ZAVARIVANJE I REZANJE POD VODOM

1. ZAVARIVANJE I REZANJE POD VODOM TEHNIKUM TAURUNUM VISOKA INŽENJERSKA ŠKOLA STRUKOVNIH STUDIJA Beograd-Zemun, Nade Dimić 4 www.prekucavanje.wordpress.com

2. Uvod • 1917. izveden prvi “pravi” podvodni zavarivački poduhvat za popravku oštećenih ratnih brodova • 1941. intenzivna primena podvodnog rezanja i zavarivanja pri raščišćavanju olupina u Pearl Harbouru • 1960-ih rast “off-shore” industrije podstiče ulaganja u razvoj tehnike podvodnih radova, posebno zavarivanja i rezanja • 1970-ih je zabeležena primena u energetskim objektima (nuklearne elektrane) pri reparaciji postrojenja • 1980. i 1990-ih konstantno se registruje porast tržišta i primene podvodnog zavarivanja. Područje primene: • “off-shore” objekti- platforme, cevovodi • energetska postrojenja- nuklearne i konvencionalne elektrane • brane i mostovi- nosači, konstrukcijski elementi • vodosnabdevanje- cevovodi, bazeni, pumpne stanice • brodovi- kormilo, trup, rezervoari, konstrukcije, brodski propeleri • industrijska postrojenja- izmenjivači topline, razni rezervoari • podmornice- trup, kormila smera i dubine • koroziona zaštita- zamena žrtvujućih anoda.

3. Zavarivanje i rezanje pod vodom Tehnike podvodnog zavarivanjamogu se podeliti, s obzirom na okolinu koja okružuje radno mesto, na: • suvo zavarivanje (radi se u komorama sa povišenim ili atmosferskim pritiskom) • mokro zavarivanje (ronilac i mesto rada su u potpunosti u vodi). Kao i kod zavarivanja, kod rezanja se razlikuju mokre i suve tehnike. U mokrom se najčešće reže dejstvom toplote i eksplozivom, dok se u suvom reže mehaničkim sredstvima (strugarski noževi, glodala). Slika 1. Suvo (u komori-habitat) i mokro zavarivanje

4. Elektrolučni postupci podvodnog zavarivanja su: ručno-elektrolučno (REL), gravitaciono REL, MIG i TIG. Elektrolučni luk se stabilno održava u vodi, jer toplota luka isparava vodu, pa se luk održava u gasnom i parnom omotaču. Porastom dubine na kojoj se radi, luk se steže i brže gubi toplotu u okolini, što zahteva povećanje jačine i napona struje za njegovo održavanje. 1. Jezgro elektrode 2. Obloga elektrode 3. Električni luk 4. Gasni mehur 5. Rastopljeni metal 6. Troska 7. Mehurići gasa 8. Kapi metala i troske 9. Oblak taloga Slika 2. Šema procesa mokrog podvodnog zavarivanja

5. Mokro zavarivanje je jednostavniji i jeftiniji postupak u poređenju sa suvim zavarivanjem, ali je kvalitet spojeva nešto niži zbog bržeg hlađenja i prisustva vodonika (pad žilavosti, poroznost i pukotine kod čelika povišene čvrstoće). Rad u habitatima pruža udobnije uslove boravka i duže zadržavanje na većim dubinama. Međutim i u hiperbaričkim uslovima kvalitet zavara je slabiji nego kod zavara dobijenih na atmosferskom pritisku, kako zbog veće brzine hlađenja tako i zbog veće apsorpcije azota u zavaru, što obara žilavost. Osim toga, zbog same konstrukcije habitata i potrebne nepropustljivosti mogu se zavarivati samo jesnostavni konstrukcioni oblici, najčešće cevi. Zamućivanje vode produktima sagorevanja elektrode otežava rad i često se radi na slepo, što zahteva dobru uvežbanost zavarivača. Za rad pod vodom se koriste tamna stakla za 1 do 2 broja svetlije nego na vazduhu (izvan vode). Zbog galvanskih struja dolazi do nagrizanja i pucanja pričvršćenih vijaka na kleštima, skidanja hromiranih povrišna na maskama i pojave vodonika i kiseonika razlaganjem morske vode. Tako nastaje smeša sklona zapaljivanju i eksploziji. Zavarivanje preklopnih i ugaonih zavara je uspešno u horizontalnom i u vertikalnom položaju. Kod vertikalnog zavarivanja znatno je kvalitetniji rad odozgo prema dole.

