SOLDAGEM SUBAQUÁTICA

SOLDAGEM SUBAQUÁTICA - UWW Prof. Alexandre Queiroz Bracarense, PhD Universidade Federal de Minas Gerais Grupo de Robótica, Soldagem e Simulação

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INTRODUÇÃO

 A soldagem e o corte subaquáticos são processos únicos, por serem realizados em ambiente submerso. Recentemente, tem havido um interesse crescente nos processos de soldagem subaquática, devido aos requerimentos de construção e reparo associados com a exploração, perfuração e recuperação de óleo e gás natural. Os procedimentos de soldagem e corte subaquáticos existem para praticamente qualquer tarefa requerida. Enquanto algumas técnicas atualmente utilizadas são complexas e custosas de serem implementadas, a capacidade de se obter juntas soldadas com as propriedades mecânicas apropriadas e a realização de operações de corte submerso, no local de trabalho, oferece aos engenheiros oceânicos uma ferramenta ferr amenta de extrema importância. importância.  As restrições passadas associadas ao corte e a soldagem subaquática, relacionadas principalmente com a baixa qualidade das juntas soldadas e a repetibilidade questionável, tem sido superadas devido ao grande interesse existente em trabalhos no mar por parte da indústria do petróleo. Atualmente, a capacidade de se obter juntas soldadas com as características desejadas bem como a disponibilidade de métodos e técnicas de inspeção apropriadas, tornam as operações de união e soldagem subaquática opções viáveis. Exemplos de trabalhos de recuperação em estruturas offshore podem ser vistos na Figura 1 (a) e (b).

(a) (b) Figura 1 – Soldagem subaquática úmida para reparos em componentes de estruturas offshore. Estrutura danificada (a) e estrutura após o reparo (b).

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CLASSES DE SOLDAGEM SUBAQUÁTICA

 Ao mesmo tempo em que novas aplicações para a soldagem subaquática são descobertas, novos processos são desenvolvidos e os processos existentes são adaptados, de forma a atender a necessidades específicas. Não é possível fornecer uma descrição exaustiva de todos os processos em uso. Entretanto, os processos de soldagem subaquática podem ser divididos nas seguintes classes genéricas: 2.1 2.1

Soldag em Úmid a

Neste processo, tanto a peça de trabalho como o soldador estão localizados na água, não sendo realizada nenhuma preparação para separar os materiais a serem soldados da água. O soldador/mergulhador utiliza eletrodos com recobrimentos a prova d’água e porta eletrodos, pistolas e tochas especialmente projetadas ou modificadas para serem utilizados na soldagem subaquática. Para a obtenção de juntas soldadas de alta qualidade, pode ser necessária a utilização de compartimentos cheios de gás para proteger os eletrodos ou fluxo quanto a absorção de água antes de sua utilização. 2.2 2.2

Sold agem Seca Lo calizada

O volume contendo o arco e a região a ser soldada, no todo ou em parte, é separado da água por meio de um pequeno envoltório cheio de gás, a pressão ambiente, com aberturas para permitir o acesso. Esta câmara proporciona uma região protegida entre a peça de trabalho e o ambiente úmido e possui espaço suficiente para o eletrodo ou a tocha de soldagem. 2.3 2.3

Sold agem em Caixa Seca

 A soldagem é realizada em uma câmara preenchida preenchida com um gás, grande o bastante para acomodar a área de trabalho e a cabeça e aparte superior do corpo do soldador/mergulhador, vestido em um traje de mergulho completo. Esta montagem remove a água de uma região bem maior mai or que no caso anterior. 2.4 2.4

Câmara Câmara de Sold agem

 A soldagem so ldagem é realizada realizada em uma câmara, câmar a, a pressão de 1 atm, que é montada ao redor do local onde devem der realizados os trabalhos. Nestas condições a soldagem praticamente não é afetada pelas propriedades da água ou pelos efeitos da profundidade. 2.5 2.5

Soldagem em Habitat

 A água é deslocada de uma grande câmara, por meio da injeção de um gás em seu interior. A área de solda é completamente isolada da água, mas se encontra na pressão do local correspondente a altura da coluna de água. Os soldadores

