. مقدار اكسيژن جذب شده حدود 1000 ppm و مقدار هيدروژن جذب شده حدود 100 ppm است در حاليكه طبق استاندارد حداكثر حد مجاز اين عناصر در جوشكاري اسكلت فلزي، 100 ppm براي اكسيژن و 5 ppm براي هيدروژن است. اين عناصر باعث ايجاد تخلخل[iii] در جوش و كاهش عناصر آلياژي در منطقه جوشكاري مي‌شوند. علاوه بر آن با قطع و وصل شدن متناوب قوس جوش، آب سرد اطراف بر روي منطقه جوشكاري پاشيده شده، باعث افزايش سختي جوش در منطقه HAZ مي‌گردد.

عوامل فوق با توجه به مقاومت مكانيكي سيم جوش مورد استفاده و آلياژ پايه مي‌توانند باعث ايجاد ترك هيدروژني در فلز پايه و منطقه جوش و همچنين افزايش سختي و كاهش انعطاف پذيري جوش گردند.

به‌ هر حال كيفيت جوشكاري به روش U.W.W طبق استاندارد ANSI/AWS 3.6 در كلاس B طبقه‌بندي مي‌شود در حاليكه روش جوشكاري زيرآبي در محيط خشك در كلاس A قرار دارد. اين امر باعث شده‌است براي سيستمهايي كه در اعماق زياد نياز به كيفيت جوش بالا وجود دارد، استفاده از روش جوشكاري زيرآبي خيس محدود گردد. زيرا با افزايش تخلخل و تركهاي ميكروسكپي حاصل از افزايش هيدروژن در جوش و منطقه HAZ و ناخالصيهاي ناشي از اكسيد شدن عناصر آلياژي، خواص مكانيكي جوش حاصله با افزايش عمق آب ضعيفتر مي‌شود. به همين دليل ادامه تحقيقات در رابطه با جوشكاري زيرآبي خيس ادامه دارد تا كيفيت اين جوش به كلاس A ارتقاء يافته، همانند روش جوشكاري زير آب در محيط خشك، در عمق زياد نيز قابل استفاده باشد.

 

 

تحقيقات روي روش U.W.W در مركز كلرادو:

مركز تحقيقات جوشكاري و اتصالات و پوشش در دانشكده معدن كلرادو، در دو دهه اخير پروژه تحقيقاتي گسترده‌اي را در رابطه با مسائل جوشكاري در زير آب به روش خيس انجام داده و تا كنون بعضي از مشكلات فوق را برطرف كرده و بعضاً به دلايل بروز مشكلات فوق دست يافته است.

 

 

پيشرفت در جوشكاري فولاد به روش زيرآبي خيس:

 

كاهش نفوذپذيري هيدروژن در فلز جوش:

در حين جوشكاري U.W.W قسمت عمده‌اي از هيدروژن توليد شده در حوضچه مذاب در فلز جوش حل شده، سپس به فلز پايه در منطقه HAZ نفوذ مي‌كند. اين فرضيه كاملاً تأييد شده‌است كه هيدروژن در ايجاد ترك در فلز جوش و فلز پايه عامل اصلي است. ترك هيدروژني براي فولادهايي كه سختي پذيري بالاتري دارند يا داراي كربن معادلي بيشتر از 4 درصد هستند حساستر است. بدين جهت الكترودهايي كه هيدروژن قابل حل كمتري توليد مي‌كنند براي جوشكاري اين نوع فولادها ترجيح داده مي‌شوند.

يك گزارش تحقيقاتي حاكي از آن است كه استفاده از الكترودهايي با روكش حاوي مواد اكسيد كننده مانند هماتيت[iv] به عنوان الكترود منفي در جريان مستقيم (DCEN)، باعث كاهش مقدار هيدروژن قابل نفوذ در جوشكاري زيرآبي خيس مي‌گردد.

