1. Introducción
Debido al difícil entorno de trabajo en el océano, las estructuras de ingeniería marina están expuestas a numerosos desafíos, incluidas cargas estructurales, tormentas, olas, fuerzas de marea, corrosión del agua de mar, erosión de corrientes de arena y la amenaza de incendios y explosiones de petróleo y petróleo. recursos naturales. gas.
Además, la mayoría de las estructuras de ingeniería marina están sumergidas, lo que dificulta y encarece la inspección y reparación de uniones soldadas una vez que están en servicio. Cualquier daño estructural significativo o accidente de vuelco puede resultar en pérdidas graves de vidas y propiedades.
Por lo tanto, se imponen estrictos requisitos de calidad en el diseño, fabricación, selección de materiales y construcción mediante soldadura de estructuras de ingeniería marina. Con el desarrollo de las industrias marítima, del petróleo y del gas natural, los proyectos de gasoductos marinos se aventuran cada vez más en aguas más profundas.
Por lo tanto, llevar a cabo investigaciones y mejorar la aplicación de la tecnología de soldadura submarina es de gran importancia en el desarrollo de la industria naviera, la exploración de campos petroleros marinos y la utilización de abundantes recursos marinos en beneficio de la humanidad.
En la actualidad, la tecnología de soldadura submarina se ha aplicado ampliamente en estructuras de ingeniería marina, tuberías submarinas, barcos, astilleros e instalaciones portuarias, ingeniería fluvial y mantenimiento de plantas de energía nuclear.
La soldadura submarina se ha convertido en una tecnología clave para ensamblar y mantener estructuras marinas a gran escala, como plataformas de perforación petrolera y oleoductos.
2. Clasificación y características de los métodos de soldadura submarina.
2.1 Clasificación de los métodos de soldadura subacuática
Actualmente, existen varios tipos de métodos de soldadura submarina que se aplican e investigan en todo el mundo. Se puede decir que casi todas las tecnologías de soldadura utilizadas en la producción terrestre se han probado bajo el agua.
Sin embargo, los métodos más maduros y utilizados son diversas técnicas de soldadura por arco.
La soldadura subacuática generalmente se puede clasificar en tres categorías según el entorno de soldadura: soldadura subacuática húmeda, soldadura subacuática seca y soldadura subacuática seca local.
Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología de soldadura submarina, han surgido nuevos métodos, como la soldadura de pernos subacuática, la soldadura explosiva subacuática, la soldadura por haz de electrones subacuática y la soldadura exotérmica subacuática.
2.2 Características de la soldadura submarina
Los procesos de soldadura submarinos son mucho más complejos que los procesos de soldadura en tierra debido al entorno submarino. Además de las técnicas de soldadura, también entran en juego factores como las operaciones de buceo.
Las características de la soldadura submarina son las siguientes:
(1) Mala visibilidad:
El agua absorbe, refleja y refracta la luz mucho más fuertemente que el aire, lo que resulta en una rápida degradación de la luz a medida que viaja a través del agua. Además, durante la soldadura se genera una gran cantidad de burbujas y humo alrededor del arco, lo que reduce significativamente la visibilidad del arco submarino.
En zonas con fondos marinos fangosos o aguas cargadas de sedimentos, la visibilidad submarina empeora aún más. Como resultado, la soldadura submarina se ha considerado tradicionalmente soldadura ciega, lo que afecta gravemente el rendimiento de los soldadores de buceo y contribuye a la alta incidencia de defectos y mala calidad de las uniones soldadas.
(2) Alto contenido de hidrógeno en soldaduras:
El hidrógeno es una preocupación importante en la soldadura, ya que exceder el contenido de hidrógeno permitido puede causar fácilmente grietas y daños estructurales. Los arcos submarinos provocan la descomposición térmica del agua que los rodea, aumentando el hidrógeno disuelto en la soldadura.
Generalmente, el contenido de hidrógeno difusible en la soldadura bajo el agua es de 27-36 ml/100 g, varias veces mayor que el de la soldadura con electrodo ácido en tierra. La mala calidad de las uniones soldadas en la soldadura por arco metálico con protección submarina está estrechamente relacionada con el alto contenido de hidrógeno.
(3) Velocidad de enfriamiento rápida:
Durante la soldadura submarina, el agua de mar tiene una mayor conductividad térmica en comparación con el aire, aproximadamente 20 veces mayor. Incluso el agua dulce tiene una conductividad térmica varias veces mayor que la del aire.
Cuando se emplea soldadura subacuática por puntos húmedos o secos, la pieza está directamente en contacto con el agua, lo que produce un efecto de enfriamiento rápido y significativo en la soldadura, que puede conducir a la formación de estructuras templadas y altamente endurecidas.
Por lo tanto, sólo la soldadura seca bajo el agua puede evitar el efecto del frío.
(4) Efectos de la presión:
A medida que aumenta la presión (aumento de 0,1 MPa por cada 10 metros de profundidad de agua), la columna de arco se vuelve más delgada, el ancho de la soldadura disminuye y la altura de la soldadura aumenta.
Además, el aumento de la densidad del medio conductor dificulta la ionización, lo que genera un voltaje de arco más alto, una estabilidad del arco reducida y un aumento de las salpicaduras y el humo.
(5) Dificultad para lograr operaciones continuas:
Debido a la influencia y las limitaciones del entorno submarino, la soldadura continua suele ser un desafío. En muchos casos, la soldadura debe realizarse de forma intermitente, lo que da lugar a soldaduras discontinuas.
3. Aplicaciones, características metalúrgicas y diseño de electrodos de soldadura submarina para soldadura húmeda submarina.