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não utilizam trajes de mergulho nesta câmara e existe espaço suficiente para a realização dos preparativos para a soldagem e posicionamento de equipamentos. Embora estas classificações representem as maiores aproximações de soldagem subaquática, elas não são definitivas. Entretanto, elas podem ilustrar a capacidade presente em se variar a interação do soldador/mergulhador e a solda, desde a completa imersão durante a soldagem úmida até o total isolamento do ambiente durante os processos de câmara. Virtualmente todos os processos de soldagem tem sido experimentados submersos em laboratório ou em condições naturais.. Consequentemente, a tecnologia de soldagem submersa tem sido beneficiada com a desenvolvimento de técnicas. A maior parte destes desenvolvimentos consistem de modificações nos procedimentos familiares que auxiliam a isolar o processo de soldagem da água circundante. Entretanto, a maior parte das aplicações de soldagem submersa são feitas com procedimentos convencionais que são otimizados pela cuidadosa escolha do eletrodo e tem como objetivo reduzir os efeitos adversos do ambiente.  A soldagem submersa em ambiente seco, tal como o proporcionado por um “habitat’ ou uma câmara de soldagem, usualmente é feita utilizando-se os processos GMAW, GTAW e PAW. Os processos GMAW e FCAW são os mais comumente utilizados para a soldagem em caixa seca ou localizada seca. A soldagem úmida é normalmente realizada com o processo de eletrodo revestido (SMAW). A seleção de eletrodos apropriados para o metal base e a proteção dos eletrodos com relação a absorção de água antes e durante a soldagem são elementos fundamentais para o sucesso da solda. Todas as posições e soldagem multipasses podem ser feitas com todos estes processos se adaptações apropriadas forem realizadas para trabalhos submersos.

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SOLDAGEM HIPERBÁRICA A SECO

 A soldagem subaquática em ambiente seco é possível pelo envolvimento da área a ser soldada com uma barreira física, denominada câmara de soldagem, que possibilita a retirada da água do seu interior. A câmara de soldagem é projetada para ser montada junto aos elementos estruturais que se deseja soldar, conforme mostrado na Figura 2 (a) e (b).

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(a) (b) Figura 2 – Câmara de soldagem para reparos estruturais em membros estruturais que se interceptam (a) e para reparos em tubulações (b).  A câmara é normalmente construída em aço mas qualquer outro material adequado pode ser utilizado. O tamanho e a configuração da câmara é determinado pelas dimensões e pela geometria da área que deve ser envolvida para a soldagem, bem como pelo número de soldadores que devem trabalhar ao mesmo tempo.  A água é deslocada do interior da câmara pela injeção de ar ou de uma mistura de gases adequada, dependendo da profundidade da água e da pressão no local de trabalho. A flutuação da câmara é compensada com a utilização de lastros, conexões mecânicas na estrutura ou ambos.  As variáveis essenciais que são inerentes a soldagem subaquática hiperbárica a seco resultam do ambiente, profundidade e pressão. O ambiente de trabalho dentro da câmara de soldagem restringe os movimentos do soldador e algumas vezes mantém o soldador na melhor posição para visualizar a junta soldada e realizar a soldagem. Além disto, o soldador está sempre próximo da fonte de calor e do equipamento para tratamento térmico. As condições de ambiente e profundidade afetam adversamente a logística a as comunicações e aumentam os riscos com a segurança. Uma câmara típica pode ser observada na Figura 3.

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Figura 3 – Câmara Hiperbárica Seca Os problemas ambientais dos mergulhadores podem ser minimizados com a utilização de bons equipamentos, planejamento adequado e suporte para mergulho. A pressão hiperbárica é a variável essencial predominante e afeta adversamente a soldagem subaquática de duas formas: afetando a estabilidade do arco e a transferência de metal e afetando a composição do metal de solda depositado. Sob condições hiperbáricas, o aumento na condutividade térmica dos gases provoca uma constrição no arco e uma elevação da queda de potencial através da coluna do arco. A constrição do arco elétrico e o conseqüente aumento na densidade de energia promovem mudanças substanciais no comportamento do anodo e catodo, que acentua a instabilidade do arco. Com o aumento na pressão, o silício e o manganês depositados no metal de solda são substancialmente reduzidos. Comparações entre soldas realizadas em profundidades de 305 m e com soldas realizadas na superfície mostram que, naquelas profundidades, o conteúdo de manganês decresce em cerca de 30% e o teor de carbono praticamente triplica. Para o mesmo metal de solda, o teor de oxigênio aumenta de 300 ppm para 750 ppm. Para soldas realizadas a 76 m, o teor de silício decresce cerca de 10% comparando-se com soldas realizadas na superfície. As variações são mostradas na Figura 4.

