Kỹ thuật hàn dưới nước

Năm 1946, điện cực chống nước đặc biệt được phát triển ở Hà Lan bởi Van der Willingen và tạo ra bước đột phá trong công nghệ hàn dưới nước. Hàn dưới nước (Underwater welding) là phương pháp hàn hồ quang điện đặc biệt được tiến hành dưới nước. Que hàn có 2 lớp thuốc bọc, lớp bên trong có tính năng như thuốc bọc que hàn thường, lớp bên ngoài có tính năng chống nước. Thuốc bọc que hàn dưới nước có độ bền cao, cách nước, cách điện cho lõi que (không bị hở điện trong nước) và giữ cho hồ quang cháy ổn định trong bong bóng khí, hình thành và khôi phục không ngừng do nước xung quanh bị phân tách và bốc hơi dưới tác dụng của phóng điện hồ quang, nung chảy vật liệu cơ bản và hình thành mối hàn.

Nguyên lý hàn dưới nước

Phương pháp hàn dưới nước dựa vào khả năng cháy ổn định hồ quang trong bong bóng khí dưới sự làm mát cực của môi trường nước xung quanh, hồ quang được tạo ra cũng giống như việc tạo hồ quang tay vậy, chỉ khác ở đây là việc tạo ra hồ quang ở dưới nước. Nhiệt của hồ quang được tạo ra giữa que hàn và vật hàn làm nóng chảy vật liệu cơ bản. Sự nóng chảy lõi của que hàn, các hạt kim loại có trong thuốc bọc và một phần của vật liệu cơ bản tạo nên vũng hàn và đông đặc thành mối hàn. Tất cả các thao tác gây hồ quang, dịch chuyển que hàn, thay que hàn đều do thợ hàn thực hiện.

Đặc điểm của hàn dưới nước

Hàn dưới nước là phương pháp ra đời muộn song có ứng dụng rất lớn và đang được phát triển mạnh mẽ.

Hàn dưới nước có thể được thực hiện theo cách tương tự như trên mặt đất, ngoại trừ các yếu tố sau:

– Làm lạnh chuyển động của nước trên mối hàn kim loại và các tấm xung quanh.

– Một áp lực cao hơn do các đầu nguồn, theo đó mối hàn diễn ra.

– Một vùng khí xung quanh hồ quang.

– Bong bóng khí được hình thành xung quanh hồ quang do đốt các thông về điện và điện ly của nước. Khi hàn các bong bóng vẫn tiếp tục xuất hiện, hàn một lúc sau thì khác, những bong bóng đó sẽ di chuyển lên mặt nước, do đó là điều kiện xung quanh hồ quang không ổn định. Hơn nữa, sự chuyển động của vùng không khí nhanh hơn, áp lực xung quanh cũng vậy. Hồ quang của vùng khí tăng theo độ mặn và nhiệt độ của nước biển nhưng giảm theo chiều sâu.

– Đối với hàn thép hợp kim có thể dẫn đến dễ giòn, dễ vỡ trong vùng ảnh hưởng nhiệt do hiệu ứng làm lạnh của nước biển trên mối hàn kim loại.

Ưu điểm của hàn hồ quang dưới nước:

– Có thể thao tác trong môi trường nước.

– Có khả năng linh hoạt dưới nước, có tính linh động cao.

– Có thể hàn ở nhiều vị trí, tư thế.

– Vùng ảnh hưởng của phương pháp này nhỏ.

Nhược điểm của hàn hồ quang dưới nước

– Công tác chuẩn bị trước khi hàn phức tạp.

– Việc thi công hàn dưới nước gặp nhiều khó khăn, trở ngại.

– Chất lượng mối hàn chủ yếu phụ thuộc vào trình độ tay nghề của thợ hàn.

– Thiết bị phục vụ cho công việc hàn rất nhiều và tốn kém.

– Độc hại cho môi trường, đặc biệt là nguồn nước.

– Khó quan sát khi hàn.

