جوشکاری زیر آب

بيش از صد سال است كه قوس الكتريكي در جهان شناخته شده و به‌كار گرفته مي‌شود، اما اولين جوشكاري زير آب توسط نيروي دريايي بريتانيا انجام شد. در آن زمان يك كارخانه كشتي‌سازي براي آب‌بند كردن نشت‌هاي موجود در پرچ‌هاي زير كشتي كه در آب واقع شده بود از جوشكاري زيرآبي بهره گرفت. در كارهاي توليدي كه در زير آب انجام مي‌شود، جوشكاري زيرآبي ابزاري مهم و كليدي به شمار مي‌رود. در 1946 الكترودهاي ضدآب ويژه‌اي توسط وان در ويليجن[1] هلند توسعه يافت. سازه‌هاي فراساحلي از قبيل دكل‌هاي حفاري چاه‌هاي نفت، خطوط لوله و سكوهاي ويژه‌اي كه در آب‌ها احداث مي‌شوند، در سال‌هاي اخير به طرز چشمگيري در حال افزايش‌اند.

بعضي از اين سازه‌ها نواقصي را در عناصر تشكيل‌دهنده آن و يا حوادث غيرمترقبه از قبيل طوفان تجربه خواهند كرد.در اين ميان، هر گونه روش بازسازي و مرمت در اين گونه سازه‌ها مستلزم استفاده از جوشكاري زيرآبي است.

طبقه‌بندي جوشكاري زيرآبي

جوشكاري زيرآبي را مي‌توان در دو دسته طبقه‌بندي كرد:

1. جوشكاري مرطوب

2. جوشكاري خشك

در روش جوشكاري مرطوب، عمليات جوشكاري در زير آب اجرا شده و مستقيما با محيط مرطوب سروكار دارد. در روش جوشكاري خشك، يك اتاقك خشك در نزديكي محلي كه مي‌بايستي جوشكاري شود ايجاد شده و جوشكار كار خود را با قرار گرفتن در داخل اتاقك انجام مي‌دهد.

جوشكاري مرطوب

نام جوشكاري مرطوب حاكي از آن است كه جوشكاري كه در زيرآب صورت مي‌پذيرد، مستقيما در معرض محيط مرطوب قرار دارد. در اين روش جوشكاري از نوعي الكترود ويژه استفاده مي‌شود و جوشكاري به صورت دستي درست مانند همان روش جوشكاري صورت مي‌گيرد كه در فضاي بيرون آب انجام مي‌شود. آزادي عملي كه جوشكار در حين جوشكاري در اين روش دارد، جوشكاري مربوط را موثرتر و به روشي كاراتر و از نقطه‌نظر اقتصادي مقرون به صرفه‌ كرده است. تامين‌كننده نيروي جوشكاري روي سطح مستقر شده است و توسط كابل‌ها و شيلنگ‌ها به غواص يا جوشكار متصل مي‌شود.

در جوشكاري مرطوب قوس فلزي دستي[2] دو مشخصه زير به كار گرفته مي‌شود:

تامين‌كننده نيرو: DC

قطبيت: قطبيت منفي

اگر از جريان DC و قطب مثبت استفاده شود، برقكافت روي داده و سبب خراب‌شدگي و از بين رفتن سريع اجزاي فلزي نگهدارنده الكترود مي‌شود. براي جوشكاري مرطوب از جريان AC نيز به دليل عدم امنيت كافي و وجود مشكلاتي كه در حفاظت از قوس در زير آب وجود دارد، استفاده نمي‌شود.