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Figura 4 – Resultados da análise química da solda em função da profundidade da coluna d’água para um eletrodo de baixo hidrogênio. Outro fato observado em soldas hiperbáricas secas realizadas desde a superfície até uma profundidade de 300 m, além das mudanças na composição química do metal de solda, é uma redução na tenacidade, determinada a partir de ensaios Charpy realizados a 10° C, conforme mostra a Figura 5.

Figura 5 – Redução na tenacidade em função da profundidade.  A diminuição na tenacidade tem sido relacionada ao aumento do teor de oxigênio no metal de solda. As variações de carbono e manganês podem causar mudanças significativas na temperabilidade do metal de solda.

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3.1

Trat am en to té rm ic o

Devido aos níveis extremamente altos de umidade nas câmaras de soldagem subaquática, todos os procedimentos de soldagem devem incluir um préaquecimento e a manutenção de temperaturas entre passes apropriadas. As faixas de temperaturas são determinadas pela composição e espessura do metal base, a energia do arco (heat input) e o potencial de hidrogênio do processo de soldagem. Fontes de energia para tratamento térmico, o isolamento e a instrumentação, utilizados para a soldagem subaquática seca, são essencialmente os mesmos que os utilizados para a soldagem na superfície.

3.2

Process os de sold agem a seco

Os processos de soldagem mais comumente utilizados para a soldagem subaquática a seco são: GTAW, SMAW e FCAW. O processo GMAW é normalmente utilizado para os passes de raiz, devido a estabilidade do arco sob condições hiperbáricas e a facilidade de manuseio. Adicionalmente, o controle independente sobre a fonte de calor e a taxa de alimentação do arame de adição torna o processo ideal para o enchimento de aberturas de tamanhos variáveis na raiz. Os outros processos são normalmente utilizados para o enchimento de soldas com chanfro ou para soldas de filete, devido as altas taxas de deposição. 3.2.1 Processo de Soldagem com Eletrodo Revestido

O processo de soldagem com eletrodo revestido é o mais utilizado para reparos estruturais e é geralmente usado para o enchimento e o passe de cobertura de soldas em dutos, após a utilização do processo GTAW para o passe na raiz. Os eletrodos comercialmente disponíveis são comumente utilizados até profundidades de cerca de 90 m. Eletrodos com formulação especial tem sido utilizados para maiores profundidades. Este processo oferece como vantagens: a necessidade de um equipamento relativamente simples; a maior parte dos soldadores são experientes na utilização deste processo. As desvantagens deste processo incluem as precauções necessárias para manter os eletrodos secos durante o percurso para a câmara de soldagem e o fato de que a câmara deve ser equipada com um forno para eletrodos. A estabilidade do arco e a fluidez do metal de solda são afetados adversamente pelo aumento da pressão e uma fluidez excessiva torna difícil a deposição em passes de raiz, em juntas de raiz aberta. Por esta razão, o processo GTAW é geralmente utilizado para o passe de raiz e o processo SMAW para o enchimento e passe de cobertura. 3.2.2 Processo GTAW

Comparado aos processos de eletrodo revestido e arame tubular, o processo GTAW é o menos sensível as condições de pressão e profundidade. Os requisitos de equipamento são pouco maiores do que para o processo de eletrodo revestido, com a composição e as taxas de fluxo do gás de proteção exercendo um importante papel na estabilidade do arco. O processo GTAW é especialmente

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adequado para a realização remota de solda por pontos sem a utilização de metal de adição. 3.2.3 Processo de Soldagem por Arame Tubular

O processo FCAW requer consideravelmente mais equipamentos do que os processos por eletrodo revestido e GTAW. Arames comercialmente disponíveis tem sido utilizados com bons resultados em reparos estruturais, em profundidades de até de 61 m. Arames com formulação especial tem estendido a utilização deste processo para profundidades de até 305 m. Uma das vantagens do processo, principalmente para o reparo estrutural em aços de alta resistência espessos, é a alta taxa de deposição e o alto aporte térmico. O arame é armazenado em uma unidade de alimentação com compensação de pressão para evitar o efeito da umidade do ambiente da câmara de soldagem e a soldagem é contínua.

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SOLDAGEM ÚMIDA

 A soldagem subaquática úmida é realizada por um soldador/mergulhador não existindo nenhuma barreira entre a água e a região de solda, conforme pode ser observado na Figura 6.

