1. Introdução
Devido ao difícil ambiente de trabalho no oceano, as estruturas de engenharia naval estão expostas a vários desafios, incluindo cargas estruturais, tempestades, ondas, forças de maré, corrosão da água do mar, erosão de fluxos de areia e a ameaça de incêndio e explosão de petróleo e recursos naturais. gás.
Além disso, a maior parte das estruturas de engenharia naval estão submersas, tornando difícil e dispendiosa a inspeção e reparação de juntas soldadas depois de estarem em serviço. Qualquer dano estrutural significativo ou acidente de capotamento pode resultar em graves perdas de vidas e propriedades.
Portanto, requisitos rigorosos de qualidade são impostos ao projeto, fabricação, seleção de materiais e construção por soldagem de estruturas de engenharia naval. Com o desenvolvimento das indústrias marítima, petrolífera e de gás natural, os projetos de gasodutos offshore estão cada vez mais a aventurar-se em águas mais profundas.
Portanto, a realização de pesquisas e o aprimoramento da aplicação da tecnologia de soldagem subaquática são de grande importância no desenvolvimento da indústria naval, na exploração de campos petrolíferos offshore e na utilização dos abundantes recursos marinhos para o benefício da humanidade.
Atualmente, a tecnologia de soldagem subaquática tem sido amplamente aplicada em estruturas de engenharia marítima, dutos submarinos, navios, estaleiros e instalações portuárias, engenharia fluvial e manutenção de usinas nucleares.
A soldagem subaquática tornou-se uma tecnologia chave para a montagem e manutenção de estruturas marítimas de grande escala, como plataformas de perfuração de petróleo e oleodutos.
2. Classificação e características dos métodos de soldagem subaquática
2.1 Classificação dos Métodos de Soldagem Subaquática
Atualmente, existem vários tipos de métodos de soldagem subaquática sendo aplicados e pesquisados em todo o mundo. Pode-se dizer que quase todas as tecnologias de soldagem utilizadas na produção terrestre foram experimentadas debaixo d'água.
No entanto, os métodos mais maduros e amplamente utilizados são diversas técnicas de soldagem a arco.
A soldagem subaquática geralmente pode ser classificada em três categorias com base no ambiente de soldagem: soldagem subaquática úmida, soldagem subaquática seca e soldagem subaquática seca local.
No entanto, com o desenvolvimento da tecnologia de soldagem subaquática, surgiram novos métodos, como soldagem subaquática de pinos, soldagem explosiva subaquática, soldagem subaquática por feixe de elétrons e soldagem exotérmica subaquática.
2.2 Características da Soldagem Subaquática
Os processos de soldagem subaquática são muito mais complexos do que os processos de soldagem em terra devido ao ambiente subaquático. Além das técnicas de soldagem, fatores como operações de mergulho também entram em jogo.
As características da soldagem subaquática são as seguintes:
(1) Má visibilidade:
A água absorve, reflete e refrata a luz com muito mais força do que o ar, resultando na rápida degradação da luz ao se propagar através da água. Além disso, durante a soldagem, um grande número de bolhas e fumaça são gerados ao redor do arco, reduzindo significativamente a visibilidade do arco subaquático.
Em áreas com fundos marinhos lamacentos ou águas carregadas de sedimentos, a visibilidade subaquática torna-se ainda pior. Como resultado, a soldagem subaquática tem sido tradicionalmente considerada soldagem cega, afetando severamente o desempenho dos soldadores mergulhadores e contribuindo para a alta ocorrência de defeitos e baixa qualidade das juntas soldadas.
(2) Alto teor de hidrogênio nas soldas:
O hidrogênio é uma grande preocupação na soldagem, pois exceder o teor permitido de hidrogênio pode facilmente causar rachaduras e danos estruturais. Os arcos subaquáticos causam a decomposição térmica da água ao seu redor, aumentando o hidrogênio dissolvido na solda.
Geralmente, o conteúdo de hidrogênio difusível na soldagem subaquática é de 27-36 mL/100g, várias vezes maior do que na soldagem com eletrodo ácido em terra. A má qualidade das juntas soldadas na soldagem a arco metálico blindado subaquático está intimamente relacionada ao alto teor de hidrogênio.
(3) Taxa de resfriamento rápida:
Durante a soldagem subaquática, a água do mar apresenta maior condutividade térmica em relação ao ar, sendo aproximadamente 20 vezes maior. Mesmo a água doce tem uma condutividade térmica várias vezes superior à do ar.
Quando a soldagem subaquática úmida ou local seca é empregada, a peça está diretamente em contato com a água, resultando em um efeito de resfriamento rápido e significativo na solda, o que pode levar à formação de estruturas temperadas de alta dureza.
Portanto, somente a soldagem subaquática a seco pode evitar o efeito do frio.
(4) Efeitos de pressão:
Com o aumento da pressão (aumento de 0,1 MPa para cada 10 metros de profundidade da água), a coluna do arco torna-se mais fina, a largura da solda diminui e a altura da solda aumenta.
Além disso, o aumento da densidade do meio condutor torna a ionização mais difícil, levando a uma maior tensão do arco, redução da estabilidade do arco e aumento de respingos e fumaça.
(5) Dificuldade em conseguir operações contínuas:
Devido à influência e às limitações do ambiente subaquático, a soldagem contínua costuma ser um desafio. Em muitos casos, a soldadura tem de ser realizada de forma intermitente, resultando em soldaduras descontínuas.