Phạm vi ứng dụng của hàn dưới nước

Phương pháp này có ứng dụng cho hàn tất cả các công trình dưới nước: thân tàu, giàn khoan, các đường ống…

Lĩnh vực chính cho hàn dưới nước là cơ sở khai thác dầu ngoài khơi, các công trình nối, sửa chữa những hư hỏng trên tàu. Nhiều trong số đó là những cấu trúc đường ống, các dàn khoan, các công trình nổi. Trong khi người thơ hàn phải thường xuyên chịu áp lực của môi trường thao tác.

Phân loại

– Hàn ướt (Wet Welding) – Hàn được thực hiện dưới nước, trực tiếp tiếp xúc với môi trường ẩm ướt.

– Hàn khô (Dry or hyperbaric welding) – Một buồng khô được tạo ra gần khu vực hàn và thợ hàn thực hiện công việc bằng cách ở lại bên trong buồng.

1. Hàn ướt (Wet Welding)

Hàn ướt là phương pháp hàn chỉ được thực hiện dưới nước, làm việc trực tiếp với môi trường ẩm ướt. Một điện cực đặc biệt được sử dụng và hàn được thực hiện bằng tay. Sự chuyển động tự do tăng lên giúp phương pháp hàn hiệu quả và kinh tế nhất. Nguồn điện cung cấp đến các thợ hàn và thợ lặn thông qua dây cáp và ống.

Trong hàn ướt MMA (Hàn hồ quang kim loại bằng tay) được sử dụng:

– Nguồn điện DC dòng 1 chiều

– Phân cực: đã phân cực.

Khi DC đã phân cực được sử dụng, điện phân sẽ diễn ra và gây ra sự giảm nhanh chóng các thành phần kim loại trong bình chứa điện cực. Đối với DC, hàn ướt không được sử dụng để tính toán về an toàn điện và khó khăn trong việc duy trì hồ quang dưới nước.

Các máy điện 1 chiều có công suất định mức khoảng 300A – 400A. Động cơ máy phát điện thường được sử dụng nhiều nhất cho máy hàn dùng để hàn dưới nước trong môi trường ẩm ướt. Khung máy hàn phải được nối đất (mass) với tàu. Các mối hàn phải bao gồm một bộ chuyển đổi dương, thường là một công tắc chuyển đổi được điều chỉnh trên bề mặt và điều khiển bởi các thợ hàn. Công tắc trong mạch điện hoàn toàn toàn có khả năng chịu sự phá hủy của các dòng điện hàn và được sử dụng vì lý do an toàn. Nguồn hàn được nối với các điện cực trong thời gian hàn.

Dòng điện 1 chiều với điện cực âm thẳng cực được sử dụng. Đặc biệt, điện cực hàn được cách ly chống lại sự xâm nhập của nước khi sử dụng. Điện cực hàn được sử dụng dưới nước là loại có đầu xoắn và được kẹp chặt. Nó phù hợp với kích thước của 2 điện cực.

Các loại điện cực được sử dụng phù hợp với phân loại AWS (American Welding society) E6013 và chống thấm nước. Tất cả các kết nối phải được cách điện triệt để để nước không tiếp xúc với bộ phận kim loại. Nếu cách điện bị rò rỉ, nước biển sẽ tiếp xúc với dây dẫn kim loại và một phần của dòng điện sẽ bị rò rỉ ra và dòng hồ quang sẽ không có sẵn. Ngoài ra cáp đồng sẽ bị hư hỏng tại các điểm rò rỉ.

Đặc điểm của hàn ướt

Ưu điểm của hàn ướt:

Hàn ướt dưới nước MMA nhiều năm nay đã được áp dụng rộng rãi trong việc sửa chữa.

Những lợi ích của hàn ướt là:

– Sự linh hoạt và chi phí thấp của hàn ướt làm cho phương pháp này chiếm nhiều ưu thế.

– Tốc độ hàn nhanh.

– Ít tốn kém hơn so với hàn khô.

– Các thợ hàn có thể tiếp cận các cấu trúc bên ngoài mà khi sử dụng các phương pháp khác không thể làm được.

– Không cần vách cách âm, không mất nhiều thời gian chuẩn bị.