Figura 6 – Reparo em estruturas offshore utilizando a soldagem subaquática úmida. O arco e o metal de solda são isolados do ambiente aquático por um envoltório gasoso ou por bolhas compostas de gases produzidos pela decomposição do revestimento do eletrodo ou pelo fluxo do eletrodo tubular, mais o oxigênio e o hidrogênio dissociados da água. O soldador utiliza um traje de mergulho adequado com fornecimento de ar autônomo ou fornecimento da superfície. O traje pode ainda incluir dispositivos de 8

aquecimento ou refrigeração, em função das condições de temperatura existentes no local de trabalho. O capacete utilizado incorpora lentes para soldagem e o soldador /mergulhador utiliza luvas de borracha para evitar o choque elétrico.

4.1

Vari ávei s Es sen ci ais

 As variáveis da soldagem subaquática úmida devem ser consideradas em adição às variáveis essenciais associadas com a soldagem com eletrodo revestido e eletrodo tubular acima da água. Os fatores que afetam adversamente a soldagem subaquática úmida incluem: a) A pressão hiperbárica acentua a instabilidade do arco pela constrição do arco e aumento na densidade de energia; b) A possibilidade do sopro magnético é aumentada; c) O aumento na pressão provoca perda de manganês e silício e um aumento nas quantidades de carbono e oxigênio no metal de solda; d) A dissociação da água promove a absorção de hidrogênio pelo metal de solda; e) O ambiente, ou seja, o grande volume de água ao redor da região de solda promove uma elevada taxa de resfriamento no material. Outra variável existente na soldagem subaquática úmida, está relacionada com a bolha gasosa que desloca a água da região do arco e da solda. O volume da bolha de proteção e a densidade dos gases variam substancialmente com a profundidade e pressão. Em pequenas profundidades o volume de gases gerado pela decomposição do revestimento do eletrodo Com os eletrodos normalmente utilizados na soldagem úmida, a flutuação no volume da bolha torna-se muito rápida em águas rasas, em profundidades menores do que 3 metros e, especialmente na soldagem sobrecabeça, afeta adversamente o processo de soldagem. Dois fenômenos contribuem para as mudanças no volume dos gases gerados pelo processo de soldagem em diferentes profundidades. Como exemplo, da profundidade de 10 metros para a superfície, o volume de gases gerado pela decomposição do revestimento do eletrodo dobra de acordo com a lei de Boyle. Além disto, o volume de vapor d’água na bolha aumenta, porque a temperatura de ebulição da água próximo a superfície é de 100º C, enquanto que a 10 metros de profundidade é de 121º C. Desta forma, a quantidade excessiva de gases acelera a flutuação no tamanho da bolha. Do mesmo modo, bolhas com quantidades excessivas de gases criam turbulência na região de solda. Estes fatores associados tornam difícil a realização da soldagem úmida na posição sobrecabeça a profundidades menores do que 3 metros.  A solução para a soldagem a baixas profundidades envolve a reformulação dos revestimentos para a soldagem subaquática e alterações no projeto das juntas e

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seções. Para maiores profundidades, o aumento na pressão provoca uma diminuição no tamanho da bolha, diminuindo a capacidade de proteção do arco e da região de solda. A solução ideal para resolver este problema pode ser a utilização de eletrodos com revestimentos formulados para serem utilizados em diferentes faixas de profundidade. Por um lado o aumento na pressão hidrostática exerce efeitos adversos na soldagem subaquática úmida, por outro lado existe um outro efeito. A temperatura de ebulição da água aumenta com o aumento da pressão e, se esta água superaquecida é fisicamente confinada na região de soldagem, ela pode ser utilizada para ajudar a manter a temperatura entre passes. O ponto de ebulição da água para diferentes profundidades é apresentado na tabela I.

Tabela I - Ponto de ebulição da água para diferentes profundidades – água do mar. Profundidade Temperatura de Ebulição ft m ºF ºC 0 33 165 330 1000