3. Aplicações, características metalúrgicas e projeto de eletrodos de soldagem subaquática para soldagem subaquática úmida
3.1 Aplicações de soldagem subaquática úmida em engenharia naval
A soldagem subaquática úmida é realizada por mergulhadores em ambiente aquático, conforme mostrado na Figura 2. Devido à pouca visibilidade debaixo d'água, os soldadores mergulhadores não conseguem ver claramente o processo de soldagem, levando à ocorrência de soldagem cega. É difícil garantir a qualidade da soldagem subaquática, especialmente a estanqueidade.
Portanto, alcançar juntas soldadas de alta qualidade com este método é um desafio, especialmente para estruturas de soldagem utilizadas em aplicações críticas.
Porém, devido à sua simplicidade, baixo custo, flexibilidade e adaptabilidade, a soldagem subaquática úmida utilizando eletrodos revestidos e a soldagem a arco manual ainda continuam sendo pesquisadas em vários países. Outras aplicações destes métodos são esperadas no futuro.
A soldagem subaquática úmida tem sido amplamente aplicada nos Estados Unidos, sendo o padrão AWS da American Welding Society (AWS D3.6) o documento mais influente que orienta o projeto de soldagem subaquática úmida.
Os métodos mais comumente usados na soldagem subaquática úmida são soldagem por arco de metal blindado (SMAW) e soldagem por arco fluxado (FCAW). Durante a soldagem, os soldadores mergulhadores usam eletrodos revestidos à prova d'água e pinças de soldagem especificamente projetadas ou modificadas para soldagem subaquática.
Embora tenham sido feitos progressos significativos na soldadura subaquática húmida, pode-se dizer que conseguir juntas de soldadura de alta qualidade em profundidades de água superiores a 100 metros ainda é um desafio e, portanto, ainda não pode ser utilizado para soldar estruturas críticas de engenharia naval.
No entanto, com o desenvolvimento da tecnologia de soldagem subaquática úmida, muitos problemas associados à soldagem subaquática úmida estão sendo superados até certo ponto.
O uso de revestimentos de eletrodos e revestimentos impermeáveis bem projetados, juntamente com gerenciamento e certificação rigorosos do processo de soldagem, levou a aplicações bem-sucedidas de soldagem subaquática úmida no reparo de componentes estruturais não essenciais no Mar do Norte em 1991. A soldagem subaquática úmida tem agora aplicado com sucesso na reparação de componentes auxiliares em plataformas do Mar do Norte.
Além disso, a tecnologia de soldagem subaquática úmida é amplamente utilizada em áreas de águas rasas com condições marítimas favoráveis e para soldagem de componentes que não exigem alta resistência ao estresse.
Atualmente, o Golfo do México é a região mais utilizada para soldagem subaquática úmida e eletrodos de soldagem subaquática úmida. A tecnologia de soldagem subaquática úmida tem sido usada para o reparo dos tubos borbulhadores nos reatores nucleares do Golfo do México e para reparos de soldagem subaquática a uma profundidade de 78 metros na plataforma de petróleo da Amoco Trinidad.
A pesquisa sobre esta tecnologia é de grande importância prática para o futuro reparo de dutos subaquáticos na Baía de Bohai e na Baía de Liaodong, na China, bem como para o reparo de componentes não críticos, como a substituição de ânodos de sacrifício.
Tabela 1: Composição do gás do fluxo de soldagem por arco metálico blindado (porcentagem de volume)
| Tipos de eletrodo | H2 | CO | CO2 | Outro |
| J422（E4303） | 45~50 | 40~45 | 5~10 | <5 |
| J507（E5015） | 20~30 | 50~55 | 20~25 | <5 |
À medida que a profundidade da água aumenta na soldagem subaquática, o volume das bolhas do arco diminui gradualmente devido à compressão.
Contudo, bolhas de arco insuficientes podem levar a uma tendência aumentada para a porosidade do metal de solda. Quando as bolhas do arco se tornam muito poucas, o arco é facilmente extinto, dificultando o bom andamento do processo de soldagem. O crescimento das bolhas de arco deve satisfazer as seguintes condições físicas:
pg ≥ pa + ph + ps
Na equação:
- pg representa a pressão dentro da bolha,
- pa representa a pressão atmosférica,
- ph representa a pressão hidrostática ao redor da bolha,
- ps representa a pressão adicional causada pela tensão superficial da bolha.
Durante a soldagem terrestre, o ph é próximo de zero. Entretanto, na soldagem subaquática, o ph aumenta com a profundidade da água, enquanto pa e ps podem ser considerados não afetados pela profundidade da água.
Portanto, para garantir uma soldagem suave, é necessário aumentar a pág. Uma forma de aumentar pg é aumentar a temperatura do arco, o que pode ser conseguido ajustando a corrente de soldagem. Isso ocorre porque uma temperatura de arco mais alta pode dissociar hidrogênio e oxigênio suficientes. Outra forma é melhorar a função de produção de gás do revestimento do eletrodo, de modo que mais CO2 e gases CO são gerados durante a combustão do revestimento do eletrodo.
No entanto, uma elevada proporção de hidrogénio nas bolhas do arco pode levar à geração de dois tipos de defeitos relacionados com o hidrogénio: uma maior tendência para a porosidade da soldadura e uma maior suscetibilidade à fissuração induzida por hidrogénio no metal de solda e na zona afetada pelo calor.
Portanto, na formulação do revestimento do eletrodo, é necessário garantir pressão suficiente nas bolhas do arco e, ao mesmo tempo, tentar reduzir a proporção de hidrogênio nas bolhas do arco. Adicionando uma quantidade apropriada de CaF2 e SiO2 ao revestimento pode atingir esse objetivo, pois esses aditivos ajudam a reduzir o teor de hidrogênio.