3.1 Aplicaciones de la soldadura húmeda submarina en ingeniería marina
La soldadura húmeda bajo el agua la realizan buzos en un ambiente acuático, como se muestra en la Figura 2. Debido a la mala visibilidad bajo el agua, los soldadores buceadores no pueden ver claramente el proceso de soldadura, lo que lleva a la soldadura ciega. Es difícil garantizar la calidad de la soldadura submarina, especialmente la estanqueidad.
Por lo tanto, lograr uniones soldadas de alta calidad con este método es un desafío, especialmente para estructuras de soldadura utilizadas en aplicaciones críticas.
Sin embargo, debido a su simplicidad, bajo costo, flexibilidad y adaptabilidad, la soldadura húmeda submarina utilizando electrodos revestidos y la soldadura por arco manual aún continúan investigándose en varios países. Se esperan otras aplicaciones de estos métodos en el futuro.
La soldadura húmeda bajo el agua se ha aplicado ampliamente en los Estados Unidos, siendo el estándar AWS de la American Welding Society (AWS D3.6) el documento más influyente que guía el diseño de la soldadura húmeda bajo el agua.
Los métodos más utilizados en la soldadura húmeda bajo el agua son la soldadura por arco metálico protegido (SMAW) y la soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW). Al soldar, los soldadores de buceo utilizan electrodos recubiertos a prueba de agua y pinzas de soldar diseñadas o modificadas específicamente para soldadura bajo el agua.
Aunque se han logrado avances significativos en la soldadura submarina húmeda, se puede decir que lograr juntas de soldadura de alta calidad en profundidades de agua superiores a 100 metros sigue siendo un desafío y, por lo tanto, aún no se puede utilizar para soldar estructuras de ingeniería navales críticas.
Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología de soldadura húmeda bajo el agua, muchos problemas asociados con la soldadura húmeda bajo el agua se están superando hasta cierto punto.
El uso de revestimientos de electrodos y revestimientos impermeables bien diseñados, junto con una gestión y certificación rigurosas del proceso de soldadura, condujeron a aplicaciones exitosas de soldadura submarina húmeda en la reparación de componentes estructurales no esenciales en el Mar del Norte en 1991. Soldadura submarina húmeda Actualmente se ha aplicado con éxito a la reparación de componentes auxiliares en plataformas del Mar del Norte.
Además, la tecnología de soldadura húmeda submarina se utiliza ampliamente en zonas de aguas poco profundas con condiciones marinas favorables y para soldar componentes que no requieren una alta resistencia a la tensión.
Actualmente, el Golfo de México es la región más utilizada para soldadura húmeda submarina y electrodos de soldadura húmeda submarina. La tecnología de soldadura húmeda submarina se ha utilizado para la reparación de tubos burbujeadores en reactores nucleares del Golfo de México y para reparaciones de soldadura submarina a una profundidad de 78 metros en la plataforma petrolera Amoco Trinidad.
La investigación de esta tecnología es de gran importancia práctica para la futura reparación de tuberías submarinas en la bahía de Bohai y la bahía de Liaodong, China, así como para la reparación de componentes no críticos, como la sustitución de ánodos de sacrificio.
Tabla 1: Composición del gas del fundente de soldadura por arco metálico protegido (porcentaje en volumen)
| Tipos de electrodos | H2 | CO | CO2 | Otro |
| J422 (E4303) | 45~50 | 40~45 | 5~10 | <5 |
| J507（E5015） | 20~30 | 50~55 | 20~25 | <5 |
A medida que aumenta la profundidad del agua en la soldadura bajo el agua, el volumen de las burbujas del arco disminuye gradualmente debido a la compresión.
Sin embargo, unas burbujas de arco insuficientes pueden provocar una mayor tendencia a la porosidad del metal de soldadura. Cuando las burbujas del arco son muy pocas, el arco se extingue fácilmente, lo que dificulta que el proceso de soldadura se desarrolle sin problemas. El crecimiento de burbujas de arco debe satisfacer las siguientes condiciones físicas:
pg ≥ pa + ph + ps
En la ecuación:
- pg representa la presión dentro de la burbuja,
- pa representa la presión atmosférica,
- ph representa la presión hidrostática alrededor de la burbuja,
- ps representa la presión adicional causada por la tensión superficial de la burbuja.
Durante la soldadura de tierra, el pH es cercano a cero. Sin embargo, en la soldadura submarina, el ph aumenta con la profundidad del agua, mientras que pa y ps pueden considerarse no afectados por la profundidad del agua.
Por lo tanto, para asegurar una soldadura suave, es necesario aumentar la pág. Una forma de aumentar pg es aumentar la temperatura del arco, lo que se puede lograr ajustando la corriente de soldadura. Esto se debe a que una temperatura de arco más alta puede disociar suficiente hidrógeno y oxígeno. Otra forma es mejorar la función de producción de gas del revestimiento del electrodo, de modo que se generen más CO2 y gases CO durante la combustión del revestimiento del electrodo.
Sin embargo, una alta proporción de hidrógeno en las burbujas del arco puede conducir a la generación de dos tipos de defectos relacionados con el hidrógeno: una mayor tendencia a la porosidad de la soldadura y una mayor susceptibilidad al agrietamiento inducido por el hidrógeno en el metal de soldadura y la zona de soldadura afectada. calor.
Por lo tanto, al formular el recubrimiento del electrodo, es necesario asegurar una presión suficiente sobre las burbujas del arco y al mismo tiempo intentar reducir la proporción de hidrógeno en las burbujas del arco. Este objetivo se puede lograr añadiendo una cantidad adecuada de CaF 2 y SiO 2 al recubrimiento, ya que estos aditivos ayudan a reducir el contenido de hidrógeno.