همانگونه كه در منحني شكل 4 مشاهده مي‌شود وقتي مقدار هماتيت در روكش الكترود از 5% به 53% افزايش مي‌يابد، مقدار هيدروژن در 100گرم فلز جوش از 71 ميلي‌ليتر به 21 ميلي‌ليتر مي‌رسد. از طرفي در شرايط DCEP مقدار هيدروژن حل شده از 48 ميلي‌ليتر به 18 ميلي‌ليتر در 100 گرم فلز جوش مي‌رسد.دستيابي به مقدر 18 تا 20 ميلي‌ليتر هيدروژن در 100 گرم فلز حاصل از جوشكاري زيرآبي به روش خيس موفقيت بزرگي محسوب مي‌شود اگر چه اين موفقيت در آبهاي كم عمق بدست آمده است.

مكانيزم كاهش هيدروژن، بر اثر يك واكنش شيميايي انجام مي‌پذيرد يعني هيدروژن توليد شده توسط قوس الكتريكي حاصل از جوشكاري، با مولكول اكسيژن توليد شده از هماتيت موجود در روكش الكترود تركيب شده، مقدار هيدروژن كاهش مي‌يابد. آزمايشها نشان داده‌اند كه اگر مقدار هماتيت برابر53 درصد باشد، ساختار شبكه كريستالي سرباره جوش داراي تركيبي شيميايي به نام Fayalite با فرمول مي‌شود. شبكه يوني اين تركيب شيميايي موجود در سرباره، از نفوذ به حوضچه مذاب جلوگيري مي‌كند و باعث مي‌شود از توليد هيدروژن (كه بر اثر واكنش زير بين و آهن در منطقه قوس جوش در حين جوشكاري زيرآبي خيس ايجاد مي‌گردد) جلوگيري گردد.

ولي اگر مقدار هماتيت بيشتر يا كمتر از 53 درصد باشد سرباره بي‌شكلي[v] توليد مي‌گردد كه نمي‌تواند از نفوذ به داخل حوضچه مذاب جلوگيري كند (شكل 4 ).

 

اصلاح ساختار ميكروسكوپي جوش حاصل از روش U.W.W:

شبكه كريستالي جوش حاصل از الكترود روتيلي[vi] در اين روش داراي ساختاري شامل فريت مرزدانه‌اي[vii]، فريتهاي داراي فاز دوم همراستا و غيرهمراستا[viii] و مارتنزيت[ix] است. اين ساختار ميكروسكوپي باعث خواص مكانيكي بسيار نامناسب و ضعيفي مي‌شود. در شكل 5 ساختار ميكروسكپي حاصل از اين نوع جوشكاري قابل بررسي است.

محققان جهت بهبود ساختار ميكروسكپي اين روش و تبديل شبكه كريستالي آن به فريت سوزني[x]، به تركيب روكش الكترود روتيلي مقدار 10-20 ppm برن و 300 ppm تيتانيوم اضافه كردند. آزمايشها نشان دادند كه مقدار فريت سوزني به 90 درصد افزايش پيدا كرد (شكل6).

مكانيزم بهبود ساختار ميكروسكپي به روش بالا طبق تحقيقات انجام شده به شرح زير است: تيتانيوم داراي ميل تركيبي بيشتري با اكسيژن است در نتيجه حين جوشكاري، با اكسيژن تركيب شده، از اكسيد شدن عناصري مانند منگنز و سيليسيم كه مي‌توانند خواص مكانيكي جوش را بهبود دهند جلوگيري مي‌كند. همچنين برن در مرزهاي آستنيتي رسوب كرده، مانع تشكيل فازهاي تركيب اوليه[xi] (GBF) مي‌گردد.

با بهينه سازي تركيب فلز جوش از طريق اصلاح تركيبات روكش الكترود، محققان موفق شدند تا در ساختار ميكروسكوپي جوش حاصل از روش U.W.W به حدود 90 درصد ساختار فريت سوزني در عمق 30 متري آب و حدود 60 درصد از اين ساختار در عمق 90 متري دست يابند. با افزايش مقدار فريت سوزني، چقرمگي ضربه‌اي[xii] فلز جوش به نحو چشمگيري افزايش يافته است.