SiO2 +2CaF2 + 3(H) = 2CaO + SiF + 3HF
ou
SiO2 +2CaF2 = 2CaO + SiF4 CaF2 +H2O(g) = CaO + 2HF
As reações químicas e metalúrgicas envolvendo os produtos CaO, SiF ou SiF4MnO, SiO2e TiO2 como fluxo na poça de fusão durante a soldagem subaquática são importantes. Estas reações resultam na formação de gases como o HF, que não apresentam efeitos nocivos ao metal de solda e também contribuem para aumentar a pressão nas bolhas do arco. A escória flutuante contém CaO, SiF ou SiF4MnO, SiO2e TiO2, que ajudam a remover impurezas da poça de fusão. O gás HF também ajuda a aumentar a pressão nas bolhas do arco.
A soldagem subaquática tem uma maior suscetibilidade a trincas induzidas por hidrogênio em comparação com a soldagem terrestre. Isto se deve ao forte efeito de resfriamento da água na peça, causando transformação de fase e formação de martensita na zona termicamente afetada dos aços de baixo carbono. Quando o carbono equivalente no aço excede 0,4%, a dureza na zona afetada pelo calor pode exceder 400 HV.
Além disso, se o teor de hidrogênio for alto durante a soldagem e a solda absorver uma quantidade significativa de hidrogênio, isso pode levar à formação de trincas induzidas por hidrogênio sob a influência da tensão térmica da soldagem e da tensão de transformação de fase. Portanto, é essencial reduzir a proporção de hidrogénio nas bolhas do arco para mitigar o risco de fissuração induzida pelo hidrogénio.
3.3 Projeto da Formulação de Revestimento de Eletrodo
(1) Seleção do Sistema de Escória
A escória é a camada protetora formada na superfície da junta soldada durante o processo de soldagem, consistindo na fusão do núcleo de soldagem, do revestimento do eletrodo e do material de base por meio de reações metalúrgicas de alta temperatura.
As propriedades da escória, como sua capacidade de redução da oxidação, fluidez e permeabilidade, afetam diretamente a proteção do metal de solda e a formação da junta de solda.
Neste experimento foi escolhido um sistema de escória composto por SiO2 – TiO2 – CaF2-CaO, que se enquadra entre os sistemas de escória ácida e alcalina. Esta escolha garante um bom desempenho do processo de soldagem e reduz efetivamente os efeitos nocivos do hidrogênio nas bolhas do arco. Os minerais e produtos químicos correspondentes foram selecionados para atender aos requisitos de composição do sistema de escória.
(2) Otimização da Formulação de Revestimento
A Tabela 2 apresenta os resultados de 10 formulações que foram testadas com base nas características metalúrgicas da soldagem subaquática úmida.
O conteúdo de cada substância nas formulações é o seguinte:
- TiO2 na hematita: 52%;
- CaF2 em fluorita: 98%;
- CaCO3 em mármore: 98%;
- Mn em ferromanganês de baixo carbono: 85%;
- Ti em ferrotitânio: 75%;
- Si em ferrossilício: 45%; e SiO2 em feldspato: 93%.
O processo de otimização envolveu a realização de testes de desempenho durante a formulação das novas formulações. Todos os testes de soldagem foram realizados em um recipiente pressurizado simulando profundidades de água de 70 a 100 metros.
Desculpas pela confusão. Aqui estão as informações corrigidas:
Tabela 2: Composição e resultados de testes de diferentes formulações
| NÃO. | Hematita | Fluorita | Mármore | Ferro manganês de baixo carbono | Ferrotitânio | Ferrossilício | Celulose | Feldspato | Pó de ferro | Características da bolha de arco |
| 1 | 20 | 10 | 20 | 10 | 5 | 5 | – | 12 | 18 | Extinção de arco reduzida com menos bolhas |
| 2 | 20 | 10 | 25 | 10 | 6 | 6 | – | 10 | 13 | Extinção de arco reduzida com menos bolhas |
| 3 | 20 | 15 | 20 | 10 | 7 | 7 | – | 13 | Extinção de arco reduzida com menos bolhas | |
| 4 | 15 | 12 | 25 | 10 | 6 | 6 | 3 | 10 | 10 | Bolhas estáveis |
| 5 | 15 | 12 | 25 | 10 | 6 | 6 | 5 | 13 | 8 | Bolhas estáveis |
| 6 | 15 | 12 | 25 | 10 | 6 | 6 | 7 | 15 | 4 | Bolhas estáveis |
| 7 | 10 | 18 | 25 | 10 | 6 | 6 | 5 | 10 | 10 | Bolhas estáveis |
| 8 | 10 | 16 | 30 | 10 | 6 | 6 | 3 | 12 | 7 | Bolhas estáveis |
| 9 | 10 | 15 | 30 | 10 | 5 | 5 | 5 | 15 | 5 | Bolhas estáveis |
| 10 | 10 | 15 | 35 | 5 | 5 | 5 | 5 | 15 | 5 | Bolhas estáveis |
3.3 Desempenho de Processo e Teste de Desempenho Mecânico
Uma pequena quantidade de varetas de solda com diâmetro de 4,0 mm foi produzida utilizando as formulações 1-10 em uma máquina de revestimento hidráulico de 25 toneladas. Os seguintes testes foram realizados:
(1) Teste de Porosidade e Formabilidade
Para o teste, foi utilizada chapa metálica Q235-C de 6 mm. Quando a soldagem foi realizada debaixo d'água a uma profundidade de 70 m usando as formulações 1-3, a falta de materiais formadores de gás suficientes dificultou a estabilização da presença de bolhas de arco, resultando em porosidade severa. O processo de soldagem não pôde ocorrer sem problemas.