SiO 2 +2CaF 2 + 3(H) = 2CaO + SiF + 3HF
o
SiO 2 +2CaF 2 = 2CaO + SiF 4 CaF 2 +H 2 O(g) = CaO + 2HF
Son importantes las reacciones químicas y metalúrgicas que involucran los productos CaO, SiF o SiF 4 MnO, SiO 2 y TiO 2 como fundente en el baño de soldadura durante la soldadura bajo el agua. Estas reacciones dan como resultado la formación de gases como el HF, que no tienen efectos nocivos sobre el metal de soldadura y también contribuyen a aumentar la presión en las burbujas del arco. La escoria flotante contiene CaO, SiF o SiF 4 MnO, SiO 2 y TiO 2 , que ayudan a eliminar las impurezas del baño de soldadura. El gas HF también ayuda a aumentar la presión en las burbujas del arco.
La soldadura submarina tiene una mayor susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrógeno en comparación con la soldadura terrestre. Esto se debe al fuerte efecto refrigerante del agua sobre la pieza, provocando transformación de fase y formación de martensita en la zona térmicamente afectada de los aceros con bajo contenido de carbono. Cuando el equivalente de carbono en el acero supera el 0,4%, la dureza en la zona afectada por el calor puede superar los 400 HV.
Además, si el contenido de hidrógeno es alto durante la soldadura y la soldadura absorbe una cantidad significativa de hidrógeno, puede conducir a la formación de grietas inducidas por hidrógeno bajo la influencia de la tensión térmica de la soldadura y la tensión de transformación de fase. Por lo tanto, es esencial reducir la proporción de hidrógeno en las burbujas del arco para mitigar el riesgo de agrietamiento inducido por el hidrógeno.
3.3 Diseño de formulación del revestimiento de electrodos
(1) Selección del sistema de escoria
La escoria es la capa protectora que se forma en la superficie de la unión soldada durante el proceso de soldadura, consistente en la fusión del núcleo de soldadura, el recubrimiento del electrodo y el material base mediante reacciones metalúrgicas de alta temperatura.
Las propiedades de la escoria, como su capacidad de oxidación, reducción, fluidez y permeabilidad, afectan directamente la protección del metal de soldadura y la formación de la junta soldada.
En este experimento, se eligió un sistema de escoria compuesto por SiO2 – TiO2 – CaF2-CaO, que se encuentra entre los sistemas de escoria ácido y alcalino. Esta elección garantiza un buen rendimiento del proceso de soldadura y reduce eficazmente los efectos nocivos del hidrógeno en las burbujas del arco. Se seleccionaron los minerales y productos químicos correspondientes para cumplir con los requisitos de composición del sistema de escoria.
(2) Optimización de la formulación del recubrimiento
La Tabla 2 presenta los resultados de 10 formulaciones que se probaron en función de las características metalúrgicas de la soldadura húmeda bajo el agua.
El contenido de cada sustancia en las formulaciones es el siguiente:
- TiO 2 en hematita: 52%;
- CaF 2 en fluorita: 98%;
- CaCO 3 en mármol: 98%;
- Mn en ferromanganeso bajo en carbono: 85%;
- Ti en ferrotitanio: 75%;
- Si en ferrosilicio: 45%; y SiO 2 en feldespato: 93%.
El proceso de optimización implicó la realización de pruebas de desempeño durante la formulación de nuevas formulaciones. Todas las pruebas de soldadura se llevaron a cabo en un recipiente presurizado que simulaba profundidades de agua de 70 a 100 metros.
Disculpas por la confusión. Aquí está la información corregida:
Tabla 2: Composición y resultados de pruebas de diferentes formulaciones.
| NO. | Hematites | Fluorita | Mármol | Manganeso de hierro bajo en carbono | Ferrotitanio | ferrosilicio | Celulosa | Feldespato | polvo de hierro | Características de la burbuja de arco |
| 1 | 20 | 10 | 20 | 10 | 5 | 5 | – | 12 | 18 | Extinción de arco reducida con menos burbujas. |
| dos | 20 | 10 | 25 | 10 | 6 | 6 | – | 10 | 13 | Extinción de arco reducida con menos burbujas. |
| 3 | 20 | 15 | 20 | 10 | 7 | 7 | – | 13 | Extinción de arco reducida con menos burbujas. | |
| 4 | 15 | 12 | 25 | 10 | 6 | 6 | 3 | 10 | 10 | Burbujas estables |
| 5 | 15 | 12 | 25 | 10 | 6 | 6 | 5 | 13 | 8 | Burbujas estables |
| 6 | 15 | 12 | 25 | 10 | 6 | 6 | 7 | 15 | 4 | Burbujas estables |
| 7 | 10 | 18 | 25 | 10 | 6 | 6 | 5 | 10 | 10 | Burbujas estables |
| 8 | 10 | dieciséis | 30 | 10 | 6 | 6 | 3 | 12 | 7 | Burbujas estables |
| 9 | 10 | 15 | 30 | 10 | 5 | 5 | 5 | 15 | 5 | Burbujas estables |
| 10 | 10 | 15 | 35 | 5 | 5 | 5 | 5 | 15 | 5 | Burbujas estables |
3.3 Prueba de desempeño del proceso y desempeño mecánico
Se produjo una pequeña cantidad de varillas de soldadura de 4,0 mm de diámetro usando las formulaciones 1 a 10 en una máquina de revestimiento hidráulico de 25 toneladas. Se realizaron las siguientes pruebas:
(1) Prueba de porosidad y formabilidad
Para el ensayo se utilizó chapa metálica Q235-C de 6 mm. Cuando la soldadura se llevó a cabo bajo el agua a una profundidad de 70 m usando las formulaciones 1-3, la falta de suficientes materiales formadores de gas dificultó la estabilización de la presencia de burbujas de arco, lo que resultó en una porosidad severa. El proceso de soldadura no pudo transcurrir sin problemas.