6. Potrebne karakteristike elektroda za mokro podvodno zavarivanje su: • vodonepropusni premaz- sprečava prodor vode i raspadanje obloge • lakoća rukovanja u svim položajima zavarivanja - kompenzuju se otežani uslovi rada • visoka produktivnost - smanjuje se vreme zavarivanja i dobija se na kvalitetu spoja (bitno je svu pripremu koja se može izvesti na suvom što kvalitetnije realizovati, kako bi se smanjilo vreme boravka ronioca u vodi) • mogućnost prihvatanja višeg strujnog opterećenja-specifičnost mokrog podvodnog zavarivanja je i povećanje vrednosti parametara za cca.15%.Uprkos jačoj struji ne sme se dozvoliti da dođe do smanjenja homogenosti jezgre i obloge usled povećanja temperature ili do samog raspada obloge • dovoljna penetracija • kompromis: elektroda na bazi rutilne obloge u kombinaciji sa dvostrukim vodonepropusnim premazom. Slika 3. Elektrode za zavarivanje pod vodom

7. Šema uređaja za podvodno zavarivanje-Slika 4 1.Izvor struje 10.Crevo za dovod zaštitnog gasa 2.Kontrolno-merna aparatura 11.Zajednički kabal 3.Upravljačka jedinica 12.Radni komad 4.Boca sa zaštitnim gasom 13.Glava za zavarivanje 5.Zaštitni gas za zavarivačku glavu 14.Vodonepropusni kabal 6.Kabal za masu 15.Elektrodna žica 7.Otpornik 16.Planetarni dodavač žice 8.Strujni kabal 17.Podvodni agregat za dodavanje žice 9.Kabal za regulaciju brzine dodavanja žice 18.Kotur sa žicom

8. Podvodno zavarivanje može biti i poluautomatsko. Razlikuje se od ručnog zavarivanja po visokoj proizvodnosti,značajnim smanjenjem vremena ostvarenja dugihšavova u položaju na dole.Zavarivanje se vršipomoću specijalnog poluautomata marke A-1660. Poluautomat se sastoji iz dva segmenta (bloka) koji sukablovski povezani: • potopljenog bloka sa zavarivačkom glavom i • bloka upravljanja. Zamena kasete sa punjenomžičanom elektrodom vrši se pod vodom od strane ronioca-zavarivača. Blok upravljanja se za vreme rada nalazi na palubi broda ili platforme u neposrednoj blizini mestaizvođenja podvodnih zavarivačkih radova i služi zakontrolu i upravljanje procesom zavarivanja. U potopljenom bloku nalazi se kalem i mehanizam za dopremanje punjene elektrodne žice. Konstrukcija bloka omogućava nesmetan rad nadubino do 300 m. Kada je to potrebno, ronilac zavarivač može nesmetano zameniti kalem s punjenom elektrodnom žicom, ne vadeći potopljeniblok iznad vodene površine. Da bi se osigurali dobri uslovi za sve vrste podvodnih zavarivačkih radova neophodno je imati jednosmerni izvorkoji može da osigura minimalno 300A.

9. Kako bi se poboljšao kvalitet zavarenog spoja neophodno je ukloniti vodu u neposrednoj okolini kupke zavara i tako ograničiti količinu vodonika koji se rastvara u zavaru. Podvodno zavarivanje sa lokalnom vazdušnom zavesom smanjuje brzinu hlađenja, a tako i moguć nastanak hladnih pukotina. U tu svrhu se koristi pištolj za zavarivanje pod vodom sa zaštitom CO2. Princip rada se zasniva na formiranju toka vode (vodene zavese) prstenom 3 i mlaznicama 4 i 5. U prstenu 3 su po dijagonali smeštene mlaznice 5 za usmeravanje vode na unutrašnju površinu. Rezultat toga je rotirajuća zaštitna vodena zavesa. U unutrašnjost vodene zavese, kroz mlaznicu 4, dodaje se CO2 koji maksimalno smanjuje sadržaj vodonika. 1.kućište 2.kontakt 3.prsten 4.unutrašnja mlaznica 5.spoljašnja mlaznica 6.kontakt 7.el.žica 8.materijal Slika 5. Pištolj za podvodno zavarivanje sa vodeno-gasnom zavesom