As formulações 4-10, que incluíam materiais formadores de gás aumentados e conteúdo reduzido de hidrogênio, não mostraram porosidade. Entre elas, as formulações 7-9 exibiram boa conformabilidade. As características morfológicas são mostradas na Figura 2.
(2) Determinação do teor de hidrogênio difusível no metal de solda
O teor de hidrogênio difusível é um indicador chave do desempenho da haste de soldagem. Neste estudo, o método do glicerol especificado na GB 3965-93 foi utilizado para determinar o teor de hidrogênio difusível das formulações 4-10, que apresentaram desempenho inicial satisfatório.
Os resultados medidos para as formulações 4-10 foram os seguintes (mL/100g): 15,5, 16, 18,2, 7,2, 6,7, 6,9, 7,2. Pode-se observar que as formulações 7-10 atendem aos requisitos da GB 5117-95 (hidrogênio difusível ≤ 8 mL/100g).
(3) Teste de desempenho mecânico
Com base nos resultados abrangentes dos testes de desempenho do processo, pode-se analisar que as hastes de soldagem formuladas com 7, 8 e 9 atendem aos requisitos para soldagem subaquática. Embora a formulação 10 atenda ao requisito de teor de hidrogênio difusível, a costura de solda formada usando esta formulação tem baixa conformabilidade e, portanto, não é adotada.
Placas de teste soldadas foram preparadas utilizando hastes de soldagem formuladas com 7, 8 e 9 (em placas de 16Mn com espessura de 19 mm) para testes de tração do metal de solda e testes de impacto em V. Os resultados do teste são mostrados na Tabela 3.
Tabela 3: Desempenho Mecânico do Metal Soldado
| NÃO. | Resistência à tracção (MPa) |
Taxa de alongamento (%) |
Taxa de contração de seção (%) |
Energia de absorção de impacto (Akv/J) |
| 7 | 525 | 23 | 38 | 85 |
| 8 | 496 | 24 | 41 | 125 |
| 9 | 516 | 24,5 | 43 | 130 |
De acordo com a Tabela 3, pode-se observar que os indicadores de desempenho mecânico das hastes de soldagem nº 7-9 atendem plenamente aos requisitos da GB 5117-95 para aço de baixo carbono e aço de baixa liga e alta resistência, tornando-os adequados para soldagem subaquática de aço de baixo carbono e aço de baixa liga.
4. Aplicação de tecnologia de soldagem subaquática a seco
A soldagem subaquática a seco é um método no qual a área de soldagem é total ou parcialmente seca usando gás para remover a água circundante, permitindo que o soldador subaquático trabalhe em condições secas ou semi-secas. Ao realizar soldagem subaquática a seco, é necessário projetar e fabricar câmaras de pressão ou estações de trabalho complexas.
Dependendo da pressão dentro da câmara de pressão ou estação de trabalho, a soldagem subaquática a seco pode ser dividida em soldagem subaquática a seco de alta pressão e soldagem subaquática a seco à pressão atmosférica.
4.1 Aplicação da tecnologia de soldagem subaquática a seco de alta pressão
A soldagem subaquática seca de alta pressão é mostrada na Figura 2. Com o aumento dos projetos de soldagem subaquática, a profundidade da engenharia subaquática e os requisitos mais elevados para a qualidade da soldagem, a soldagem subaquática seca de alta pressão está ganhando mais atenção devido às suas vantagens de alta qualidade de soldagem e bom desempenho conjunto.
A soldagem subaquática úmida e a soldagem subaquática seca localizada geralmente são usadas apenas para reparar estruturas não críticas em profundidades de vários metros a dezenas de metros, com profundidades de aplicação prática geralmente não superiores a 40m.
A fim de se adaptar ao desenvolvimento da engenharia offshore em águas mais profundas, muitos países aumentaram a pesquisa e a aplicação de tecnologia de soldagem subaquática seca de alta pressão.
Atualmente, para operações de manutenção subaquática, os sistemas de soldagem TIG de pista de alta pressão são amplamente utilizados. Sistemas bem conhecidos incluem o sistema PRS e o sistema OTTO. O sistema PRS foi desenvolvido pela Statoil, empresa norueguesa, com o objetivo de realizar soldagem em lâmina d'água de 1000m. A soldagem bem-sucedida de tubulações foi realizada a uma profundidade de água de 334m, alcançando uma energia de impacto de -30°C de 300J e uma microdureza da costura de solda abaixo de 245HV.
Até o momento, este sistema concluiu com sucesso mais de 20 tarefas de reparo de dutos subaquáticos. O sistema OTTO no Reino Unido consiste principalmente em uma câmara de soldagem e uma máquina de soldagem TIG de esteira. Resultados experimentais mostraram que a costura de solda a uma profundidade de água de 135m atinge uma energia de impacto de -10°C de 180J e uma resistência à fratura de 550MPa. Este sistema funcionou continuamente debaixo d'água durante 4 semanas, completando um total de 18 cordões de solda, e os procedimentos e a qualidade da soldagem foram certificados pelo Lloyd's Register norueguês.
Na China, em Outubro de 2002, a tecnologia de soldadura subaquática seca de alta pressão foi planeada como uma parte significativa das “Tecnologias Chave para Exploração e Desenvolvimento do Campo Petrolífero de Bohai” no âmbito do Programa Nacional 863. Este projeto é liderado pelo Instituto de Tecnologia Petroquímica de Pequim.
