Công nghệ hàn dưới nước

I. ĐẶT VẤN ĐỀ: Thực tế là công nghệ hàn đã được ứng dụng cách đây khoảng 100 năm. Chủ yếu là hàn trên bờ, nhưng trong quá trình sử dụng nhiều công trình dưới nước đã bị hư hỏng đòi hòi phải lắp đặt , sửa chữa và từ đây bắt đầu nhiều vấn đề đã nảy sinh, đó là làm sao có thể kết nối, sửa chữa các công trình này ở dưới nước. Trong cuối chiến tranh thế giới, một số lượng rất lớn tàu chiến bị đánh chìm và hư hỏng nặng cần phải sửa chữa nhưng việc tiến hành sửa chữa những vết thủng ,rạn nứt ở dưới đáy tàu gặp rất nhiều khó khăn. Từ nhu cầu đó công nghệ hàn dưới nước bắt đầu được phát triển, và đưa vào ứng dụng và được thực hiện đầu tiên bởi Hải quân Anh – Dockyard để sữa chữa tàu bị rò rỉ dưới nước. Tuy nhiên thì từ lúc bắt đầu sử dụng phương pháp này công nghệ vẫn còn lạc hậu, việc thi công còn gặp nhiều khó khăn, rủi ro.Trong những năm gần đây, một số nước với công nghệ hiện đại họ đang đi vào nghiên cứu phát triển công nghệ hàn dưới nước để phục vụ nhu cầu cần thiết như: ráp đặt giàn khoan dầu, đường ống , sửa chữa tàu các công trình ở dưới nước. Năm 1946, điện cực chống nước đặc biệt được phát triển ở Hà Lan bởi Van der Willingen và tạo ra bước đột phá trong công nghệ hàn dưới nước. Công nghệ hàn dưới nước (underwater welding ) là một công nghệ hàn hiện đại hiện nay. Và có rất ít nước được sở hữu công nghệ này, nó cũng đang trên đà phát triển hoàn thiệt để đạt hiệu quả tốt nhất. Chuyên đề báo cáo của nhóm sẽ tìm hiểu về công nghệ hàn hiện đại này .Vì tài liệu về chuyên đề không nhiều, đa số là tài liệu nước ngoài, với lượng kiến thức hạn chế nên nhóm 2 không thể tránh khỏi những thiếu xót kính mong thầy đóng góp thêm để chuyên đề của nhóm được hoàn thiện. II.KHÁI NIỆM. II.1/Hàn dưới nước (UNDERWATER WELDING ). Là phương pháp hàn hồ quang điện đặc biệt được tiến hành dưới nước. Que hàn có hai lớp thuốc bọc, lớp bên trong có tính năng như thuốc bọc que hàn thường, lớp bên ngoài có tính năng cách nước. Thuốc bọc que hàn dưới nước có độ bền cao, cách nước, cách điện cho lõi que (không bị hở điện trong nước) và giữ cho hồ quang cháy ổn định trong bong bóng khí, hình thành và khôi phục không ngừng do nước bao quanh bị phân tách và bốc hơi dưới tác dụng của phóng điện hồ quang, nung chảy vật liệu cơ bản và hình thành mối hàn. II.2/Nguyên lý hàn dưới nước. Phương pháp hàn dưới nước dựa vào khả năng cháy ổn định hồ quang trong bong bóng khí dưới sự làm mát cực của môi trường nước xung quanh, hồ quang được tạo ra cũng giống như việc tạo hồ quang tay vậy, chỉ khác ở đây là việc tạo hồ quang diễn ra dưới nước. Nhiệt của hồ quang được tạo ra giữa que hàn và vật được hàn làm nóng chảy vật liệu cơ bản. Sự nóng chảy Lõi của que hàn, các hạt kim loại có trong thuốc bọc và một phần của vật liệu cơ bản tạo nên vũng hàn và đông đặc thành mối hàn. Tất cả các thao tác: gây hồ quang , dịch chuyển que hàn , thay que hàn.. đều do thợ hàn thực hiện. II.3/ Đặc