10. Kako bi se smanjile greške i poboljšao kvalitet zavara, koristi se zavarivanje u lokalnoj šupljini. Postupak je privlačan s obzirom na ekonomičnost i dobar kvalitet postignutih zavara. Pored toga, koeficijent odvođenja toplote prilikom mokrog zavarivanja je i do 100 puta veći nego pri suvom zavarivanju. 1.kućište 2.dovod gasa 3.spojnica 4.zaptivka 5.elastična zavesa 6.mlaznica 7.prsten 8.opruga 9.komora 10.elastična zavesa komore 11.spona Slika 6. Konstrukcija pištolja sa lokalnom komorom za zavarivanje sučeonih spojeva

11. Dimenzije ovih pištolja za zavarivanje su optimizovane na osnovu numeričkog proračuna temperaturnih polja. Primenom lokalnih komora, omogućeno je postizanje dobre stabilnosti luka, dobro vlaženje i povoljniji metalurši uslovi za formiranje zavara. Dvostruko je smanjena brzina hlađenja u odnosu na mokro zavarivanje u CO2. Primenom žice punjenje praškom dodatno se poboljšavaju uslovi zavarivanja. 1.kućište 2.dovod gasa 3.potiskivanje gasa 4.gasna mlaznica 5.komora 6.elastična zavesa 7.osovina 8.osigurač 9.prsten Slika 7. Konstrukcija pištolja sa lokalnom komorom za zavarivanje ugaonih spojeva

12. Prednosti i nedostaci suvog i mokrog zavarivanja Prednosti suvog podvodnog zavarivanja • Nema direktnog uticaja vode na proces zavarivanja • Veća sigurnost zavarivača • Mogućnost korišćenja više tehnika zavarivanja • Relativna neosetljivost na povećanje dubine Nedostaci suvog podvodnog zavarivanja • Visoka početna ulaganja u infrastrukturu • Velika količina prateće opreme i veliki broj visokostručnih ljudi • Nefleksibilnost Prednosti mokrog podvodnog zavarivanja • Ekonomičnost • Fleksibilnost • Mogućnost istraživanja i razvoja sa manjim financijskim ulaganjima Nedostaci mokrog podvodnog zavarivanja • Direktan uticaj vode (brzo hlađenje, poroznost, visok sadržaj vodonika u zavaru) • Povećani rizik za ronioca-zavarivača • Osetljivost opreme, zavarivača i električnog luka na povećanje dubine

13. Klase zavarivanja Nezavisno od postupka zavarivanja ili korišćenojtehnologiji, američki ANSI/AWS D3.6-93 standard vrši podelu zavarenihspojeva prema nivou svojstava na 4 klase: - Klasa A - zavareni spoj ima iste karakteristike kaoosnovni metal po svim pokazateljima; - Klasa B - nešto niže vrednosti karakteristika uodnosu na osnovni metal, ali u dozvoljenim granicama zateznih karakteristika uz obezbeđenje ugla savijanjaod 180° sa manje strogim uslovima ispitivanja uzoraka; - Klasa C - najniže vrednosti pokazatelja čvrstoćespoja što je dopušteno za manje odgovorne konstrukcije i - Klasa O - takođe kao klasa A, ali dopunski uslov je ispunjavanje jednog ili više zahteva za specifičneuslove, kao što je povećana koroziona postojanost i tome slično. Tabela 1. Mehanička svojstva metala šava

14. Problemi pri podvodnom zavarivanju • 1.povećana tvrdoća zavara-nastaje usled brzog hlađenja zavara,a koje je uslovljeno visokim specifičnim toplotnim kapacitetom vode i niskim temperaturama vode koje nekad znaju dosegnu 5°Cna većim dubinama.Brzinom hlađenja većom od kritične dobijamo određeni udio martenzita u strukturi,što se rezultuje smanjenjem čvrstoće i žilavosti zavarenog spoja. • 2.poroznost -zbog povećane brzine hlađenja svi gasovi koji se zateknu u rastopljenom metalu ne stignu da difunduju, pa nakon hlađenja ostaju u strukturi zavarenog spoja.Takve pore smanjuju mehanička svojstva zavara, pa su potencijalni inicijatori pukotina. • 3.vodonik u zavaru-zbog povećane količine vlage rapidno se povećava koncentracija disociranog vodonika u zavaru(30 do 70ml H2/100g zavara), što povećava rizik od hladnih pukotina. Uopšte,najveći problem mokrog podvodnog zavarivanja je vodonik, pa je potrebno sprovesti sve mere zaštite i opreza koje su moguće,od proizvodnje elektrode do njene upotrebe. • 4.uključci troske-uključci nastaju kod brzog hlađenja zavara kada troska usprkos razlici gustine ne stigne da ispliva na površinu, pa ostane zarobljena u spoju,pri čemu narušava mehanička svojstva.