Las formulaciones 4 a 10, que incluían mayores materiales formadores de gas y contenido reducido de hidrógeno, no mostraron porosidad. Entre ellas, las formulaciones 7-9 exhibieron buena conformabilidad. Las características morfológicas se muestran en la Figura 2.
(2) Determinación del contenido de hidrógeno difusible en el metal de soldadura.
El contenido de hidrógeno difusible es un indicador clave del rendimiento de la varilla de soldadura. En este estudio, se utilizó el método del glicerol especificado en GB 3965-93 para determinar el contenido de hidrógeno difusible de las formulaciones 4-10, que mostraron un rendimiento inicial satisfactorio.
Los resultados medidos para las formulaciones 4-10 fueron los siguientes (ml/100 g): 15,5, 16, 18,2, 7,2, 6,7, 6,9, 7,2. Puede verse que las formulaciones 7-10 cumplen los requisitos de GB 5117-95 (hidrógeno difusible ≤ 8 ml/100 g).
(3) Prueba de rendimiento mecánico
Con base en los resultados integrales de las pruebas de rendimiento del proceso, se puede analizar que las varillas de soldadura formuladas con 7, 8 y 9 cumplen con los requisitos para la soldadura bajo el agua. Aunque la formulación 10 cumple el requisito del contenido de hidrógeno difusible, la costura de soldadura formada usando esta formulación tiene baja conformabilidad y por lo tanto no se adopta.
Se prepararon placas de prueba soldadas utilizando varillas de soldadura formuladas con 7, 8 y 9 (en placas de 16Mn de 19 mm de espesor) para pruebas de tracción del metal de soldadura y pruebas de impacto en V. Los resultados de las pruebas se muestran en la Tabla 3.
Tabla 3: Rendimiento mecánico del metal soldado
| NO. | Resistencia a la tracción (MPa) |
Tasa de alargamiento (%) |
Tasa de contracción de la sección (%) |
Energía de absorción de impacto (Akv/J) |
| 7 | 525 | 23 | 38 | 85 |
| 8 | 496 | 24 | 41 | 125 |
| 9 | 516 | 24,5 | 43 | 130 |
Según la Tabla 3, se puede ver que los indicadores de rendimiento mecánico de las varillas de soldadura No. 7-9 cumplen completamente con los requisitos de GB 5117-95 para acero con bajo contenido de carbono y acero de baja aleación y alta resistencia, lo que los convierte en adecuados para Soldadura submarina de aceros con bajo contenido de carbono y aceros de baja aleación.
4. Aplicación de la tecnología de soldadura submarina en seco.
La soldadura subacuática en seco es un método en el que el área de soldadura se seca total o parcialmente utilizando gas para eliminar el agua circundante, lo que permite al soldador subacuático trabajar en condiciones secas o semisecas. Al realizar soldadura submarina en seco, es necesario diseñar y fabricar cámaras de presión o estaciones de trabajo complejas.
Dependiendo de la presión dentro de la cámara de presión o estación de trabajo, la soldadura subacuática seca se puede dividir en soldadura subacuática seca de alta presión y soldadura subacuática seca a presión atmosférica.
4.1 Aplicación de la tecnología de soldadura submarina en seco a alta presión.
La soldadura subacuática seca a alta presión se muestra en la Figura 2. Con el aumento de los proyectos de soldadura subacuática, la profundidad de la ingeniería submarina y los mayores requisitos para la calidad de la soldadura, la soldadura subacuática seca a alta presión está ganando más atención debido a sus ventajas de alta calidad de soldadura. y buen desempeño conjunto.
La soldadura submarina húmeda y la soldadura submarina seca localizada generalmente solo se utilizan para reparar estructuras no críticas a profundidades de varios metros a decenas de metros, con profundidades de aplicación práctica generalmente no superiores a 40 m.
Para adaptarse al desarrollo de la ingeniería marina en aguas más profundas, muchos países han aumentado la investigación y la aplicación de la tecnología de soldadura submarina en seco a alta presión.
Actualmente, para operaciones de mantenimiento submarino, se utilizan ampliamente los sistemas de soldadura TIG de orugas de alta presión. Los sistemas más conocidos incluyen el sistema PRS y el sistema OTTO. El sistema PRS fue desarrollado por Statoil, una empresa noruega, con el objetivo de soldar en profundidades de agua de 1000 m. La soldadura de tuberías se llevó a cabo con éxito a una profundidad de agua de 334 m, logrando una energía de impacto de -30 °C de 300 J y una microdureza de la costura de soldadura por debajo de 245 HV.
Hasta la fecha, este sistema ha completado con éxito más de 20 tareas de reparación de tuberías submarinas. El sistema OTTO en el Reino Unido consta principalmente de una cámara de soldadura y una máquina de soldadura TIG con orugas. Los resultados experimentales mostraron que la costura de soldadura a una profundidad de agua de 135 m alcanza una energía de impacto a -10 °C de 180 J y una resistencia a la fractura de 550 MPa. Este sistema operó continuamente bajo el agua durante 4 semanas, completando un total de 18 soldaduras, y los procedimientos y la calidad de la soldadura fueron certificados por el Registro Noruego de Lloyd.
En China, en octubre de 2002, se planificó la tecnología de soldadura submarina en seco a alta presión como una parte importante de las "Tecnologías clave para la exploración y el desarrollo del campo petrolífero de Bohai" en el marco del Programa Nacional 863. Este proyecto está dirigido por el Instituto de Tecnología Petroquímica. en Beijing.
