دانشجویان مهندسی مکانیک شهرکرد

تکنولوژی در زیر دریا در مرز تکنولوژیهای مدرن عصر ما می باشد و با وجود آنکه حدود بیست سال از رشد وتوسعه این تکنولوژی می گذرد هنوز هم در انحصار برخی از شرکتهای بزرگ چند ملیتی است. فقط کشور های محدودی در سطح جهان به این تکنولوژی دسترسی و تسلط کامل دارند. از سوی دیگر ضرورت کشف و بهرورداری از منابع نفت وگاز زیر دریائی با توجه به اهمیت اقتصادی عظیمی که این منابع می توانند برای یک کشور داسته باشند مسئله ای بسیار مهم است.

تکنولوژی جوشکاری و برشکاری زیر آب ضمن آنکه در ارتباط با تعمیر بخشهای زیر آب کشتی ها،اسکله ها و پایه های سازه های دریایی لازم میباشد ، بطور اخص در زمینه نصب سکوهای استخراج، خطوط لوله زیر آب و همچنین تعمیر آنها به طور وسیع مورد استفاده قرار میگیرد..........                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

دو روش متدوال برای جوشکاری زیر آّب عبارتند از :

1- جوشکاری مرطوب در زیر آب (under water wet welding):

در این روش هیچگونه حفاظی در اطراف جوشکاری و حوضچه مذاب وجود ندارد و جوشکاری کاملا در محیط آب صورت می گیرد.

در گذشته جوشکاری مرطوب اکثرا برای تعمیر قسمتهای زیر آب بدنه کشتی و وصله زدن روی قسمتهای آسیب دیده یا جوشکاری اجزاء غیر باربر سازه ها ی در یایی بکار می رفت.

سختی و شکنندگی جوش حاصل در این روش بواسته سرعت زیاد سرد شدن (quench hardening) و همچنین در ساختار جوش مهمترین عامل بازدارنده برای بکارگیری این روش جهت جوشکاری اجزاء باربر سازه های دریائی بود و امروزه نیز با وجود پیشرفتهای قابل توجهی که در کیفیت جوش مرطوب ایجاد شده هنوز هم در بین برخی از شرکت های دریائی نوعی بدبینی نسبت به این روش جوشکاری و بویژه بکارگیری آن برای جوشکاری سازه های باربر وجود دارد.

بررسی معایب و مشکلات جوشکاری به روش مرطوب:

این روش از خیلی جهات مشابه روشهای معمول جوشکاری در محیطهای کارگاهی خارج از آب است و فقط چند مورد متفاوت وجود دارد که تشریح خواهد شد.

برای مثال جوشکاری به روش مرطوب در زیر آب تعداد محدودی از الکترودها را می توان بکار گرفت.این الکترودها از نظر ترکیب و فرمول شیمیایی همان اکترودهایی هستند که در محیط بیرون از آب بکار گرفته می شوند که فقط برای استفاده در داخل آب به یک لایه محافظ ضد آب روی روپوش خود مجهز شده اند.

از آنجا که در این روش و در اغلب موارد اطراف محل جوشکاری با آب دریا احاطه شده، باید تاثیرات این مسله بر روی فرایند جوشکاری را مورد توجه قرار داد که برخی از مهمترین این تاثیرات عبارتند از:

1: پس از برقراری جرقه قوس الکتریکی که در اثر کشیدن الکترود روی قطعه کار ایجاد می شود، به دلیل گرمای ناشی از قوس الکتریکی حباب های ناشی از تبخیر آب در نواحی اطراف نقطه جوشکاری بوجود آمده و به سمت بالا به حرکت در می آیند.

دو عامل دیگر نیز در جوشکاری به روش مرطوب باعث ایجاد حباب های صعود کننده خواهند شد عبارتند از گاز های محافظ ناشی از سوختن روکش اکترود و همچنین حباب های هیدوژن که ناشی از الکترولیز و تجزیه شیمیایی آب به واسطه حرارت و عبور جریان الکتریکی است. حرکت دائمی حباب های گاز و بخار آب به بالا (حدود 15 حباب در ثانبه) ضمن به هم زدن قوس الکتریکی جلوی دید قواص جوشکار را میگیرد و به همین علت استفاده از روش های MAG/MIG نسبت به SMAW بسیار بهتر خواهد بود.

2- با توجه به اینکه توانایی هدایت گرما در آب 25 برابر هوا می باشد ناحیه جوش و منطقه تحت تاثیر گرمای جوش (HAZ) به سرعت در آب سرد می شوند. بنابراین به دلیل سرعت زیاد سرد شدن مذاب که حدود 15 برابر این سرعت در هوا می باشد. جنس فلز تحت جوشکاری بایستی دارای حساسیت کمی نسبت به سخت شدن در اثر سرمایش سریع (quench hardening) باشد.