điểm của hàn dưới nước ( Underwater welding). Hàn dưới nước là phương pháp ra đời muộn , xong có ứng dụng rất lớn và đang được phát triển mạnh mẽ. Hàn dưới nước có thể được thực hiện theo cách tương tự như trên bề mặt ngoài trừ việc có thêm các yếu tố sau: Làm lạnh chuyển động của nước trên mối hàn kim loại và các tấm xung quanh. Một áp lực cao hơn do các đầu nguồn, theo đó hàn diễn ra. Một vùng khí xung quanh hồ quang. Bong bóng khí được hình thành xung quanh hồ quang do đốt các thông về điện và điện li của nước. Khi hàn các bong bóng vẫn tiếp tục xuất hiện, hàn một lúc sau thì khác, những bong bóng đó sẽ di chuyển đến mặt nước, do đó làm điều kiện xung quanh hồ quang không ổn định. Hơn nữa, sự chuyển động của vùng không khí nhanh hơn, áp lực xung quanh cũng vậy. Hồ quang của vùng khí tăng có độ mặn và nhiệt độ của nước biển, nhưng giảm theo chiều sâu. Hàn thép hợp kim có thể dễ dàng dẫn đến sự giòn, dễ vỡ trong vùng ảnh hưởng nhiệt do hiệu ứng làm lạnh của nước trên mối hàn kim loại. Hàn Dưới nước thường bị hạn chế để thép nhẹ. II.3.1/ Ưu điểm của hàn hồ quang dưới nước. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là có thể thao tác trong môi trường nước. Có khả năng linh hoạt dưới nước, có tính linh động cao. Có thể hàn ở nhiều vị trí , tư thế. Vùng ảnh hưởng nhiệt của phương pháp này nhỏ. II.3.2/ Nhược điểm của hàn hồ quang dưới nước. Công tác chuẩn bị trước khi hàn phức tạp. Việc thi công hàn dưới nước gặp nhiều khó khăn, trở ngại. Chất lượng mối hàn chủ yếu phụ thuộc vào trình độ tay nghề của thợ hàn. Thiết bị phục vụ cho công tác hàn rất nhiều và tốn kém. Độc hại cho môi trường, đặc biệt là nguồn nước. Khó quan sát khi hàn. II.4/ Phạm vi ứng dụng của hàn dưới nước. Theo đặc điểm của hàn dưới nước đã trình bày ở trên thì phương pháp này có ứng dụng cho hàn tất cả các công trình dưới nước: thân tàu , giàn khoan, các đường ống… Hàn dưới nước là quá trình hàn tiến hành dưới mặt nước. Lĩnh vực chính cho hàn Hình: sửa chữa chân vịt dưới nước là cơ sở sản xuất dầu ngoài khơi, các công trình nổi, sữa chữa những hư hỏng trên tàu. Nhiều trong số đó là những cấu trúc đường ống, các dàn khoan, các công trình nổi..vv. Trong khi hàn người thợ hàn thường xuyên phải chịu áp lực của môi trường thao tác. Sửa chữa đường ống III. PHÂN LOẠI: Hàn dưới nước được phân loại như sau: Hàn ướt (WET WETLDING). Hàn khô (DRY OR HYPERBARIC WELDING). Trong hàn ướt, hàn được thực hiện dưới nước, trực tiếp tiếp xúc với môi trường ẩm ướt. Trong hàn khô, một buồng khô được tạo ra gần khu vực hàn và thợ hàn thực hiện công việc bằng cách ở lại bên trong buồng. III.1/NgheĐọc ngữ âmHàn ướt (WET WELDING). Hàn ướt là phương pháp hàn chỉ được thực hiện dưới nước, làm việc trực tiếp với môi trường ẩm ướt. Một điện cực đặc biệt được sử dụng và hàn được thực hiện bằng tay. Sự chuyển động tự do tăng lên làm phương pháp hàn đạt hiệu quả và kinh tế nhất. Nguồn điện cung cấp cho bề mặt hàn đến các