 

كاهش تخلخل جوش:

با افزايش عمق آب، مقدار تخلخل فلز جوش افزايش مي‌يابد بطوريكه در عمق 46 متري اين عيب به حدود 5 درصد و در عمق 91 متري به حدود 10 درصد مي‌رسد. وجود تخلخل در جوش يكي از عيوب مؤثر در كاهش خواص مكانيكي آن است.

دانشمندان سعي نمودند با افزودن عناصري مانند فرومنگنز، برن و تيتانيوم و مقدار كمي از فلزات خاكي نادر[xiii] (REM) به روكش الكترود روتيلي، اثر آنها را مورد بررسي قرار دهند. با اضافه نمودن فرو منگنز درصد تخلخل ايجاد شده در بهترين شرايط به حدود 5 درصد رسيده كه اين مقدار تخلخل طبق استاندارد AWS D3.6 در كلاسB در حد قابل قبول است. آزمايشها نشان داده‌اند كه افزايش كنترل شده برن و تيتانيوم باعث كاهش اندازه حفره ايجاد شده مي‌گردد ولي مقادير كم اين عناصر در پوشش روكش الكترود اثرات بهتري در كاهش درصد ايجاد تخلخل در فلز جوش دارد. همانگونه كه در شكل 7 مشاهده مي‌شود، با مقادير كم اين عناصر در روكش الكترود، تخلخل ايجاد شده در فلز جوش در اعماق 21 متري و 91 متري در محدوده 8/2 تا 6/6 درصد حجمي قرار دارند. اين امر نشاندهنده پيشرفت خوبي در كاهش تخلخل در روش جوشكاري زيرآبي خيس است.

تخلخل در روش جوشكاري زيرآبي خيس ممكن است به دلايل زير ايجاد گردد:

وجود هيدروژن ملوكولي

ايجاد منوكسيد كربن

ايجاد بخار آب در منطقه جوش

كاهش تخلخل ايجاد شده در جوش بر اثر اضافه نمودن فرومنگنز نشاندهنده نقش بخار آب و منوكسيد كربن در تشكيل حفره در جوش است. نتايج تحقيقات نيز مؤيد اين مطلب است كه عليرغم افزايش عناصر احيا كننده‌اي مانند تيتانيوم و عناصر REM در روكش الكترود، تخلخل ايجاد شده به علت وجود گاز هيدروژن در حوضچه مذاب كاهش نمي‌يابد.

 

محل ترجيحي قرار گرفتن تخلخل در فلز جوش :

محل به وجود آمدن حفره‌ها در فلز جوش در روش U.W.W، به نوع الكترود مصرفي بستگي دارد. محققان جوشكاريهاي انجام شده را در اعماق 50 متري و 100 متري با دو نوع الكترود E6013 و E7018 مقايسه نمودند. نتايج نشان مي‌دهند كه حدود 60 تا 90 درصد حفره‌هاي گازي در فلز جوش حاصل از الكترود E6013 نزديك سطح جوش تشكيل شده‌اند در حاليكه با الكترود E7018 اين مقدار حدود 41 تا 67 درصد است. همچنين مشاهده شد كه در جوشكاري چند پاسي با اين دو نوع الكترود، مقدار حفره گازي تشكيل شده با الكترود E6013 كمتر از مقدار حفره گازي تشكيل شده با الكترود E7018 است. علاوه بر آن، بررسيها نشان مي‌دهند كه اندازه حفره‌هاي گازي در ابتداي جوشكاري بزرگتر از حفره گازي تشكيل شده در انتهاي آن است. شكل 8 نشان مي‌دهد كه تخلخل از 8 درصد در ابتداي جوش به 4/2 درصد در انتهاي مسير كاهش مي‌يابد. دليل اين امر افزايش درجه حرارت الكترود در انتهاي جوشكاري است كه بر مدول و اندازه قطرات مذاب انتقال يافته از الكترود به حوضچه مذاب تأثير مي‌گذارد. تجربه نشان داده‌است كه مفتول الكترود بر اثر جوشكاري تا 65°C گرم مي‌شود. اين گرمايش باعث افزايش اندازه قطرات مذاب و در نتيجه محافظت بهتر عناصري مانند منگنز و سيليسيم در داخل اين قطرات مذاب مي‌شود. وجود اين گونه عناصر در حوضچه مذاب، همانطور كه قبلاً بحث شد، باعث كاهش تخلخل مي‌گردد.