3- از آنجا که آب اثر سردکنندگی شدیدی روی قوس الکتریکی دارد در این روش ولتاژ کار در مقایسه با جوشکاری در مجاورت هوا باید حدود 25% بالاتر در نظر گرفته شود. ضمنا باید تا آنجا که ممکن است شدت جریان را بالا برد بدین منظور در روش جوشکاری مرطوب عمدتا از الکترود با قطر مغزی 4 تا 6 میلیمتر می شود و جریان 20 در صد در نظر گرفته می شود. تا از افت حرارت قوس به واسطه تماس مستقیم با آب جلوگیری شده و همچنین جریانی که در آب به هدر می رود جبران شود.

برای مثال الکترود با مغزی 4 میلیمتر را در نظر بگیرید. همانطور که می دانید به ازای هر میلیمتر از قطر مغذی الکترود در جوشکاری دستی معمولی با برق (smaw) می توان از 30 تا 40 آمپر جریان استفاده نمود.بنابراین حداکثر مجاز جریان برای جوشکاری با الکترود 4 میلیمتری در مجاورت هوا 160 آمپر خواهد بود اما در صورت استفاده از الکترود با قطر مغزی 4 میلیمتر در جوشکاری مرطوب زیر آب باید جریان را بیست در صد بالاتر از این حداکثر مجاز یعنی حدود 190 تا 200 آمپر در نظر گرفت.

سرعت سرد شدن مذاب جوش در آب 15 برابر بیشتر از سرعت سرد شدن آن در هوا (جوشکاری خارج از آب) است.

4- یکی از معمولی ترین عیوب در جوشی که به روش مرطوب در زیر آب ایجاد می شود حبس (آخال سرباره) در داخل فلز جوش است. چرا که سرعت زیاد سرد شدن مذاب این امکان را به سرباره نمی دهد تا خود را به بالای سطح مذاب برساند. هم اکنون چندین مرکز بزرگ تحقیقاتی بر روی این مسئله تحقیق می کنند و سعی دارند تا الکترودهائی را تولید کنند تا تاثیرات منفی آب بر روی کیفیت جوش را به حداقل برسانند. برخی از این موسسات از قبیل موسسه تحقیقات دریائی اوهایو بسیار موفق بوده اند و توانسته اند الکترودهائی را ارائه دهند که مشکلات جوشکاری در مجاورت آب بویژه وقوع عیب حبس سرباره در جوش را به حداقل برساند.

از آنجا که سرباره جوش به واسطه سرد شدن سریع مذاب در جوشکاری زیر آب به روش مرطوب فرصت چندانی برای شناور شدن در مذاب و آمدن به سطح مذاب را ندارد. یکی از معمولیترین عیوب جوش در این روش جوشکاری حبس سرباره (slag inclusion) خواهد بود.

5- بخار آب تولید شده در اثر تجزیه حرارتی آب، به هیدروژن اتمی تجزیه می شود که این هیدروژن اتمی در مذاب نفوذ می کند و این مسئله منجر به تردی، شکنندگی و ترک در جوش می شود. درصد گاز هیدورژن در مخلوط حباب های گاز – بخار آب که از سوختن الکترود بوجود می آید حدود 70% در صد می باشد. برای مقابله با این مسئله شرکت های تولید کننده الکترود های زیر آب افزودنیهائی را به ترکیب شیمیایی روکش الکترودها می افزاید تا نفوذ هیدروژن را به حداقل برساند.
6- طی آزمایشی در مخزنی که قابلیت ایجاد شرایط 100 متری زیر آب را دارا بود ثابت گردید که با افزایش عمق، خطر ترک خوردگی جوش در این روش بیشتر خواهد شد. بالاترین عمق گزارش شده برای جوشکاری به روش مرطوب مربوط به یک مورد جوشکاری در عمق 180 متری در خلیج مکزیک می باشد.

جوشکاری سازه های دریایی و پایه های سکوهای نفتی از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است چرا که این سازه ها تحت بار های زنده و دینامیکی و همچنین بار های استاتیکی بزرگ و قابل توجهی را قرار خواهد گرفت.