Atualmente, o primeiro laboratório de soldagem de alta pressão na China foi projetado e estabelecido, equipado com uma câmara de teste de soldagem de alta pressão para a realização de testes e pesquisas de soldagem em diferentes níveis de pressão. Posteriormente, foram implementados planos anuais para experimentos de processos de soldagem de alta pressão e avaliações de processos.
A soldagem a seco de alta pressão foi proposta pela primeira vez pelos Estados Unidos em 1954 e foi usada para produção a partir de 1966. Ela pode soldar tubulações submarinas com diâmetros de 508 mm, 813 mm e 914 mm.
Atualmente, a profundidade máxima prática da água é de cerca de 300m. Neste método de soldagem, o fundo da câmara de gás é aberto e uma pressão de gás ligeiramente superior à pressão da água na profundidade de trabalho é introduzida para descarregar a água da abertura inferior da câmara, permitindo que a soldagem seja realizada em gás seco. câmara.
Geralmente, são usados métodos de soldagem, como soldagem a arco com eletrodo ou soldagem a arco com proteção de gás inerte. É um dos melhores métodos de soldagem em termos de qualidade na soldagem subaquática e pode atingir um nível próximo ao das soldas onshore. No entanto, existem três questões que precisam ser abordadas:
(1) Devido às limitações impostas pela forma, tamanho e posição da estrutura de engenharia, a câmara de gás tem limitações significativas e é menos adaptável.
Atualmente, é adequado apenas para soldagem de estruturas com formatos simples e regulares, como dutos submarinos.
(2) Deve ser fornecido um conjunto de sistemas de suporte à vida, controle de umidade, monitoramento, iluminação, garantia de segurança, comunicação e outros.
O tempo de trabalho auxiliar é longo, exigindo uma grande equipe de apoio superficial, resultando em maiores custos de construção. Por exemplo, o dispositivo de soldagem (MOD-1) da empresa TDS nos Estados Unidos, que pode soldar tubulações com diâmetro de 813 mm, está avaliado em até US$ 2 milhões.
(3) A questão da “influência da pressão” também existe.
Ao soldar em grandes profundidades (de dezenas a centenas de metros), as características do arco de soldagem, da metalurgia e do processo de soldagem são afetadas em graus variados à medida que a pressão do gás ao redor do arco aumenta. Portanto, é necessário estudar cuidadosamente a influência da pressão do gás no processo de soldagem para obter soldas de alta qualidade.
4.2 Aplicação da tecnologia de soldagem subaquática a seco por pressão atmosférica
A soldagem é realizada dentro de uma câmara de pressão selada, onde a pressão dentro da câmara é igual à pressão atmosférica em terra e independente da pressão da água no ambiente circundante, conforme mostrado na Figura 4.
Na verdade, este método de soldagem não é afetado pela profundidade ou presença de água, e o processo e a qualidade da soldagem são semelhantes aos da soldagem em terra.
Contudo, a aplicação de sistemas de soldagem à pressão atmosférica na engenharia offshore é limitada. A principal razão para isto é a dificuldade em garantir a vedação da câmara de soldagem em estruturas ou tubulações e manter a pressão desejada no interior da câmara.
Um sistema operacional desse tipo, desenvolvido em conjunto pela Petrobras e pela Lockheed, foi aplicado na Bacia Amazônica. O equipamento para soldagem a seco à pressão atmosférica é ainda mais caro do que o da soldagem subaquática a seco de alta pressão e requer um número maior de pessoal de suporte de soldagem.
Portanto, geralmente é usado apenas para soldagem em águas profundas de estruturas críticas. A maior vantagem deste método é a sua capacidade de eliminar eficazmente a influência da água no processo de soldagem. As condições de soldagem são idênticas às em terra, garantindo a mais alta qualidade de soldagem.
Um caso especial de soldagem subaquática a seco à pressão atmosférica é o uso de ensecadeiras em áreas de águas rasas. O ambiente de trabalho instável em zonas de águas rasas, causado por ondas, marés e mudanças significativas na profundidade da água, apresenta desafios.
Algumas empresas abordaram esta questão conectando a câmara de soldagem à superfície da água por meio de uma estrutura semelhante a um balde equipada com uma escada, criando um ambiente de trabalho com pressão atmosférica, conforme mostrado na Figura 5.
A diferença de pressão neste ambiente de construção é mínima, permitindo o emprego de métodos de vedação eficazes. Embora os procedimentos de ventilação e segurança devam ser considerados, esta tecnologia provou ser prática em certas aplicações especializadas, particularmente para a manutenção de estruturas de engenharia offshore em áreas de marés planas.
5. Soldagem Subaquática Seca Local
A tecnologia de soldagem subaquática seca local utiliza gás para deslocar artificialmente a água na área de soldagem, criando uma câmara de gás seco localizada para soldagem. O uso de gás garante um arco estável e melhora significativamente a qualidade da soldagem.
Atualmente, o método preferido para soldagem de estruturas de aço offshore é a soldagem local subaquática a seco com drenagem parcial e soldagem a arco metálico com proteção de gás.
A soldagem subaquática por ponto seco foi proposta pela primeira vez pelos Estados Unidos e posteriormente utilizada na produção por empresas multinacionais nos Estados Unidos e no Reino Unido. Trata-se de uma câmara de gás cilíndrica portátil, cuja extremidade é vedada, enquanto a outra extremidade possui uma abertura com uma junta de vedação flexível que se adapta à geometria da área de soldagem. A pistola de soldagem com proteção contra gás é fixada em um pescoço flexível e se estende até a câmara de gás cilíndrica móvel.