Actualmente, se ha diseñado y establecido el primer laboratorio de soldadura de alta presión en China, equipado con una cámara de prueba de soldadura de alta presión para llevar a cabo pruebas e investigaciones de soldadura a diferentes niveles de presión. Posteriormente, se implementaron planes anuales para experimentos y evaluaciones de procesos de soldadura a alta presión.
La soldadura en seco a alta presión fue propuesta por primera vez en los Estados Unidos en 1954 y se utilizó en la producción a partir de 1966. Puede soldar tuberías submarinas con diámetros de 508 mm, 813 mm y 914 mm.
Actualmente, la profundidad máxima práctica del agua es de unos 300 m. En este método de soldadura, se abre el fondo de la cámara de gas y se introduce una presión de gas ligeramente superior a la presión del agua en la profundidad de trabajo para descargar agua desde la abertura inferior de la cámara, lo que permite realizar la soldadura con gas seco. cámara.
Generalmente, se utilizan métodos de soldadura como la soldadura por arco revestido o la soldadura por arco protegido con gas inerte. Es uno de los mejores métodos de soldadura en términos de calidad en soldadura submarina y puede alcanzar un nivel cercano al de la soldadura en tierra. Sin embargo, hay tres cuestiones que es necesario abordar:
(1) Debido a las limitaciones impuestas por la forma, el tamaño y la posición de la estructura de ingeniería, la cámara de gas tiene limitaciones significativas y es menos adaptable.
Actualmente, sólo es adecuado para soldar estructuras de formas simples y regulares, como tuberías submarinas.
(2) Se debe proporcionar un conjunto de sistemas de soporte vital, control de humedad, monitoreo, iluminación, garantía de seguridad, comunicación y otros.
El tiempo de trabajo auxiliar es largo, requiriendo un gran equipo de soporte en superficie, lo que genera mayores costos de construcción. Por ejemplo, el dispositivo de soldadura (MOD-1) de la empresa TDS de Estados Unidos, que puede soldar tubos con un diámetro de 813 mm, está valorado en hasta 2 millones de dólares.
(3) También existe la cuestión de la “influencia de la presión”.
Cuando se suelda a grandes profundidades (de decenas a cientos de metros), las características del arco de soldadura, la metalurgia y el proceso de soldadura se ven afectados en diversos grados a medida que aumenta la presión del gas alrededor del arco. Por lo tanto, es necesario estudiar cuidadosamente la influencia de la presión del gas en el proceso de soldadura para obtener soldaduras de alta calidad.
4.2 Aplicación de la tecnología de soldadura submarina seca a presión atmosférica.
La soldadura se lleva a cabo dentro de una cámara de presión sellada, donde la presión dentro de la cámara es igual a la presión atmosférica en tierra e independiente de la presión del agua en el entorno circundante, como se muestra en la Figura 4.
De hecho, este método de soldadura no se ve afectado por la profundidad o la presencia de agua, y el proceso y la calidad de la soldadura son similares a los de la soldadura en tierra.
Sin embargo, la aplicación de los sistemas de soldadura a presión atmosférica en la ingeniería offshore es limitada. La razón principal de esto es la dificultad para asegurar el sellado de la cámara de soldadura en estructuras o tuberías y mantener la presión deseada dentro de la cámara.
Un sistema operativo de este tipo, desarrollado conjuntamente por Petrobras y Lockheed, fue aplicado en la cuenca del Amazonas. Los equipos de soldadura en seco a presión atmosférica son incluso más costosos que la soldadura subacuática en seco a alta presión y requieren una mayor cantidad de personal de apoyo a la soldadura.
Por lo tanto, generalmente solo se utiliza para la soldadura de estructuras críticas en aguas profundas. La mayor ventaja de este método es su capacidad para eliminar eficazmente la influencia del agua en el proceso de soldadura. Las condiciones de soldadura son idénticas a las de tierra, lo que garantiza la máxima calidad de soldadura.
Un caso especial de soldadura submarina en seco a presión atmosférica es el uso de ataguías en zonas de aguas poco profundas. El ambiente de trabajo inestable en áreas de aguas poco profundas, causado por olas, mareas y cambios significativos en la profundidad del agua, presenta desafíos.
Algunas empresas han abordado este problema conectando la cámara de soldadura a la superficie del agua a través de una estructura similar a un cubo equipada con una escalera, creando un entorno de trabajo a presión atmosférica, como se muestra en la Figura 5.
La diferencia de presión en este entorno de construcción es mínima, lo que permite emplear métodos de sellado eficaces. Aunque se deben considerar los procedimientos de ventilación y seguridad, esta tecnología ha demostrado ser práctica en ciertas aplicaciones especializadas, particularmente para el mantenimiento de estructuras de ingeniería marinas en áreas de marea plana.
5. Soldadura submarina en seco local
La tecnología de soldadura local seca bajo el agua utiliza gas para desplazar artificialmente el agua en el área de soldadura, creando una cámara de gas seco localizada para soldar. El uso de gas garantiza un arco estable y mejora significativamente la calidad de la soldadura.
Actualmente, el método preferido para soldar estructuras de acero en alta mar es la soldadura por puntos secos bajo el agua con drenaje parcial y soldadura por arco metálico con protección de gas.
La soldadura por puntos secos bajo el agua fue propuesta por primera vez en los Estados Unidos y luego utilizada en la producción por empresas multinacionales en los Estados Unidos y el Reino Unido. Se trata de una cámara de gas cilíndrica portátil, cuyo extremo está sellado, mientras que el otro extremo tiene una abertura con una junta de sellado flexible que se adapta a la geometría de la zona de soldadura. La pistola de soldar con protección de gas está fijada sobre un cuello flexible y se extiende dentro de la cámara de gas cilíndrica móvil.