شكل 1: شكل شماتيك تجهيزات جوشكاري زير آب

همان‌طور كه در شكل 1 مشاهده مي‌شود، منبع تغذيه مي‌بايستي يك دستگاه جريان مستقيم و داراي رده‌بندي آمپر بين 300 تا 400 باشد. دستگاه‌هاي جوشكاري ژنراتور موتور اغلب براي جوشكاري مرطوب، استفاده مي‌شوند. پيكره دستگاه جوشكاري مي‌بايستي در پايين، زير كشتي قرار داده شده باشد. مدار جوشكاري مي‌بايستي شامل نوعي سوئيچ مثبت باشد كه معمولاً از يك كليد تيغه‌اي استفاده مي‌شود و از جوشكار (غواص) فرمان مي‌گيرد. كليد تيغه‌اي در مدار الكترود مي‌بايستي در تمام طول جوشكاري در برابر شكسته شدن مقاوم باشد و نيز از امنيت كافي برخوردار باشد. منبع تغذيه جوشكاري مي‌بايستي در حين فرايند جوشكاري تنها به نگهدارنده الكترود وصل باشد. در اين روش از جريان مستقيم همراه با الكترود منفي و نيز از نگهدارنده الكترود ويژه‌اي كه در برابر آب عايق هستند استفاده مي‌شود. نگهدارنده‌هاي الكترود جوشكاري كه در زير آب به كار گرفته مي‌شوند از يك سر خميده براي گرفتن الكترود و نگه داشتن آن در خود بهره مي‌برند و ظرفيت پذيرش دو نوع الكترود را دارد.

نوع الكترودي كه به كار گرفته مي‌شود بر طبق استاندارد انجمن جوشكاري امريكا[3] در طبقه‌بندي E6013 قرار گرفته است. اين الكترودها مي‌بايستي ضدآب باشند و تمامي اتصالات نيز بايد به گونه‌اي عايق‌بندي شده باشند كه آب نتواند با قسمت‌هاي فلزي كوچك‌ترين تماسي داشته باشد. اگر عايق‌بندي شكستگي داشته باشد و يا قسمتي از آن ترك داشته باشد، آنگاه آب مي‌تواند با فلز رسانا تماس پيدا كرده، موجب ايجاد نقص و در نهايت كار نكردن قوس شود. به علاوه اين‌كه ممكن است خوردگي سريع مس در قسمتي كه عايق ترك خورده است، ايجاد شود.

جوشكاري بيش فشار (جوشكاري خشك)

جوشكاري بيش فشار در اتاقك‌هاي پلمپ شده در اطراف سازه يا قطعه‌اي كه مي‌خواهد جوشكاري شود، استفاده مي‌شود. اين اتاقك در يك فشار معمولي پر از گاز مي‌شود (كه معمولاً از هليوم حاوي نيم بار اكسيژن است). اين جايگاه روي خطوط لوله قرار گرفته و با هوايي مخلوط از هليوم و اكسيژن كه قابل تنفس باشد پر شده و در فشاري كه جوشكاري آنجا صورت مي‌پذيرد و يا فشاري بيشتر از آن اجرا مي‌شود. در اين روش، اتصالات جوش بسيار با كيفيتي با اشعه ايكس و ديگر تجهيزات لازم ايجاد مي‌شود. فرايند جوشكاري قوس گاز تنگستن در اين قسمت به كار گرفته خواهد شد. محوطه زير جايگاه در معرض آب قرار دارد. بنابراين جوشكاري در محلي خشك در فشار هيدرو استاتيكي آب دريا كه در محيط مجاور آن قرار دارد، انجام مي‌شود.

خطرات بغرنج

براي غواص يا جوشكار خطر شوك الكتريكي وجود خواهد داشت. اقدامات احتياطي لازم عبارتند از: عايق‌بندي مناسب و در حد كافي تجهيزات جوشكاري، بسته شدن منبع الكتريسيته درست زماني كه قوس به پايان مي‌رسد و نيز محدود كردن ولتاژ جوشكاري قوس فلزي دستي در مدار باز دستگاه جوشكاري، خطر ديگر توليد شدن هيدروژن و اكسيژن در جوشكاري مرطوب توسط قوس است. اقدام‌هاي احتياطي مي‌بايستي در مورد بلند كردن كپسول‌هاي گاز نيز رعايت شود. به اين دليل كه آنها به صورتي بالقوه توانايي زيادي براي منفجر شدن دارند. خطر بعدي كه سلامت يا جان جوشكار را تهديد مي‌كند نيتروژني است كه در فشار زياد در معرض هوا قرار گرفته و مي‌تواند به وي آسيب برساند. اقدامات احتياطي شامل فراهم‌آوري يك منبع گاز يا هواي اضطراري مي‌شود كه در كنار غواص قرار گرفته و نيز اتاقك فشارزدايي براي پيشگيري از خفگي توسط نيتروژن است كه بعد از اشباع شدن روي سطح پخش مي‌شود. در سازه‌هايي كه از جوشكاري مرطوب زيرآب استفاده مي‌كنند، بازرسي بعد از جوشكاري ممكن است بسيار مشكل‌تر از جوشكاري‌هايي باشد كه در محيط بيرون و در معرض هوا انجام مي‌شود. اطمينان از بي‌نقص بودن چنين جوشكاري‌هايي به مراتب اهميت بيشتري مي‌يابد و در واقع احتمال اين‌كه عيب و كاستي ناشناخته‌اي پديدار شود، وجود دارد.