0 10 50 100 305

212 250 320 370 460

100 121 160 188 238

Das várias variáveis essenciais associadas com a soldagem úmida de aços carbono e de baixa liga, o fator predominante é a rápida taxa de resfriamento. Soldas úmidas feitas com eletrodos de baixo carbono em materiais com carbono equivalente (CE) maior do que 0,40, estão sujeitos a trincas induzidas pelo hidrogênio na ZAC. A restrição durante a soldagem também parece ser um fator determinante para a formação de trincas induzidas pelo hidrogênio. Soldas de componentes de aço inoxidável austenítico realizadas utilizando-se eletrodos de aço inoxidável austenítico apresentam características similares às realizadas ao ar, devido a não formação de martensita. Entretanto deve-se tomar cuidado com o resfriamento, para que não ocorra a sensitização na ZAC, que é o principal fator para a ocorrência de trincas intergranulares de corrosão sob tensão em componentes de centrais nucleares. Bons resultados também são conseguidos utilizando-se eletrodos contendo níquel na soldagem úmida de aços inoxidáveis austeníticos a pequenas profundidades. Soldas úmidas realizadas com metais de enchimento com alto teor de níquel em materiais com carbono equivalente até 0,696 não apresentaram trincas na ZAC e apresentaram a dutilidade e a resistência ao impacto melhores do que soldas úmidas executadas em aço carbono com metal de enchimento ferrítico ou de aço inoxidável. Um problema apresentado na utilização destes materiais é que o níquel apresenta uma alta sensibilidade à profundidade, fazendo com que procedimentos de soldagem para soldas úmidas classe A, em chanfro ou filete, em todas as posições, tenham sido qualificados para profundidades de somente até 10 m.

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4.2

Processo s de Soldagem Sub aquática

4.2.1 Eletrodo Revestido

 A versatilidade e a eficiência do processo de soldagem por eletrodo revestido torna este processo, na maioria das vezes, preferível em relação aos outros processos utilizados na soldagem subaquática úmida. A simplicidade do processo torna possível ao soldador se deslocar rapidamente para o local de trabalho para um reparo de emergência levando apenas os eletrodos de soldagem, porta eletrodos e o conjunto/suporte de lentes para soldagem.. No local de trabalho, o soldador/mergulhador pode utilizar um traje de mergulho convencional e qualquer fonte de força de soldagem DC. Adicionalmente, o sucesso na qualificação de soldadores e de procedimentos de soldagem com este processo, tem contribuído para a qualidade das juntas soldadas obtidas, critério chave na seleção do processo.  A maior parte das empresas que realizam serviços de soldagem subaquática utiliza eletrodos de soldagem comercialmente disponíveis. Desde 1970, entretanto, algumas destas empresas utilizam eletrodos com formulação própria. Independentemente do eletrodo utilizado em soldagem subaquática, ele deve ser feito a prova d’água. A maneira como os eletrodos são transportados da superfície da água ao local de trabalho e o tempo que eles permanecem no local sem serem utilizados são variáveis essenciais dos procedimentos de soldagem subaquática. Propriamente processados e transportados, os eletrodos utilizados para qualificar procedimentos de soldagem úmida a profundidades de até 100 m permanecem livres de umidade por mais de 24 horas. Os eletrodos utilizados mais freqüentemente para a soldagem subaquática são classificados pela AWS como E6013 e E7014. Os eletrodos E6013 possuem um revestimento com alto teor de titânio e potássio e tendem a apresentar melhor soldabilidade e uma melhor aparência do cordão. Os eletrodos E 7014, com revestimento de pó de ferro e titânio tem uma alta taxa de deposição.  A soldagem subaquática com eletrodos revestidos é realizada em maior escala do que fora d’água. A amperagem, velocidade de soldagem e ângulo do eletrodo dependem da posição de soldagem, se o cordão de solda está sendo depositado na raiz, para enchimento ou para cobertura. Normalmente é utilizada corrente contínua com polaridade direta (eletrodo negativo). Entretanto a polaridade reversa produz melhores resultados (menos porosidade) em determinadas situações, como em alguns locais específicos. Existem regiões, como o mar do norte, onde o uso da polaridade reversa (eletrodo positivo) apresenta resultados significativamente melhores do que com a utilização de polaridade direta. Em adição a grande quantidade de eletrodos ferríticos consumidos durante a soldagem úmida de estruturas submersas, uma significativa quantidade de trabalhos tem sido realizada em aço inoxidável, em centrais nucleares, onde eletrodos de aço inoxidável foram utilizados para o reparo de componentes do circuito primário. Os eletrodos utilizados incluem E308, E308L, E309 e E316. As soldas úmidas realizadas com eletrodos de aço inoxidável em aço inoxidável tem sido qualificadas de acordo com os requerimentos de ANSI/AWS D3.6-93 Classe O/ASME Seção IX. 11

Uma variação do processo convencional de soldagem por eletrodo revestido é a soldagem subaquática molhada por contato com eletrodo revestido (SSMCER). Neste processo, o consumível é posicionado ao longo do chanfro ou filete, revestido com um material isolante e mantido na posição por meio de um material pesado com a forma adequada. O contato elétrico é realizado através de um porta eletrodo fixado a uma das extremidades do eletrodo. O arco elétrico é iniciado por um curto circuito na extremidade oposta e desloca-se automaticamente até que o eletrodo seja completamente consumido. O processo é apresentado na Figura 7.