Nhược điểm của hàn ướt

– Mối hàn kim loại bị dập tắt nhanh do nước xung quanh. Que hàn ở dưới nước khi hàn xong nguội rất nhanh do môi trường nước biển, làm giảm độ  bền kéo cảu mối hàn, tăng độ xốp và cứng.

– Hydrogen Embrittlement làm giòn bằng hidro – số lượng lớn các khí Hidro có mặt trong khu vực hàn do việc phân ly của hơi nước khu vực hồ quang. H2 phân chia trong các khu vực bị ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và mối hàn kim loại, gây làm giòn, làm rạn nứt và các vết nứt tế vi. Vết nứt có thể phát triển và dẫn đến sự hư hỏng vật liệu.

– Bất lợi khác là hạn chế tầm quan sát. Các thợ hàn khó có thể quan sát vũng hàn do phản ứng tạo thành các đám mây.

– Chất lượng mối hàn phụ thuộc nhiều vào trình độ tay nghề của thợ hàn.

– Thợ hàn thường xuyên chịu áp lực từ môi trường xung quanh.

– Công tác chuẩn bị và các trang thiết bị phục vụ phức tạp.

Hàn khô (hàn áp suất cao)

Hàn khô được thực hiện bằng buồng kín xung quanh kết cấu được hàn. Các khoang này được chứa đầy khí ớ áp suất hiện hành. Các môi trường trong các đường ống được bịt kín và chứa đầy hỗn hợp của Heli và Oxy, khi hàn diễn ra áp lực của mối hàn cao hơn áp lực của môi trường xung quanh. Phương pháp này tạo ra chất lượng cao đáp ứng các khớp hàn X-ray và mã yêu cầu. Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy là phương pháp được sử dụng cho quá trình này. Diện tích của bề mặt sàn tiếp xúc với môi trường nước. Vì vậy hàn được thực hiện trong khô nhưng xung quanh chịu áp lực thủy tĩnh của môi trường nước.

Đặc điểm của hàn khô

Ưu điểm của hàn khô

– An toàn hàn. Vì được thực hiện trong buồng, miễn tiếp xúc với các dòng đại dương và các sinh vật biển. Có hệ thống kiểm soát môi trường riêng.

– Chất lượng mối hàn tốt. Vì mối hàn không bị môi trường nước dập tắt.

– Giám sát bề mặt, chuẩn bị các mối nối, đường ống liên kết, NDT, kiểm tra đầu được theo dõi, giám sát trực tiếp.

– Kiểm tra không phá hủy (NDT) – Điều kiện kiểm tra không phá hủy là môi trường khô.

Nhược điểm của hàn khô

– Đòi hỏi một lượng lớn thiết bị phức tạp.

– Chi phí cho môi trường hàn cao và tăng theo độ sâu.

– Thợ hàn cũng phải chịu áp lực từ môi trường xung quanh.

– Chất lượng mối hàn phụ thuộc nhiều vào tay nghề, trình độ của người thợ hàn.

Rủi ro khi hàn

– Nguy cơ đối với thợ hàn, thợ lặn là bị điện giật.

Biện pháp phòng ngừa bao gồm: thiết bị hàn phải đảm bảo được tính cách điện, dòng điện cung cấp ngay lập tức đóng thì hồ quang được dập tắt và hạn chế điện áp mở mạch của bộ hàn hồ quang tay MMA (SMA).

– Hidro và oxy được sinh ra bởi hồ quang trong hàn ướt.

Biện pháp phòng ngừa: thực hiện tránh tạo các túi chứa khí. Đó là khả năng gây nổ.

– Môi trường làm việc đe dọa sức khỏe của các thợ hàn. Áp suất môi trường tăng lên, nitơ tiếp xúc và đưa vào máu.

Biện pháp phòng ngừa: cung cấp không khí khẩn cấp, cung cấp khí đốt cho thợ lặn vào buồng nén để tránh nitơ gây mê.

– Đối với các mạch hàn ở dưới nước, việc kiểm tra có thể khó khăn hơn. Do vậy việc đảm bảo tính toàn vẹn của mối hàn khó khăn hơn, khó phát hiện và kiểm soát các khuyết tật.

– Hư hỏng hoặc xảy ra các sự số hệ thống cung cấp khí cho thợ hàn.