Se presiona la cámara de gas sobre la zona de soldadura y se introduce un gas de cierta presión para desplazar el agua (obligando al agua de la cámara de gas a pasar a través de la junta semisellada) y brindar protección a la soldadura.
El buzo lleva la cámara de gas cilíndrica con la pistola de soldar a lo largo del cordón de soldadura para soldar. Este sistema de cámara de gas seco se adapta a la soldadura en cualquier posición bajo el agua, y la resistencia de la unión no es inferior a la del material base, con un ángulo de flexión en frío de hasta 180°.
Se ha informado que se pueden obtener soldaduras calificadas a una profundidad de agua de 29 m, y se han realizado soldaduras a una profundidad de 27 m en el Reino Unido. Este método se utilizó para reparar dos tuberías con un diámetro de 350 mm, ubicadas a una profundidad de agua de 7 m, en la plataforma de perforación Ekofisk en la plataforma continental noruega, y después de las pruebas con partículas magnéticas, no se encontraron defectos.
Además, existe la aplicación de soldadura local en seco bajo el agua a gran escala mediante una cubierta transparente extraíble. Este dispositivo se instala o coloca alrededor de la estructura de acero submarina a soldar. Se abre la parte inferior de la campana y se introduce gas inerte para desplazar el agua y mantener seca el área de soldadura. El buceador extiende la pistola de soldar desde abajo y realiza la soldadura MIG en un ambiente seco.
Una vez finalizada la soldadura y la inspección, se retira el capó. Este método utiliza principalmente alambre macizo o alambre con núcleo fundente para soldadura semiautomática con gas protegido, soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG) y soldadura por arco metálico protegido.
En los Estados Unidos, este método se utilizó para reparar un tubo ascendente de 406 mm en una plataforma de producción de petróleo a una profundidad de agua de 12 m, que pasó la prueba de presión de agua y cumplió con los requisitos. La soldadura MIG seca por puntos bajo el agua también ha recibido atención como un método de soldadura bajo el agua prometedor.
Al estudiar la teoría fundamental de la soldadura con protección de gas, se establecieron modelos matemáticos, se diseñaron estructuras de boquillas y velocidades de flujo de aire adecuadas, y se exploraron las relaciones entre la presión del agua, el gas de protección, el comportamiento del proceso, el comportamiento del arco y la tasa de deposición.
Se ha utilizado la velocimetría Doppler para probar y analizar la distribución del flujo de aire y la distribución de fases en huecos locales, y se ha estudiado la relación entre la campana y la transferencia de calor y presión. Basado en la comprensión del principio de las bombas de vacío de radón, se diseñó un nuevo tipo de tapa de drenaje, que reduce la presión del gas en el área de soldadura.
Los resultados experimentales demostraron que el rendimiento de soldadura logrado con este tapón de drenaje es comparable al del aire. Wang Guorong et al. Estudió una técnica local de soldadura seca bajo el agua.
Se ha utilizado la teoría de la mecánica de fluidos para calcular y probar la tapa del drenaje, determinando la estructura y el tamaño adecuados. Se realizaron experimentos locales de soldadura seca y los resultados mostraron que este método tiene velocidades de enfriamiento, contenido de hidrógeno de difusión y dureza HAZ máxima en la junta soldada más bajos en comparación con los métodos de soldadura húmeda.
Las soldaduras producidas están libres de defectos como porosidad, grietas e inclusiones de escoria. Las propiedades mecánicas de las uniones soldadas con ranura en V cumplen con los requisitos de las normas API 1004 y ASME. Este método es fácil de operar, requiere equipo simple, es de bajo costo y logra una calidad de unión satisfactoria.
La Universidad de Tsinghua ha llevado a cabo una investigación experimental sobre soldadura láser submarina. Se utilizó acero inoxidable 304 como material base, ULC308 como alambre de relleno y la potencia del láser fue de 4 kW. Los resultados mostraron que el caudal de gas tuvo un impacto significativo en la calidad de la soldadura.
A caudales de gas bajos, el contenido de oxígeno en la soldadura alcanzó los 800 ug/g, mientras que a caudales de gas altos, el contenido de oxígeno disminuyó a 80 ug/g. La resistencia a la tracción del metal de soldadura no cambió con el caudal de gas, pero la ductilidad disminuyó al disminuir el caudal de gas.
La forma de la boquilla tuvo una influencia significativa en el entorno de protección de la soldadura, y el aumento apropiado del diámetro de la boquilla dio como resultado una cavidad de gas más estable y una calidad de soldadura satisfactoria. La soldadura local en seco bajo el agua puede lograr una calidad de unión cercana a la de la soldadura en seco.
Además, debido a su simplicidad, bajo costo y flexibilidad comparable a la soldadura húmeda bajo el agua, es un método de soldadura bajo el agua prometedor. Actualmente, se han desarrollado varios métodos locales de soldadura seca bajo el agua, algunos de los cuales ya se utilizan en producción.
5.1 Método de soldadura con cortina de agua submarina
Este método fue propuesto por primera vez en Japón. La pistola de soldar tiene una estructura de dos capas. Los chorros de agua a alta presión salen en forma cónica desde la capa exterior de la pistola de soldar, formando una cortina de agua rígida que bloquea la intrusión de agua externa.
La capa interna de la pistola de soldar introduce gas protector para desplazar el agua directamente debajo de la pistola de soldar, creando una cavidad de fase gaseosa localizada y estable dentro de la cortina de agua. El arco de soldadura no se ve afectado por la interferencia del agua y arde de manera estable dentro de la cavidad de la fase gaseosa.