Figura 7 – Processo de soldagem por contato com eletrodo revestido.  A soldagem por contato pode ser utilizada em locais de difícil acesso, onde a soldagem por eletrodo revestido convencional não possa ser utilizada, não necessitando de uma grande habilidade do operador que, praticamente, atua no posicionamento do eletrodo, para iniciar o arco e retirada da escória. Alguns exemplos de soldas obtidas por este processo se encontram na Figura 8.

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Figura 8 – Exemplos de soldas obtidas pelo processo SSMCER. 4.2.2 Soldagem com Eletrodo Tubular

 A soldagem com arame tubular e outros processos automáticos de soldagem tem sido investigados nos Estados Unidos e regiões do Mar do Norte como processos com potencial para a soldagem subaquática molhada. Entretanto, este processo não compete com o processo por eletrodo revestido, devido a excessiva porosidade, deficiência para atingir os padrões de aceitação visuais e problemas com os dispositivos de alimentação de arame. Desenvolvimentos recentes em materiais de fluxo contendo níquel tem proporcionado uma melhoria na soldabilidade úmida e fluxos com formulação livre de halogêneos, especificamente preparados para soldagem úmida. A presença de halogêneos afeta de maneira adversa a resistência à corrosão de aços inoxidáveis, promovendo o aparecimento de trincas originárias de processos de corrosão.

5 5.1

COMPARAÇÃO ENTRE OS PROCESSOS SECO E ÚMIDO Vantagens do Processo a Seco

a) Com procedimentos e soldadores qualificados, a soldagem hiperbárica a seco pode ser utilizada para unir materiais através dos processos SMAW, GMAW, FCAW ou GTAW. b) Equipamentos e processos de tratamento térmico podem ser usados para pré-aquecer, manter temperatura entre passes e pós-aquecer. c) A água é excluída da área de solda de forma que a taxa de resfriamento não é maior do que para as soldas realizadas na superfície, exceto quando o He02 é utilizado como gás de enchimento da câmara de soldagem. d) O soldador/mergulhador e o gás de proteção da solda não são afetados pela presença de correntes marítimas e ondas.

5.2

Desvantagens do Processo a Seco

a) Duas situações impedem a instalação de uma câmara ou habitação para soldagem a seco: §

§

O número, geometria e tamanho dos membros estruturais adjacentes a área de trabalho; Ocasiões em que a instalação de uma câmara de soldagem seca pode comprometer a integridade da estrutura.

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b) O tempo e o custo para realizar um reparo utilizando-se uma câmara seca é significativamente maior do que utilizando-se o processo úmido. Fabricação, instalação, transporte, remoção. c) Segurança dos soldadores quando trabalhando em condições hiperbáricas. 5.3

Vantagens do Processo Úmid o

a) A soldagem úmida pode ser feita em locais onde seria fisicamente impossível evacuar a água da área a ser soldada. b) Para situações de emergência pessoal, equipamento, ferramentas e consumíveis estão sempre em estoque e podem ser mobilizados sem atraso; c) Não há a necessidade da utilização de equipamentos maiores ou mais pesados do que uma fonte de força. d) Projetos utilizando soldagem úmida são completados em um tempo menor e a um custo menor do que se fossem realizados a seco.

5.4

Desvantagens do Processo Úmid o

a) Algumas das propriedades das soldas úmidas são inferiores às das soldas realizadas em ambiente seco; porosidade acentuada, menor dutilidade, maior dureza na ZAC, causados pela alta taxa de resfriamento induzida pelo meio aquoso existente ao redor da região soldada; b) Aços com alto carbono equivalente são sujeitos a trincas induzidas pelo hidrogênio e a um endurecimento da ZAC; c) Correntes existentes nos mares tornam difícil o trabalho dos soldadores/mergulhadores e tem efeitos adversos nas bolhas gasosas que protegem a região do arco e a solda; d) A falta de visibilidade, principalmente em rios, dificulta a realização dos trabalhos.