A câmara de gás é pressionada sobre a área de soldagem e um gás com uma certa pressão é introduzido para deslocar a água (forçando a água da câmara de gás a passar pela junta semi-selada) e fornecer proteção para a soldagem.
O mergulhador carrega a câmara de gás cilíndrica com a pistola de soldagem ao longo da costura de solda para soldagem. Este sistema de câmara de gás seco pode se adaptar à soldagem em qualquer posição subaquática, e a resistência da junta não é inferior à do material de base, com um ângulo de curvatura a frio de até 180°.
Foi relatado que soldas qualificadas podem ser obtidas a uma profundidade de água de 29m, e a soldagem foi realizada a uma profundidade de 27m no Reino Unido. Este método foi utilizado para reparar dois tubos com diâmetro de 350 mm, localizados a uma profundidade de água de 7 m, na plataforma de perfuração Ekofisk, na plataforma continental norueguesa, e após testes de partículas magnéticas, nenhum defeito foi encontrado.
Além disso, há a aplicação de soldagem subaquática seca local em grande escala usando uma capa transparente removível. Este dispositivo é instalado ou colocado ao redor da estrutura de aço subaquática a ser soldada. A parte inferior do capô é aberta e é introduzido gás inerte para deslocar a água e manter a área de soldagem seca. O mergulhador estende a pistola de soldagem por baixo e realiza a soldagem MIG em ambiente seco.
Após a conclusão da soldagem e da inspeção, o capô é removido. Este método usa principalmente fio sólido ou fio fluxado para soldagem semiautomática com proteção de gás, soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) e soldagem a arco de metal blindado.
Nos Estados Unidos, este método foi usado para reparar um riser de 406 mm em uma plataforma de produção de petróleo a uma profundidade de água de 12 m, que passou no teste de pressão da água e atendeu aos requisitos. A soldagem MIG seca local subaquática também recebeu atenção como um método promissor de soldagem subaquática.
Ao estudar a teoria fundamental da soldagem com proteção de gás, modelos matemáticos foram estabelecidos, estruturas de bicos e velocidades de fluxo de ar adequadas foram projetadas e as relações entre pressão da água, gás de proteção, comportamento do processo, comportamento do arco e taxa de deposição foram exploradas.
A dopplervelocimetria tem sido usada para testar e analisar a distribuição do fluxo de ar e a distribuição de fase em vazios locais, e a relação entre a coifa e a transferência de calor e pressão tem sido estudada. Com base na compreensão do princípio das bombas de vácuo de radônio, foi projetado um novo tipo de tampa de drenagem, reduzindo a pressão do gás na área de soldagem.
Resultados experimentais mostraram que o desempenho de soldagem alcançado com esta capa de drenagem é comparável ao do ar. Wang Guorong et al. estudaram uma técnica local de soldagem subaquática a seco.
A teoria da mecânica dos fluidos tem sido utilizada para calcular e testar a capa do dreno, determinando a estrutura e o tamanho apropriados. Experimentos locais de soldagem a seco foram conduzidos e os resultados mostraram que este método tem taxas de resfriamento mais baixas, teor de hidrogênio por difusão e dureza máxima HAZ na junta soldada em comparação aos métodos de soldagem úmida.
As soldas produzidas estão isentas de defeitos como porosidade, trincas e inclusões de escória. As propriedades mecânicas das juntas soldadas com ranhura em V atendem aos requisitos dos padrões API 1004 e ASME. Este método é fácil de operar, requer equipamentos simples, tem baixo custo e atinge qualidade de junta satisfatória.
A Universidade de Tsinghua conduziu pesquisas experimentais sobre soldagem a laser subaquática. O aço inoxidável 304 foi usado como material de base, o ULC308 foi usado como fio de enchimento e a potência do laser foi de 4 kW. Os resultados mostraram que a vazão do gás teve um impacto significativo na qualidade da solda.
Em baixas vazões de gás, o teor de oxigênio na solda chegava a 800ug/g, enquanto em altas vazões de gás, o teor de oxigênio diminuía para 80ug/g. A resistência à tração do metal de solda não mudou com a vazão do gás, mas a ductilidade diminuiu com a diminuição da vazão do gás.
O formato do bico teve uma influência significativa no ambiente de proteção da soldagem, e o aumento adequado do diâmetro do bico resultou em uma cavidade de gás mais estável e qualidade de soldagem satisfatória. A soldagem subaquática seca local pode atingir uma qualidade de junta próxima à da soldagem a seco.
Além disso, devido à sua simplicidade, baixo custo e flexibilidade comparável à soldagem subaquática úmida, é um método promissor de soldagem subaquática. Atualmente, vários métodos locais de soldagem subaquática a seco foram desenvolvidos, alguns já sendo utilizados na produção.
5.1 Método de soldagem subaquática de cortina de água
Este método foi proposto pela primeira vez pelo Japão. A pistola de soldagem possui uma estrutura de duas camadas. Jatos de água de alta pressão saem em formato cônico da camada externa da pistola de soldagem, formando uma cortina de água rígida que bloqueia a intrusão de água externa.
A camada interna da pistola de soldagem introduz gás de proteção para deslocar a água diretamente abaixo da pistola de soldagem, criando uma cavidade de fase gasosa localizada e estável dentro da cortina de água. O arco de soldagem não é afetado pela interferência da água e queima de forma estável dentro da cavidade da fase gasosa.