La cortina de agua tiene tres propósitos: proteger el área de soldadura del agua circundante, utilizar el efecto de succión del chorro de alta velocidad para eliminar el agua del área de soldadura y formar una cavidad en fase gaseosa, y romper grandes burbujas de aire que escapan del agua. muchas burbujas pequeñas para mantener la estabilidad dentro de la cavidad del gas.
Este método garantiza que la resistencia de la unión no sea menor que la del material base, y que los ángulos de flexión frontal y posterior de la unión soldada puedan alcanzar 6708. La pistola de soldar es liviana y relativamente flexible, pero el problema de visibilidad no ha sido resuelto.
La presencia de gas protector y humo agita el agua en el área de soldadura, enturbiándola y perjudicando la visibilidad del buzo, lo que hace que el soldador trabaje esencialmente a ciegas. Además, existen requisitos estrictos para la distancia e inclinación de la boquilla con respecto a la superficie de la pieza de trabajo, lo que requiere altas habilidades operativas por parte del soldador.
Combinado con la reflexión de la placa de acero en agua a alta presión, este método no es efectivo para soldar juntas traslapadas y de filete, y la soldadura manual es un desafío. Por tanto, debe desarrollarse en la dirección de la automatización.
5.2 Método de soldadura submarina con cepillo de alambre
Este método fue desarrollado en Japón para superar las deficiencias del método de la cortina de agua. Utiliza un “faldón” de alambre de acero inoxidable de 0,2 mm en lugar de una cortina de agua como método de drenaje de agua localizado. Este método se puede utilizar tanto para soldadura automática como manual.
Para reducir los espacios entre los alambres de acero y aumentar la estabilidad de la cavidad de gas, se agrega una malla de alambre de cobre (malla 100-200) al faldón de alambre de acero. Para evitar que las salpicaduras se adhieran a los alambres de acero, se recubre una capa de alambre de fibra de SiC de 0,1 mm de diámetro en el lado interior del faldón de alambre de acero. Este método se ha utilizado para reparar juntas soldadas en pilotes de acero corroídos por el agua de mar a profundidades de 1 a 6 m.
5.3 Método de soldadura submarina del capó.
Este método implica instalar una cubierta transparente en la pieza de trabajo, usar gas para desplazar el agua dentro de la cubierta y hacer que el buzo extienda la pistola de soldar hacia el área de la fase gaseosa dentro de la cubierta para soldar.
El soldador observa el proceso de soldadura a través de la campana. Este método de soldadura subacuática se puede utilizar para soldadura por posicionamiento espacial de diferentes formas de juntas, principalmente mediante soldadura por arco metálico con protección de gas, pero también soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG) y soldadura por arco con metal protegido.
La profundidad máxima práctica del agua para este método de soldadura por puntos en seco con capucha es de 40 m. Este método de soldadura subacuática por puntos secos y con capucha es un método de puntos secos a gran escala con mayor calidad de soldadura en comparación con el método de puntos secos a pequeña escala.
Sin embargo, tiene menos flexibilidad y adaptabilidad. Además, el tiempo de soldadura se prolonga, lo que produce un aumento de humo en el interior de la campana, lo que perjudica la visibilidad del buceador. Es necesaria una ventilación de escape adecuada para mantener el gas limpio dentro de la campana extractora, lo que lo convierte en un problema que debe resolverse.
5.4 Método de soldadura submarina con cámara móvil
Este método fue propuesto por primera vez por Estados Unidos en 1968 y posteriormente aplicado en la producción por empresas multinacionales en Estados Unidos y Reino Unido. Es una cámara móvil con un extremo abierto que permite tanto el drenaje del agua como la protección del gas.
La cámara móvil se presiona sobre el área de soldadura para desplazar el agua del interior, creando una cavidad en fase gaseosa donde arde el arco de soldadura. El diámetro de la cámara es de sólo 100-130 mm, lo que lo convierte en un método de soldadura por puntos secos bajo el agua.
Durante la soldadura, el extremo abierto de la cámara entra en contacto con la pieza de trabajo y en la abertura se instalan una junta de sellado semitranslúcida y una junta de sellado flexible para la pistola de soldar.
La pistola de soldar se extiende lateralmente hacia la cámara y el gas de drenaje desplaza el agua, lo que permite al soldador utilizar la iluminación interna de la cámara para observar claramente la posición de la ranura y luego iniciar el arco de soldadura. El soldador mueve la cámara segmento por segmento a lo largo de la costura de soldadura hasta completar toda la soldadura.
Este método permite soldar en cualquier posición. Debido a la cavidad estable de fase gaseosa dentro de la cámara, se mejora la calidad del arco y de la soldadura, lo que da como resultado una resistencia de la unión no inferior a la del material base. Las soldaduras están libres de defectos como inclusiones de escoria, porosidades y socavaduras, y la dureza en la zona de soldadura también es baja.
Las propiedades mecánicas de las uniones soldadas cumplen con los requisitos del Instituto Americano del Petróleo y se utilizan en profundidades de agua máximas de 30 a 40 m. Sin embargo, este método de soldadura bajo el agua también tiene algunas limitaciones:
(1) No elimina eficazmente la influencia del humo de soldadura.
(2) Todavía hay una capa de agua entre la cámara y la máscara facial del buceador. Aunque tiene poco efecto sobre la visibilidad en aguas claras, los problemas de visibilidad siguen sin resolverse en aguas turbias.
(3) La pistola de soldar está conectada de manera flexible a la cámara y el proceso de soldadura se interrumpe cada vez que se mueve la cámara, lo que resulta en una soldadura discontinua y posibles defectos en la junta de paso de soldadura.
En resumen, la aplicación racional de medidas de drenaje parcial puede resolver eficazmente los tres principales problemas técnicos de la soldadura bajo el agua, mejorando así la estabilidad del arco, mejorando la formación de la soldadura y reduciendo los defectos de soldadura.