thợ lặn / thợ hàn thông qua dây cáp và ống. Hình : Hàn ướt ở dưới nước. Trong hàn ướt MMA (hàn hồ quang kim loại bằng tay) được sử dụng. Nguồn điện sử dụng: DC (dòng điện một chiều) Phân cực: đã phân cực Khi DC đã phân cực được sử dụng, điện phân sẽ diễn ra và gây ra sự suy giảm nhanh chóng của các thành phần kim loại trong bình chứa điện cực. Đối với AC hàn ướt không được sử dụng để tính toán về an toàn điện và khó khăn trong việc duy trì hồ quang dưới nước. Các máy điện một chiều có công suất định mức khoảng 300 hoặc 400 ampe. Động cơ máy phát điện thường được sử dụng nhiều nhất cho máy hàn dùng để hàn dưới nước trong môi trường ẩm ướt. Khung máy hàn phải được nối đất (mass) với tàu. Các mối hàn phải bao gồm một bộ chuyển đổi dương, thường là một công tắc chuyển đổi được điều chỉnh trên bề mặt và điều khiển bởi các thợ hàn. Công tắc trong mạch điện hoàn toàn có khả năng chịu được sự phá hủy của dòng điện hàn và được sử dụng vì lý do an toàn. Nguồn hàn được nối với các điện cực trong thời gian hàn. Dòng điện một chiều với điện cực âm (thẳng cực) được sử dụng. Đặc biệt điện cực hàn được cách ly chống lại sự xâm nhập của nước khi sử dụng. Điện cực hàn dưới nước được dùng là loại có đầu xoắn và các điện cực được kẹp chặt. Nó phù hợp với kích thước của hai điện cực. Các loại điện cực được sử dụng phù hợp với phân loại AWS (American welding society) E6013 và chống thấm nước. Tất cả các kết nối phải được cách điện triệt để, để nước không thể tiếp xúc với các bộ phận kim loại. Nếu cách điện bị rò rỉ, nước biển sẽ tiếp xúc với các dây dẫn kim loại và một phần của dòng điện sẽ bị rò rỉ ra và dòng hồ quang sẽ không có sẵn. Ngoài ra, sẽ có sự hư hỏng nhanh chóng của cáp đồng tại các điểm rò rỉ. III.2/ Đặc điểm của Hàn ướt (Wet welding). Ưu điểm của hàn ướt. Hàn ướt dưới nước hàn MMA nhiều năm nay đã được sử dụng rộng rãi trong việc sửa chữa . Những lợi ích của hàn ẩm ướt là: Sự linh hoạt và chi phí thấp của hàn ướt làm cho phương pháp này rất hấp dẫn và chiếm nhiều ưu thế. Các lợi ích khác bao gồm tốc độ. Mà hoạt động được thực hiện. Nó ít tốn kém so với hàn khô. Các thợ hàn có thể tiếp cận các phần của cấu trúc bên ngoài mà khi sử dụng các phương pháp khác không thể hàn được. Không cần vách cách âm, khồng mất nhiều thời gian chuẩn bị Máy hàn luôn sẵn có các tiêu chuẩn và các thiết bị sử dụng. Các thiết bị cần thiết để thực hiện một công việc hàn ướt là rất nhỏ. Nhược điểm của hàn ướt. Mặc dù hàn ướt được sử dụng rộng rãi cho các công trình chế tạo dưới nước, nhưng bên cạnh những ưu điểm, nó còn những hạn chế sau: Mối hàn kim loại bị dập tắt nhanh chóng do nước xung quanh. Mặc dù que hàn ở dưới nước, khi hàn xong nguội rất nhanh do môi trường nước biển, làm tăng độ bền kéo của mối hàn, nhưng nó làm giảm sức dẻo và tác động của mối hàn và tăng độ xốp và độ cứng. Hydrogen Embrittlement làm giòn bằng hidro - Số lượng lớn các khí hydro có mặt trong khu vực hàn, do việc