مزاياي جوشكاري خشك

1. ايمني غواص:جوشكاري در يك اتاقك صورت گرفته كه موجب مصون ماندن جوشكار از جريانات اقيانوسي و يا احتمالاً موجودات دريايي مي‌شود. اين جايگاه خشك و گرم از روشنايي مطلوبي برخوردار است و از سيستم كنترل محيط[4] خاصي نيز بهره مي‌گيرد.

2. كيفيت خوب جوش: اين روش توانايي ايجاد جوش‌هايي را دارد كه حتي مي‌توان آن را با جوش‌هاي موجود در فضاي باز و در مجاورت هوا مقايسه كرد. دليل اين است كه ديگر آبي وجود ندارد كه بخواهد جوش را خاموش و يا قطع كند و ميزان گاز هيدروژن توليدي آن بسيار كمتر از جوشكاري‌هاي مرطوب است.

3. كنترل سطح: آماده‌سازي اتصال، هم‌ترازي لوله، بررسي آزمايش غيرمخرب و غيره به صورت عيني كنترل و تنظيم مي‌شوند.

4. آزمون غيرمخرب: آزمون غيرمخرب براي محيط خشك جايگاه تسهيل شده است.

معايب جوشكاري خشك

1. اتاقك يا جايگاه جوشكاري به تجهيزات پيچيده و خدمات پشتيباني زيادي نياز دارد و خود اتاقك به طرز غيرمتعارفي پيچيده است.

2. هزينه و ارزش مالي اين اتاقك به صورت قابل ملاحظه‌اي بالاست و بسته به عمق محل كار هزينه آن افزايش مي‌يابد. عمق محل جوشكاري در كار تاثير مي‌گذارد، به گونه‌اي كه در اعماق بيشتر جمع كردن قوس و استفاده از ولتاژهاي بالاتر و متناسب با آن لازم و ضروري مي‌باشد. انجام يك كار جوشكاري بدين شكل، هزينه‌اي بالغ بر 80000 دلار دارد و گاهي اوقات نمي‌توان از يك اتاقك براي چند كار مختلف استفاده كرد، كه البته اين مشكل بستگي به نوع كارها و ميزان تفاوت آنها دارد.

مزاياي جوشكاري مرطوب

جوشكاري مرطوب كه در زير آب به صورت دستي صورت مي‌گيرد، در مرمت و بازسازي سازه‌هاي فراساحلي در سال‌هاي اخير به سرعت در حال رشد و گسترش است.

از جمله فوايد جوشكاري مرطوب مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

1. چند كاره بودن و داشتن هزينه كمتر در جوشكاري مرطوب باعث شده كه ميل و اشتياق بيشتري به اين روش وجود داشته باشد.

2. برخورداري از سرعت مناسب در هنگام اجراي طرح از ديگر مزاياي اين روش است.

3. در مقايسه با جوشكاري خشك هزينه كمتري دارد.

4. در اين روش جوشكار مي‌تواند به قسمت‌هايي از سازه‌هاي فراساحلي دسترسي داشته باشد كه با استفاده از روش‌هاي ديگر قابل جوشكاري نيست.

5. احتياج به هيچ نوع محصورسازي نيست. بنابراين زماني نيز براي آن تلف نخواهد شد، تجهيزات و دستگاه‌هاي استاندارد مرسوم به آساني قابل استفاده است.

6. به وسايل زيادي براي انجام يك كار جوشكاري موردنياز نيست.

معايب جوشكاري مرطوب

اگرچه جوشكاري مرطوب، كاربرد گسترده‌اي يافته است ولي همچنان از وجود نواقصي رنج مي‌برد، از آن جمله مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

1. آبديدگي سريع فلز جوشكاري:دليل اين آبديدگي آبي است كه در اطراف آن وجود دارد. اگرچه آبديدگي، نيروي تنش‌پذيري را در جوشكاري افزايش مي‌دهد ولي ميزان كش‌پذيري و موثر بودن جوش را كاهش داده و سختي آن را افزايش مي‌دهد.