A cortina de água tem três finalidades: proteger a área de soldagem da água circundante, utilizar o efeito de sucção do jato de alta velocidade para remover a água da área de soldagem e formar uma cavidade de fase gasosa e quebrar grandes bolhas de ar que escapam da água em muitas pequenas bolhas para manter a estabilidade dentro da cavidade do gás.
Este método garante que a resistência da junta não seja inferior à do material de base, e os ângulos de flexão frontal e posterior da junta soldada podem atingir 6708. A pistola de soldagem é leve e relativamente flexível, mas o problema de visibilidade não foi resolvido .
A presença de gás de proteção e fumaça agita a água da área de soldagem, tornando-a turva e prejudicando a visibilidade do mergulhador, fazendo com que o soldador trabalhe essencialmente às cegas. Além disso, existem requisitos rigorosos para a distância e inclinação do bico em relação à superfície da peça, exigindo altas habilidades operacionais do soldador.
Combinado com o reflexo da placa de aço na água de alta pressão, este método não é eficaz para soldar juntas sobrepostas e juntas de filete, e a soldagem manual é um desafio. Portanto, deve ser desenvolvido na direção da automação.
5.2 Método de soldagem subaquática com escova de aço
Este método foi desenvolvido no Japão para superar as deficiências do método da cortina de água. Ele usa uma “saia” de fio de aço inoxidável de 0,2 mm em vez de uma cortina de água como método de drenagem localizada de água. Este método pode ser usado tanto para soldagem automática quanto manual.
Para reduzir as lacunas entre os fios de aço e aumentar a estabilidade da cavidade do gás, uma malha de fio de cobre (malha 100-200) é adicionada à saia de fio de aço. Para evitar que respingos adiram aos fios de aço, uma camada de fio de fibra SiC com 0,1 mm de diâmetro é revestida no lado interno da saia do fio de aço. Este método tem sido usado para reparar juntas soldadas em estacas de aço corroídas pela água do mar em profundidades de 1 a 6 m.
5.3 Método de soldagem subaquática do capô
Este método envolve a instalação de uma capa transparente na peça de trabalho, usando gás para deslocar a água dentro da capa e fazendo com que o mergulhador estenda a pistola de soldagem para a área da fase gasosa dentro da capa para soldagem.
O soldador observa o processo de soldagem através da coifa. Este método de soldagem subaquática pode ser usado para soldagem de posicionamento espacial de diferentes formas de juntas, principalmente usando soldagem por arco de metal com proteção de gás, mas também soldagem com gás inerte de tungstênio (TIG) e soldagem por arco de metal protegido.
A profundidade máxima prática da água para este método de soldagem a seco local encapuzado é de 40m. Este método de soldagem subaquática local seco e encapuzado é um método local seco em grande escala, com maior qualidade de soldagem em comparação com o método local seco em pequena escala.
No entanto, tem menos flexibilidade e adaptabilidade. Além disso, o tempo de soldagem é prolongado, resultando no aumento da fumaça no interior da coifa, o que prejudica a visibilidade do mergulhador. A ventilação de exaustão adequada é necessária para manter o gás limpo dentro do exaustor, tornando-se um problema que deve ser resolvido.
5.4 Método de soldagem subaquática de câmara móvel
Este método foi proposto pela primeira vez pelos Estados Unidos em 1968 e posteriormente aplicado na produção por empresas multinacionais nos Estados Unidos e no Reino Unido. Trata-se de uma câmara móvel com uma extremidade aberta que permite tanto a drenagem da água quanto a proteção dos gases.
A câmara móvel é pressionada sobre a área de soldagem para deslocar a água em seu interior, criando uma cavidade de fase gasosa onde o arco de soldagem queima. O diâmetro da câmara é de apenas 100-130 mm, tornando-a um método de soldagem subaquática por ponto seco.
Durante a soldagem, a extremidade aberta da câmara entra em contato com a peça de trabalho e uma junta de vedação semitranslúcida e uma junta de vedação flexível para a pistola de soldagem são instaladas na abertura.
A pistola de soldagem se estende lateralmente para dentro da câmara e o gás de drenagem desloca a água, permitindo ao soldador usar a iluminação interna da câmara para observar claramente a posição da ranhura e então iniciar o arco de soldagem. O soldador move a câmara segmento por segmento ao longo da costura de solda até que toda a solda esteja concluída.
Este método permite a soldagem em qualquer posição. Devido à cavidade estável da fase gasosa dentro da câmara, o arco e a qualidade da soldagem são melhorados, resultando em uma resistência da junta não inferior à do material de base. As soldas estão isentas de defeitos como inclusões de escória, porosidade e cortes inferiores, e a dureza na área de soldagem também é baixa.
As propriedades mecânicas das juntas soldadas atendem aos requisitos do American Petroleum Institute e são utilizadas em profundidades máximas de água de 30-40m. No entanto, este método de soldagem subaquática também apresenta algumas limitações:
(1) Não remove efetivamente a influência da fumaça de soldagem.
(2) Ainda existe uma camada de água entre a câmara e a máscara facial do mergulhador. Embora tenha pouco efeito sobre a visibilidade em águas claras, os problemas de visibilidade permanecem sem solução em águas turvas.
(3) A pistola de soldagem é conectada de forma flexível à câmara e o processo de soldagem é interrompido cada vez que a câmara é movida, resultando em soldagem descontínua e defeitos potenciais na junta do passe de soldagem.
Em resumo, a aplicação racional de medidas de drenagem parcial pode resolver eficazmente os três principais problemas técnicos na soldadura subaquática, melhorando assim a estabilidade do arco, melhorando a formação da soldadura e reduzindo os defeitos de soldadura.