phân ly của hơi nước trong khu vực hồ quang. H2 phân chia trong các khu vực bị ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và mối hàn kim loại, gây làm giòn, làm rạn nứt và các vết nứt tế vi. Vết nứt có thể phát triển và có thể dẫn đến sự hư hỏng của cấu trúc vật liệu. Bất lợi khác là hạn chế tầm quan sát. Các thợ hàn sau một thời hàn sẽ khó quan sát được mối hàn do phản ứng và tạo thành những đám mây. Chất lượng mối hàn phụ thuộc nhiều vào trình độ tay nghề của thợ hàn. Muốn thao tác được đòi hỏi thợ hàn phải có nhiều hiểu biết kiến thức chuyên môn cao. Thợ hàn thường xuyên phải chịu áp lực từ môi trường xung quanh. Công tác chuẩn bị các trang thiết bị phục vụ phức tạp. Thợ hàn được trang bị khi xuống nước III.3/ Hàn khô (hàn áp suất cao). Hàn khô được thực hiện trong buồng kín xung quanh kết cấu được hàn. Các khoang này được chứa đầy khí (thường có chứa heli 0,5 bar của oxy) ở áp suất hiện hành. Các môi trường trong các đường ống được bịt kín và chứa đầy hỗn hợp của heli và oxy, khi hàn diễn ra áp lực tại mối hàn cao hơn áp lực của môi trường xung quanh. Phương pháp này tạo ra chất lượng cao đáp ứng các khớp hàn X-ray và mã yêu cầu. Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy là phương pháp được sử dụng cho quá trình này. Diện tích của bề mặt sàn tiếp xúc với môi trường nước. Vì vậy hàn được thực hiện trong khô nhưng xung quanh chịu áp suất thủy tĩnh của môi trường nước. Buồng kín III.4/. Đặc điểm của Hàn khô. Ưu điểm của hàn khô. Máy hàn / An toàn thợ hàn - Hàn được thực hiện trong buồng, miễn dịch với các dòng đại dương và các động vật biển. Các môi trường sống khô nóng cũng là chiếu sáng và có riêng của hệ thống kiểm soát môi trường của nó (ECS). Chất lượng mối hàn tốt - Phương pháp này có khả năng tạo ra mối hàn chất lượng so với mối hàn để ngoài không bởi vì nước không còn có mặt để dập tắt các mối hàn và H2 mức thấp hơn nhiều so với mối hàn ướt. Giám sát bề mặt - chuẩn bị các mối nối, đường ống liên kết, NDT, kiểm tra, vv đều được theo dõi, giám sát trực tiếp. Kiểm tra không phá hủy (NDT) - điều kiện của kiểm tra không phá hủy là môi trường kiểm tra khô. Nhược điểm của Hàn khô. Hàn thực hiện được đòi hỏi một lượng lớn thiết bị phức tạp và nhiều thiết bị hỗ trợ trên bề mặt. Buồng hàn trang bị rất phức tạp. Chi phí cho môi trường hàn là rất cao và tăng theo độ sâu. Làm việc dưới độ sâu có ảnh hưởng rất nhiều của môi trường. Ở độ sâu lớn hơn, dòng hồ quang bị đè nén và điện áp tương ứng yêu cầu ở mức cao cao hơn. Quá trình này rất tốn kém - một khoản phí khoảng $80.000 cho một công việc hàn duy nhất. Buồng hàn không thể sử dụng để làm nhiều việc khác nhau trong cùng một lúc. Thợ hàn cũng phải chịu áp lực từ môi trường xung quanh. Chất lượng mối hàn phụ thuộc nhiều vào trình độ tay nghề của thợ hàn. Muốn thao tác được đòi hỏi thợ hàn phải có nhiều hiểu biết kiến thức chuyên môn cao. IV/ RỦI RO KHI HÀN. Nguy cơ đối với thợ hàn, thợ lặn là