15. 5.disipacija energije luka-zbog dobre električne provodljivosti vode (pogotovo slane) dolazi do rasipanja energije električnog luka,što daje loše izvedeni spoj.Radi tog fenomena potrebno je uvek kod izvođenja podvodnog spoja povećati vrednost struje zavarivanja za cca.15% kod istog napona luka za spoj izveden na vazduhu. • 6.visok hidrostatski pritisak-zbog visokog pritiska vode na većim dubinama dolazi do penetracije vode u oblogu elektrode kao i do ograničenja operativnih svojstava električnog luka.Preporučuju se dubine do 180m da bi se zadržala svojstva kvalitetnog zavara. • 7.loša vidljivost-zbog nedostatka prirodnog svetla i mehurića nastalih usled zavarivanja teško je vizuelno pratiti tok zavarivanja, pa su zato razvijene tehnike rada koje smanjuju negativan uticaj slabe vidljivosti(“self consuming” tehnika rada,”manipulative or weave method” tehnika rada)

16. Greške pri podvodnom zavarivanju Visok sadržaj vodonika Uključci troske Loša geometrija zavara pukotine pore Visoka tvrdoća u ZUT-u Loša penetracija Slika 8.Greške pri podvodnom zavarivanju (Visok sadržaj vodonika, Loša geometrija zavar, Pore, Loša penetracija, Visoka tvrtoća u ZUT-u, Pukotine, Uključci troske)

17. Rezanje pod vodom Među mnogim načinima rezanja pod vodom izdvajamo neke koje je vredno spomenuti: • rezanje plamenom, • rezanje plazmom • rezanje šupljom elektrodom (oxy-arc), • elektrolučno rezanje žicom i dodatnim mlazom vode, • gravitaciono oxy-arc rezanje. Zbog tehnoloških ograničenja ili zahteva sigurnosti, nisu svi načini naišli na širu praktičnu primenu. Oxy-arc tehnika rezanja šupljom elektrodom se najčešće koristi pri realizacijipodvodnih radova. Potrebna toplota se generiše električnim lukom, dok materijal sagoreva ustruji kiseonika koji pod određenim radnim pritiskom prolazi kroz šuplju elektrodu. Koristi se jednosmerni izvor struje. Za optimalne rezultate rezanja potrebno je prilagoditi parametre, a tosu pritisakkiseonika, jačina struje i brzina rezanja. S povećanjem dubine potrebno je povećati pritisak kiseonika kako bi se anulirao porast hidrostatskog pritiska. Podvodno “oxy-arc” rezanje seprvenstveno koristi kod demontaže konstrukcije.

18. Oxy-arc metoda se temelji na primeni mlaza kiseonika na luk koji se održava između žičane elektrode i osnovnog materijala. Mlaz kiseonika odstranjuje sagoreli i rastopljeni metal isto kao i trosku iz žljeba. Za primenu ove metode rezanja upotrebljava se oprema za MIG zavarivanje. Ispitivanjem u skladu sa zahtevima za stabilnim lukom dobijene su vrednosti za jačinu struje i napon pri rezanju I=260 – 340 (A) i U=30 – 40 (V). Preporučeni ugao je α=18 – 20°, udaljenost a=3 – 5 mm, b=10 – 12 mm, tako da je moguće odvajanje bez imalo troske. Najniži pritisak kiseonika iznosi 0,2 MPa. 1.glava pištolja 2.kontaktna cev 3.mlaznica za kiseonik α-ugao između mlaznice a-udaljenost osa mlaznice b-udaljenost između obratka i pištolja Slika 9. Shema podvodnog rezanja oxy-arc metodom