6 6.1

EQUIPAMENTO BÁSICO Soldagem Seca

§

Câmara de Soldagem Seca/Habitat

§

Equipamentos e ferramentas para a instalação da câmara na estrutura

§

Sistema de transferência de eletrodos de soldagem

§

Compartimento seco para armazenamento de eletrodos

§

Forno para armazenamento de eletrodos de soldagem

§

Eletrodos de soldagem

§

Isolantes térmicos

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§

Cabos flexíveis para suporte de vida e comunicações

§

Roupas e luvas protetoras a prova de fogo

§

Máscara de soldagem ou suporte com as lentes de soldagem

§

Analisadores de gás

§

Equipamento de pré-aquecimento com termopares

§

Iluminação para o soldador/mergulhador

§

Câmera de televisão

6.2

So ldagem Úmid a

§

Porta eletrodo

§

Sistema de transferência de eletrodos de soldagem

§

Suporte com as lentes de soldagem

§

Eletrodos de soldagem a prova d’água

6.3

Sold agem Seca e Úmid a

§

Fonte de energia para a soldagem – 300 a 600 A CC

§

Chave de faca unipolar – 400 A

§

Medidores de tensão e corrente

§

Cabos de soldagem, 2/0 a 4/0 com grampo de terra

§

Ferramentas para trabalhos submersos

§

7 7.1

Ferramentas e componentes para manutenção e reparo de equipamentos, cabos, etc.

SEGURANÇA Sol dag em Hip erb áric a Seca

 A soldagem hiperbárica seca é realizada em uma câmara que limita os movimentos do soldador e o mantém muito próximo do local de solda e dos equipamentos para tratamento térmico. As precauções na realização da soldagem subaquática seca compreendem todas aquelas referentes a soldagem acima da superfície, realizada em locais úmidos e com espaço restrito, mais os cuidados adicionais em função dos perigos associados ao mergulho, alta pressão, dificuldades de acesso à câmara e a logística envolvida.

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 A pressão parcial do oxigênio no gás utilizado para expulsar e manter a água fora do espaço da câmara é de extrema importância para o soldador. O ar pode ser utilizado até uma profundidade de 27 m. Abaixo disto o gás deve ser adequado ao suporte de vida (respiração) e não deve ser capaz de possibilitar a combustão rápida de materiais inflamáveis. Normalmente são utilizadas misturas de hélio e oxigênio (HeO2 ) com a monitoração da pressão parcial de O2. Os principais cuidados a serem tomados nos trabalhos em câmara seca são: §

§

§

•

§

7.2

Monitorar e controlar os níveis de oxigênio no interior da câmara. Materiais que possam desprender fumos tóxicos ou irritantes não podem ser introduzidos na câmara (tintas, solventes). Quando o ar é o gás utilizado no interior da câmara, esta deve ser continuamente ventilada para evitar o acúmulo de gases e fumos oriundos da soldagem. uso de equipamentos alimentados por fontes CA devem ser mantidos no mínimo necessário. Utilização de trajes apropriados para evitar choques e o calor excessivo originário da soldagem.

Sold agem Úm ida

Durante a utilização de fontes CC na soldagem subaquática, as seguintes precauções e procedimentos devem ser seguidos para minimizar a possibilidade de ocorrência de choque elétrico e facilitar o trabalho do soldador: •

•

•

traje de mergulho deve estar em boas condições. As luvas devem ser de borracha e não devem apresentar furos ou rachaduras. Em instalações nucleares a roupa deve ser completamente estanque, de forma a prevenir contaminação com materiais radioativos. traje deve ser equipado com um suporte para as lentes de soldagem, de forma a proporcionar uma visão clara da região de trabalho e, ao mesmo tempo, proteger convenientemente os olhos durante a soldagem. Deve haver uma comunicação sem problemas entre o soldador/mergulhador e o pessoal de superfície responsável por acionar a corrente elétrica para a soldagem.

Por outro lado, os processos elétricos de corte e de soldagem produzem misturas explosivas de oxigênio e hidrogênio. a mistura gasosa de oxigênio e hidrogênio produzida durante o processo de soldagem é inflamável. Sob condições de pressão suficientes, bolhas destas misturas quando acumuladas em quantidades maiores, podem se tornar explosivas. O combustível (hidrogênio) e o oxigênio estão presentes e, para ignição, centelhas podem ser cond uzidas para regiões com acúmulo desta mistura e provocar acidentes. Os seguintes cuidados devem ser tomados:

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Caso a soldagem esteja sendo feita em um espaço confinado, ou em componentes estruturais com formato que facilite o confinamento das bolhas, deve-se utilizar alguma forma/dispositivo para evitar o acúmulo de gás, especialmente para profundidades maiores do que 20 m. Quando a soldagem úmida estiver sendo feita em uma instalação hiperbárica, as bolhas de gás devem ser constantemente eliminadas, de fo rma a impedir o seu acúmulo.