bị điện giật. Biện pháp phòng ngừa bao gồm: thiết bị hàn phải đảm bảo được tính cách điện, dòng điện cung cấp ngay lập tức đóng thì hồ quang được dập tắt, và hạn chế điện áp mở mạch của bộ hàn hồ quang tay MMA (SMA). Thứ hai, hydro và oxy được sinh ra bởi hồ quang trong hàn ướt. Biện pháp phòng ngừa thực hiện tránh tạo các túi chứa khí, đó là khả năng gây nổ. Các khu vực chính khác đe dọa đến cuộc sống hoặc sức khỏe của các thợ hàn, áp suất không khí tăng lên nitơ tiếp xúc và đưa vào máu. Biện pháp phòng ngừa bao gồm việc cung cấp không khí khẩn cấp ,cung cấp khí đốt cho thợ lặn vào buồng nén để tránh nitơ gây mê sau đấy nhanh chóng nổi lên sau khi bão hòa. Đối với các mạch hàn ở dưới nước việc kiểm tra có thể khó khăn hơn do mối hàn lắng đọng trong không khí. Như vậy việc đảm bảo tính toàn vẹn của mối hàn dưới nước có thể khó khăn hơn, và khó phát hiện và kiểm soát các khuyết tật Hư hỏng, hoặc xảy ra các sự cố hệ thống cung cấp khí cho thợ hàn. V/ Nguyên tắc hoạt động của hàn ướt: Quá trình hàn ướt dưới nước được thực hiện theo cách sau đây: Công việc được hàn được kết nối với một bên của một mạch điện, và một kim loại điện cực để phía bên kia. Hai phần của mạch được gắn với nhau, và sau đó tách ra một chút. Các dòng điện nhảy khoảng cách và gây ra một tia lửa bền vững (cung), mà tan chảy kim loại trần, tạo thành một hồ bơi hàn. Đồng thời, các đầu điện cực tan ra, và các giọt kim loại được hòa vào các vũng hàn. Trong hoạt động này, thông lượng bao gồm các điện cực nóng chảy để cung cấp khí che chắn, được sử dụng để ổn định cột hồ quang và lá chắn kim loại chuyển nhượng. Các vết bỏng hồ quang trong một khoang hình thành bên trong bao gồm thông, được thiết kế để ghi chậm hơn so với các thùng kim loại của điện cực. VI/ Sự phát triển. Phát triển của hàn dưới nước. Hàn ướt đã được sử dụng như là một kỹ thuật hàn dưới nước trong một thời gian dài và hiện vẫn đang được sử dụng. Với tốc độ gần đây trong việc xây dựng các công trình ngoài khơi hàn dưới nước có tầm quan trọng gia tăng giả định. Điều này đã dẫn đến sự phát triển của phương pháp hàn thay thế như hàn ma sát, hàn nổ, và hàn cấy … Phạm vi cho sự phát triển hơn nữa. Hàn ướt MMA vẫn còn được sử dụng để sửa chữa dưới nước, nhưng chất lượng các mối hàn ướt là nghèo và dễ bị nứt hydro. Áp suất khô mối hàn được tốt hơn chất lượng hơn so với mối hàn ẩm ướt. Hiện nay xu hướng là hướng tự động hóa. Thor - 1 (TIG Hyperbaric Orbital Robot) được phát triển nơi mà thợ lặn thực hiện lắp ống, cài đặt các đường thẳng và quỹ đạo vào các đường ống và quá trình còn lại là tự động. Sự phát triển của hệ thống diverless hàn áp lực là một thách thức lớn hơn gọi điện thoại cho sự phát triển annexe như chuẩn bị đường ống và sắp xếp, điện tự động và chức năng cuộn dây thay đổi, bằng cách sử dụng một cánh tay robot được cài đặt. Đây là giai đoạn thử nghiệm ở vùng nước sâu. Hàn nổ và hàn ma sát cũng được thử nghiệm tại vùng nước sâu.