19. Podvodna kontrola zavara Sa stanovišta pouzdanosti konstrukcija od izuzetne je važnosti kontrola zavara, kako za vreme izrade, tako i za vreme eksploatacije. Strogim propisima o opsegu i preciznosti kontrole zavara najviše odgovara ultazvučna metoda, posebno kada se radi o teško pristupačnim zavarima i zavarima pod morem - pomorskih konstrukcija (platforme, brodovi, dokovi i dr.). Takođe se može vršiti i podvodno ispitivanje magnetnim česticama. Redovni ili vanredni pregledi podmorskih konstrukcija ili plovila su nezamislivi bezmetoda podvodnih nerazornih ispitivanja. U kombinaciji sa podvodnim zavarivanjem, mogućaje brza intervencija pri sanaciji i otklanjanju pukotina i oštećenja. U otežanim radnim uslovima detekcija greške je otežana, a problemi poputpravilnog pozicioniranja ultrazvučne sonde postaju na većim dubinama i pri slabijojvidljivosti, uz prisutnost morske struje, pravi poduhvat. Samo uz odgovarajuću podršku pomoćnog tima na površini, adekvatnu opremu iosposobljene ronioce-ispitivače, moguće je izvođenje nerazornih podvodnih ispitivanja.Prilikom podvodnih radova najčešće se koriste ultrazvučno ispitivanje, ispitivanjemagnetskim česticama kao i vizuelna kontrola.

20. Kod ultrazvučnog ispitivanja ronioc-ispitivač pozicionira sondu na ispitno mesto.Potrebno je da mesto ispitivanja bude na određeni način pripremljeno, tj.moraju se odstraniti produkti korozije, morskog rastinja i sl. Signal se prenosi do uređaja napovršini pored kojeg kvalifikovana osoba detektuje nepravilnosti i beleži podatke. Stalnatelefonska veza između ronioca-ispitivača i operatera na površini omogućava da se ispitajutačno određena mesta. Kamerom se snima rad ronioca-ispitivača pa je moguće jednoznačnoodrediti mesto ispitivanja i analizirati rezultate. Kod rada na bilo kojoj podvodnoj konstrukciji, mora se roniocu-ispitivaču osigurati stabilan oslonac kako bi sevremenski optimizirao boravak ronioca pod vodom i psiho-fizička usredsređenost na samoispitivanje. Slika 10. Podvodno ispitivanje zavara ultrazvukom i magnetnim česticama

21. Zaključak • U proteklih 10-ak godina, status tehnike mokrog podvodnogzavarivanja u svetu se znatno poboljšao. Tehnika mokrog podvodnog zavarivanja jeopšte prihvaćena i višestruko upotrebljavana pri održavanju plovnih objekata i “off-shore”postrojenja. • Takođe, primećen je pozitivan trend osnivanja obučnih centara za podvodnozavarivanje širom sveta. Beleži se i intenzivan istraživački rad na području dodatnihmaterijala i izvora struje za zavarivanje, kao i usavršavanju adekvatne opreme i tehnike radaronilaca-zavarivača. • Veliki broj plovnih objekata i «off-shore» postrojenja povećava rizik od mogućih kvarova i problema koji mogu prouzrokovati ekološkehavarije. Takve kvarove i situacije se mogu na vreme detektovati tehnikama nerazornihpodvodnih ispitivanja, a sanacija i popravka istih je vrlo često moguća pomoću tehnike mokrogpodvodnog zavarivanja. • Bez obzira na složenost zadatka, vezanih za kvalitet metala šava i spoja u celini, mokro zavarivanjeje stalno tema istraživanja i unapređenja zahvaljujućisvojoj mobilnosti, svojoj jednostavnosti implementacije iekonomskoj izvodljivosti.

22. Literatura [1] Zavarivanja i rezanje metala podvodnom tehnologijom,С.Ю. Максимов, В.С. Бут, О.И. Олейник,D. Bajić, Stručni rad, maj 2010. [2] Zavarivanje u brodogradnji, Zbornik radova, Split 25, 26 i 27.IX 1986. [3] Inženjersko tehnički priručnik-ZAVARIVANJE, grupa autora, Beograd, 1980. [4]http://www.bigagroup.com [5]http://www.zadarsub.hr/podvodni-radovi/podvodni-radovi Hvala na pažnji!