Los métodos de soldadura submarina utilizados actualmente tienen limitaciones, ya que la calidad de la soldadura se ve influenciada por las condiciones de trabajo y la profundidad del agua. Sin embargo, desde la perspectiva de las perspectivas de desarrollo offshore, la investigación sobre soldadura submarina está muy por detrás de las necesidades de la industria. Por lo tanto, fortalecer la investigación en esta área es de gran importancia, tanto ahora como en el futuro.
6. Avances de la investigación sobre la tecnología de soldadura submarina.
6.1 Aplicación y desarrollo de la tecnología de soldadura submarina
La soldadura submarina apareció por primera vez en 1917, cuando el Instituto de Construcción Naval de la Armada Británica utilizó soldadura por arco subacuático para reparar fugas en uniones remachadas y remaches en barcos. En 1932, Khrenov desarrolló electrodos especiales para soldadura submarina recubiertos con una capa impermeable en la superficie exterior, que mejoró hasta cierto punto la estabilidad de los arcos de soldadura bajo el agua.
Al final de la Segunda Guerra Mundial, la tecnología de soldadura submarina ganó importancia en operaciones de salvamento, como por ejemplo el salvamento de barcos hundidos.
A finales de la década de 1960, especialmente con el desarrollo del petróleo y el gas en alta mar, existía una necesidad urgente de realizar reparaciones con soldadura submarina en estructuras de ingeniería en alta mar para abordar la fatiga, la corrosión o los daños por accidentes y al mismo tiempo garantizar una buena calidad de la soldadura. El primer informe al respecto fue en 1971, cuando Humble Oil Company realizó reparaciones de soldadura submarina en plataformas de perforación en el Golfo de México.
En 1958, se capacitó al primer grupo de buceadores comerciales certificados y se establecieron procesos de soldadura submarina húmeda para profundidades de agua de menos de 100 m. En 1987, la tecnología de soldadura húmeda submarina se aplicó a la reparación de tuberías de acero inoxidable en centrales nucleares. En la década de 1990, a medida que aumentaba el número de estructuras de ingeniería submarinas que requerían reparación y aumentaba el costo de las reparaciones en los astilleros, se desarrolló aún más la tecnología de soldadura submarina húmeda.
La tecnología de soldadura submarina también ha recibido atención y se ha aplicado en China. Ya en los años 50 se utilizaba la soldadura húmeda bajo el agua con electrodos. En la década de 1960, China desarrolló de forma independiente electrodos especiales para soldadura submarina. Desde la década de 1970, la Universidad Tecnológica del Sur de China y otras instituciones han llevado a cabo extensas investigaciones sobre metalurgia y electrodos de soldadura submarina.
A finales de la década de 1970, con la ayuda de la Oficina de Salvamento de Shanghai y la Oficina de Exploración Petrolera de Tianjin, el Instituto de Investigación de Soldadura de Harbin desarrolló la tecnología de soldadura LD-CO2, que es un método local de soldadura seca bajo el agua. La pistola de soldar semiautomática especialmente diseñada para soldadura bajo el agua elimina eficazmente el humo de la soldadura, lo que permite al buceador observar claramente la posición de la ranura y garantizar la calidad de la soldadura. Durante los últimos 20 años, muchas tareas de construcción se han realizado utilizando el método de soldadura LD-CO2.
Los principales factores que afectan la calidad de la soldadura submarina son la profundidad del agua, la presión ambiental correspondiente y el ambiente de trabajo húmedo y severo. Garantizar la calidad de la soldadura húmeda bajo el agua es un desafío, y mejorar la calidad de la soldadura húmeda bajo el agua es un foco principal de investigación. El Reino Unido y los Estados Unidos han desarrollado varios electrodos de soldadura submarina de alta calidad.
Normalmente, la profundidad del agua para la soldadura submarina húmeda no supera los 100 m. El objetivo actual es lograr un gran avance en la tecnología de soldadura húmeda submarina a una profundidad de 200 m. La investigación sobre el seguimiento del proceso de soldadura utilizando tecnología avanzada ha logrado algunos avances, particularmente en la automatización e inteligencia de la soldadura submarina en seco y parcialmente en seco. Se han desarrollado sistemas automatizados de soldadura de orugas y sistemas robóticos de soldadura submarina con monitoreo automatizado del proceso, lo que da como resultado una mejor calidad de la soldadura, un menor tiempo de trabajo y una reducción de la carga de trabajo para los buceadores.
El uso de soldadura automatizada controlada remotamente le permite superar las limitaciones de profundidad de los buceadores manuales. Los sistemas de soldadura de carriles tienen estructuras modulares, simplificando el mantenimiento. Los sistemas de soldadura robótica subacuática de rápido desarrollo proporcionan una mayor flexibilidad y son capaces de lograr una calidad de soldadura satisfactoria en soldadura subacuática seca a alta presión, como la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTWA), la soldadura por arco metálico con gas (GMAW) y la soldadura por arco con núcleo fundente. (FCAW), incluso en profundidades de agua de 1100 m.
Los sistemas de soldadura robótica submarina guiados por dispositivos láser brindan más flexibilidad para detectar y controlar soldaduras y defectos, lo que contribuye a mejorar la calidad de la soldadura. El sistema de alimentación de alambre es un desafío en la soldadura submarina debido a la profundidad del agua. Se ha aplicado un nuevo tipo de sistema de retroalimentación subacuática basado en cables de alta confiabilidad.
En general, todavía existen muchos problemas con los actuales sistemas de soldadura robótica submarina, incluida la flexibilidad, el tamaño, el entorno operativo, la tecnología de detección y monitoreo y la confiabilidad, que deben desarrollarse y mejorarse aún más.