Os métodos de soldagem subaquática utilizados atualmente apresentam limitações, sendo a qualidade da soldagem influenciada pelas condições de trabalho e pela profundidade da água. No entanto, do ponto de vista das perspectivas de desenvolvimento offshore, a investigação sobre soldadura subaquática fica muito aquém das necessidades da indústria. Portanto, o fortalecimento da investigação nesta área é de grande importância, tanto agora como no futuro.
6. Progresso da pesquisa em tecnologia de soldagem subaquática
6.1 Aplicação e Desenvolvimento de Tecnologia de Soldagem Subaquática
A soldagem subaquática apareceu pela primeira vez em 1917, quando o Instituto de Construção Naval da Marinha Britânica usou soldagem a arco subaquático para reparar vazamentos em juntas rebitadas e rebites em navios. Em 1932, Khrenov desenvolveu eletrodos de soldagem especiais subaquáticos revestidos com uma camada impermeável na superfície externa, o que melhorou até certo ponto a estabilidade dos arcos de soldagem subaquáticos.
No final da Segunda Guerra Mundial, a tecnologia de soldagem subaquática ganhou importância nas operações de salvamento, como o salvamento de navios naufragados.
No final da década de 1960, especialmente com o desenvolvimento de petróleo e gás offshore, havia uma necessidade urgente de reparos de soldagem subaquática em estruturas de engenharia offshore para lidar com fadiga, corrosão ou danos causados por acidentes, garantindo ao mesmo tempo uma boa qualidade de soldagem. O primeiro relatório a este respeito foi em 1971, quando a Humble Oil Company realizou reparos de soldagem subaquática em plataformas de perfuração no Golfo do México.
Em 1958, o primeiro grupo de mergulhadores comerciais certificados foi treinado e foram estabelecidos processos de soldagem subaquática úmida para profundidades de água inferiores a 100 m. Em 1987, a tecnologia de soldagem subaquática úmida foi aplicada no reparo de tubos de aço inoxidável em usinas nucleares. Na década de 1990, à medida que o número de estruturas de engenharia subaquáticas que necessitavam de reparos aumentava e o custo dos reparos nos estaleiros aumentava, houve um maior desenvolvimento da tecnologia de soldagem subaquática úmida.
A tecnologia de soldagem subaquática também recebeu atenção e foi aplicada na China. Já na década de 1950, a soldagem úmida subaquática com eletrodos foi empregada. Na década de 1960, a China desenvolveu de forma independente eletrodos de soldagem especiais subaquáticos. Desde a década de 1970, a Universidade de Tecnologia do Sul da China e outras instituições conduziram extensas pesquisas sobre eletrodos de soldagem subaquática e metalurgia.
No final da década de 1970, com a ajuda do Shanghai Salvage Bureau e do Tianjin Oil Exploration Bureau, o Harbin Welding Research Institute desenvolveu a tecnologia de soldagem LD-CO2, que é um método local de soldagem subaquática a seco. A pistola de soldagem semiautomática especialmente projetada para soldagem subaquática remove efetivamente a fumaça da soldagem, permitindo ao mergulhador observar claramente a posição da ranhura e garantindo a qualidade da soldagem. Nos últimos 20 anos, muitas tarefas de construção foram concluídas utilizando o método de soldagem LD-CO2.
Os principais fatores que afetam a qualidade da soldagem subaquática são a profundidade da água, a pressão ambiental correspondente e o ambiente de trabalho úmido e hostil. Garantir a qualidade da soldagem subaquática úmida é um desafio, e melhorar a qualidade da soldagem subaquática úmida é um foco principal da pesquisa. O Reino Unido e os Estados Unidos desenvolveram vários eletrodos de soldagem subaquática de alta qualidade.
Normalmente, a profundidade da água para soldagem subaquática úmida não excede 100m. O foco atual é alcançar um avanço na tecnologia de soldagem subaquática úmida a uma profundidade de 200 m. A pesquisa sobre monitoramento do processo de soldagem utilizando tecnologia avançada tem feito alguns progressos, particularmente na automação e inteligência da soldagem subaquática a seco e parcialmente seca. Foram desenvolvidos sistemas automatizados de soldagem de pista e sistemas robóticos de soldagem subaquática com monitoramento automatizado de processos, resultando em melhor qualidade de soldagem, redução do tempo de trabalho e redução da carga de trabalho para os mergulhadores.
O uso de soldagem automatizada controlada remotamente permite superar as limitações de profundidade dos mergulhadores manuais. Os sistemas de soldagem de trilhos possuem estruturas modulares, simplificando a manutenção. Os sistemas robóticos de soldagem subaquática em rápido desenvolvimento proporcionam maior flexibilidade e são capazes de alcançar qualidade de soldagem satisfatória em soldagem subaquática seca de alta pressão, como soldagem a arco de gás tungstênio (GTWA), soldagem a arco de gás metálico (GMAW) e soldagem a arco fluxado. (FCAW), mesmo em profundidades de água de 1100m.
Os sistemas robóticos de soldagem subaquática guiados por dispositivos a laser proporcionam mais flexibilidade para detectar e controlar soldas e defeitos, contribuindo para melhorar a qualidade da soldagem. O sistema de alimentação de arame é um desafio na soldagem subaquática devido à profundidade da água. Um novo tipo de sistema de feedback subaquático de alta confiabilidade e fio foi aplicado.
No geral, ainda existem muitos problemas com os atuais sistemas robóticos de soldagem subaquática, incluindo flexibilidade, tamanho, ambiente operacional, tecnologia de detecção e monitoramento e confiabilidade, que precisam ser mais desenvolvidos e melhorados.