2. توليد زياد هيدروژن: حجم بسيار زيادي از هيدروژن در منطقه جوشكاري ايجاد مي‌شود كه بر اثر تفكيك بخار آب در منطقه قوس به وجود آمده است. گاز هيدروژن موجود در محيط HAZ در فلز جوشكاري حل شده و باعث ايجاد ترك‌خوردگي و شكاف‌هاي ميكروسكوپيك مي‌شود.

3. از ديگر معايب آن ديدپذيري كم است. گاهي اوقات جوشكار نمي‌تواند به درستي منطقه موردنظر را جوش دهد.

نحوه عملكرد جوشكاري مرطوب

فرايند جوشكاري مرطوب در زير آب طي مراحل زير انجام مي‌شود.

قطعه‌كاري كه قرار است جوش داده شود به يك طرف مدار الكتريكي متصل شده و الكترود فلزي در طرف ديگر مدار، قرار مي‌گيرد. اين دو قسمت از مدار (الكترود و قطعه كار) كمي به يكديگر نزديك شده ولي بعد از مدتي از يكديگر فاصله مي‌گيرند. در حين نزديك شدن الكترود به قطعه كار، جريان الكتريكي وارد شكاف شده و باعث ايجاد يك جرقه الكتريكي پايستار مي‌شود. اين امر باعث ذوب شدن فلز در آن ناحيه و شكل گرفتن حوضچه جوش مي‌شود. در اين زمان، نوك الكترود ذوب شده و ذره‌هاي كوچك فلز در حوضچه مذاب جمع مي‌شود. در طول اين عمل جريان مذابي، نوك الكترود را پوشش داده و روكش الكترود گاز محافظ را ايجاد مي‌كند كه موجب استحكام بخشيدن به قوس شده و همان‌طور كه گفته شد از جريان فلز مذاب محافظت مي‌كند. قوس در يك منطقه حفره مانند ذوب مي‌شود و جوش را پديدار مي‌سازد.

پيشرفت‌هاي حاصل در زمينه جوشكاري در زيرآب

مدت‌هاي مديدي جوشكاري مرطوب به عنوان تكنيك جوشكاري در زير آب مورد استفاده قرار مي‌گرفت و هنوز هم اين روش مرسوم است. اخيراً با پيشرفت‌هايي كه در زمينه ساخت سازه‌هاي فراساحلي صورت گرفته، اهميت جوشكاري زير آبي را به طرز پيش‌بيني شده‌اي افزايش داده است. اين امر، منجر به توسعه روش‌هاي جوشكاري ديگر از قبيل جوشكاري سايشي[5]، جوشكاري انفجاري[6] و جوشكاري عمودي[7] شده است، اما هم‌اكنون مطالب قابل قبول و كافي در اين زمينه براي ارائه وجود ندارد.

گستره پيشرفت‌هاي آينده

جوشكاري قوس فلزي دستي مرطوب همچنان براي نوسازي و احياي سازه‌هاي زيرآبي، استفاده مي‌شود، اما كيفيت آن كافي نيست و مستعد شكست هيدروژني است. از اين رو جوشكاري‌هاي بيش فشار (خشك)، كيفيت بهتري نسبت به جوشكاري‌هاي مرطوب دارند و امروزه گرايش و رويه ميل به سوي اتوماسيون دارد. همچنين ربات تحت كنترل مدار[8] بيش فشار كه از گاز بي‌اثر تنگستن استفاده مي‌كند، توسعه بخشيده شد تا در جاهايي كه غواص عمليات لوله‌كشي و نصب خط لوله را انجام مي‌دهد، باقيمانده فرايند كار را برعهده گيرد.

منابع

1. D. J Keats, Manual on Wet Welding.

2. Annon, Recent advances in dry underwater pipeline welding, Welding Engineer, 1974

3. Lythall, Gibson Dry Hyperbaric underwater, Welding Institute

4. W. Lucas, International conference on computer technology in welding

5. Stepath M.D, Underwater welding and cutting yields slowly to research, Welding Engineer, April 1973

6. Silva, Hazlett, Underwater welding with iron-powder electrodes, Welding Journal, 1971

7. Isfahan Institute of Technology (IUT) http://www.iut.ac.ir

8. American welding Society (AWS) http://www.AWS.com

نظرات شما عزیزان:

hasan