2- جوشکاری خشک در زیر آب (under welding)

جوشکاری خشک در زیر آب به منظور رفع اشکالات مربوط به روش مرطوب در سال 1968 و در موسسه API (انجمن نفت آمریکا) پایه گذاری شد. اصول جوشکاری خشک بر این متکی است که یک اتاق تحت فشار هوا در اطراف محل جوشکاری ایجاد می کنندو غواص با وارد شدن به این اتاق شروع به جوشکاری می نماید. از آنجا که هزینه ایجاد اتاقهای چوشکاری زیر آب بسیار بالاست در سالهای بعد و پس از مطالعات و تحقیقات زیاد روش دیگری برای جوشکاری زیر آب ابداع شدو آن استفاده از HYDRO BOX می باشد. هایدرو باکس محفظه شفاف کوچکی است که در اظراف درز جوشکاری قرار گرفته و توسط فشار گازی خنثی از آب خالی می شود و جوشکار فقط دست خود یا قسمتی از بدن خود را در آن وارد می کند ولی خود در داخل آب است.  تحقیقات انجام شده و تجربیات بدست آمده نشان داده که از روش جوشکاری خشک می توان در عمق 600متری دریا استفاده نمود

این اتاقهای جوشکاری به صورت دو تکه ساخته می شوند که دارای دو دریچه روبرو به هم برای عبور لوله از میان اتاق می باشند. ابتدا و تکه های پایینی اتاق در بستر دریا مستقر شده سپس لوله ها بر روی آنها سوار می شوند و بعد تکه های بالایی را بر روی تکه های پایینی اتاقها قرار می هند. در مرحله بعد با تزریق آب فشرده آب داخل اتاق را خالی می کنند.

تا کنون اتاق های مختلفی برای جوشکاری خشک در زیر آب با طرح های گوناگون از نظر فشار داخلی ،تهویه و . . . طراحی و به کار گرفته شده اند

برای آب بندی محل ورود لوله ها از لاستیک و لایه های باد شونده استفاده می شود. از طریق یک کشتی که در سطح آب قرار دارد فشار هوای لازم برای اتاق،هوای لازم برای تنفس غواصان جوشکار ، برق لازم ، تلفن و سیمهای مخابزاتی و ... از طریق کابلها ، شلنگها و لوله های ارتباطی به داخل اتاق فرستاده شده و مرتباٌ کنترل می گردد. تا کنون اتاق های مختلفی برای جوشکاری خشک در زیر آب با طرح های گوناگون از نظر فشار داخلی ،تهویه و . . . طراحی و به کار گرفته شده اند. در برخی از اتاقها فشار آب در عمق مربوط یکسان بوده و بنابراین جوشکار باید درون اتاق نیز از ماسک و سیستم های کمکی برای تنفس استفاده نماید.

در نوع دیگری از اتاقهای جوشکاری زیر آب که ساخت یک شرکت فرانسوی است کلیه گازهای سمی ، دود و مه ناشی از جوشکاری توسط سیستمهای تهویه مکیده شده هوای داخل اتاق مرتباٌ تهویه و سیکوله می شود. همچنین در برخی از پروژه های بزگ جوشکاری زیر آب این امکان وجود دارد تا با ایجاد ایستگاه های جوشکاری در زیر دریا جوشکاران برای چندین روز متمادی در زیر دریا مستقر گردند.

این ایستگاه ها شامل اتاقهایی برای استراحت ، مطالعه ، سیستمهای مخابراتی و اتاقهای کار برای جوشکاران می باشند که فشار تمام این اتاقها در حد فشار جو است. این اتاقها و ایستگاه های جوشکاری معمولاٌ برای جوشکاری در عمق زیاد به کار گرفته شده واین امکان وجود دارد که برای صرفه جویی در وقت و راحتی غواصان جوشکار ، آنان را توسط کره های غواصی به داخل اتاقهای جوشکاری زیر آب فرستاد.

جوش حاصل از بکارگیری روش خشک دارای کیفیت بالایی بوده و در اغلب موارد با کیفیت جوش خارج از دریا و در مجاورت هوا برابری می کند. یکی از مهمترین مزایای جوشکاری خشک در مقایسه با جوشکاری امکان پیش گرم کرئن و عملیات حرارتی پس از جوشکاری است. اما نباید فراموش کرد جوشکاری مرطوب خشک نسبت به جوشکاری مرطوب بسیار پر هزینه تر است.

جوش حاصل از بکارگیری روش خشک دارای کیفیت بالایی بوده و در اغلب موارد با کیفیت جوش خارج از دریا و در مجاورت هوا برابری می کند.

منابع:

-under water welding conractor magazine

new electrode advances under water welding technology

جوشکاری و برشکاری زیر آب (ترجمه مهندس محمد حسن علی بابائی)

- جوشکاری عملی (محمد رضا افضلی)

- ترجمه : فرشید مومنی فراهانی