 

افزايش نيكل و چقرمگي جوش فريتي در روش U.W.W :

همانگونه كه بحث گرديد، در روش جوشكاري زيرآّبي خيس تجزيه آب در محل قوس جوش منجر به توليد گاز اكسيژن مي‌شود. اين اكسيژن با عناصر آلياژي در داخل حوضچه مذاب واكنش نشان مي‌دهد. عناصر مختلف انرژي آزاد متفاوتي جهت اكسيد شدن دارند. بعضي از عناصر مانند آلومينيوم به دليل تغييرات بزرگتر انرژي آزاد هنگام اكسيد شدن، سريعترً با اكسيژن واكنش نشان مي‌دهند.

طبق دياگرام Ellingham-Richardson-Jeff، ميل تركيبي عناصر با اكسيژن به ترتيب زير است:

AL-Ti-Si-V-Mn-Cr-Fe-Ni

همانگونه كه ملاحظه مي‌شود، نيكل به علت انرژي آزاد اكسيد شدن بزرگتر، در حوضچه مذاب به آساني با اكسيژن تركيب نمي‌شود و در نتيجه هنگام جوشكاري درصد بازيافت نيكل از پوشش الكترود بسيار بالاست.

افزودن نيكل به تركيب روكش الكترود اكسيدي[xiv] به نحوي كه درصد نيكل در فلز جوش حدوداً 2 درصد افزايش پيدا كند، باعث مي‌شود كه چقرمگي ضربه‌اي فلز جوش حاصل از جوشكاري زيرآبي خيس در عمق 11 متري و در درجه حرارت صفر درجه سانتيگراد به 43j افزايش يابد . نيكل به دليل اصلاح دانه‌بندي شبكه كريستالي فولاد باعث بهبود چقرمگي فلز جوش مي‌گردد. در آزمايش ديگري كه با الكترود روتيلي انجام پذيرفت، افزودن 5/2 درصد نيكل به روكش الكترود، چقرمگي ضربه‌اي جوش حاصله را در صفر درجه سانتيگراد به 57j افزايش داد. در شكل شماره 9 مقايسه بين چقرمگي ضربه‌اي الكترود اكسيدي و الكترود روتيلي نشان داده شده‌است.

در شكل 10 سطح مقاومت شكست تست ضربه در -50°C براي دو نمونه از فلز جوش حاصل از جوشكاري زيرآبي مشاهده مي‌شود. در شكل 10A كه جوش 1/3 درصد نيكل دارد، سطح قطعه نشاندهنده شكست نرم[xv] است در حاليكه در شكل 10B كه جوش، نيكل كمتري دارد شكست از نوع ورقه‌اي[xvi] است و هر دو دقيقاً با مقدار انرژي جذب شده كه به ترتيب 11j و 57j هستند مطابقت دارند.

 

 

مراجع

1- Perez-Guerrero F. & Liu S., Maintenance and Repair Welding in the Open Sea, Welding Journal, Nov. 2005

 

[i]- under water wet welding

[ii] - offshore

[iii] - porosity

[iv] - hematite

[v] - amorphous

[vi] - rutile

[vii] - grain boundary ferrite (GBF)

[viii] - ferrite with aligned and non-aligned second phases(FS(A) & FS(NA))

[ix]- martensite (M)

[x] - acicular ferrite (AF)

[xi] - proeutectoid

[xii] - impact toughness

[xiii] - rareearth metal

[xiv] - oxidizing electrodes

[xv] - ductile

[xvi] - cleavage