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LIMITAÇÃES DE PROFUNDIDADE

 A profundidade em que os processos de corte e soldagem subaquática podem ser utilizados é uma preocupação constante. Muitos processos tem sido testados em laboratório e em aplicações de campo com sucesso variável. Destes, um largo número é disponível, que possibilita as operações de soldagem e de corte subaquáticos em virtualmente qualquer profundidade que mergulhadores possam atingir. Os procedimentos de soldagem e corte subaquático que envolvem gases são limitados pela liquefação e pela decomposição causada pela alta pressão e baixas temperaturas. Os processos a arco são limitados pela energia requerida para produzir arcos de comprimento substancial. Entretanto, algumas formas de soldagem e corte submerso podem ser utilizados com sucesso em todas as profundidades atualmente atingidas por mergulhadores.  A máxima profundidade em que procedimentos de soldagem úmida foram qualificados de acordo com os requerimentos da especificação AWS D3.6 -93 para soldas classe B é de 100 m. O material base foi o aço ASTM A 36 com um carbono equivalente de 0,347, com eletrodos de soldagem E6013 recobertos.

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EFEITOS AMBIENTAIS EM SOLDAS SUBAQUÁTICAS

Um dos mais importantes efeitos encontrados durante a realização de soldagem subaquática é o aumento na taxa de resfriamento experimentada quando a peça de trabalho é exposta ao ambiente aquoso. Embora seja uma prática comum considerar soldas realizadas ao ar como estruturas fundidas, quando na consideração de suas propriedades, soldas subaquáticas expostas possuem propriedades similares a materiais temperados e fundidos. Durante a soldagem, martensita altamente tensionada pode ser formada devido ao contato direto com a água. O resfriamento rápido às vezes leva a formação de porosidade e de inclusões de escória. Estas descontinuidades resultam do limitado tempo disponível para as bolhas de gás e partículas de escória atingirem a superfície da solda, antes que a solidificação esteja completa.

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O hidrogênio está geralmente presente na soldagem subaquática como um produto da dissociação da água no arco elétrico. A água pode vir de exposição direta, como na soldagem aberta ou úmida, ou dos efeitos da umidade em todos os outros processos. A combinação de martensita altamente tensionada e hidrogênio pode levar a formação de trincas no cordão de solda. Aços de média e alta dureza são mais suscetíveis à fragilização por hidrogênio, embora regiões martensíticas em aços de baixo carbono soldados por este processo também possam ser afetadas adversamente. Outra imperfeições relacionadas ao hidrogênio incluem o aparecimento de pequenas fissuras (flakes) na superfície de fratura que são paralelas à direção da tensão máxima. Trincas retardadas também podem ocorrer.  A quantidade de hidrogênio absorvida necessária para causar danos sérios ao material é difícil de ser determinada. Há um acordo na literatura de que não existe uma correlação simples. A fragilização por hidrogênio é função do tipo de aço, tratamento térmico, propriedades físicas e das condições de soldagem existentes. Entretanto, condições de resfriamento rápido ou concentrações de hidrogênio potencialmente altas devem ser evitadas, ao se selecionar um procedimento para soldagem aberta. Se os cuidados adequados são tomados, a soldagem aberta ou qualquer outro tipo de soldagem subaquática podem ser usados para produzir soldas de qualidade. Processos que envolvem a utilização de câmaras de proteção parcial ou total também requerem considerações especiais com relação às condições de processo, tais como a eliminação de gases gerados pelo revestimento ou outros, umidade e mudanças no processo de solidificação devido aos efeitos hiperbáricos. Portanto, as propriedades físicas e mecânicas das soldas subaquáticas são afetadas pela capacidade de resfriamento do meio, composição química da água, efeitos da pressão e o potencial para absorção de gases a partir do gás de proteção.

10 EFEITOS DO SUBAQUÁTICA

AMBIENTE

NOS

PROCESSOS

DE

SODLAGME

Os processos de soldagem subaquáticos são afetados pelo ambiente aquoso de duas maneiras significantes. Primeiro, os processos a arco tendem a apresentar arcos mais suaves na água do mar do que em água fresca. Isto é atribuído à influência estabilizadora dos íons dos sais na água do mar, que são produzidos pela dissociação da água no arco. Estes portadores de carga extras, proporcionam uma estabilidade no arco maior do que quando os mesmos arcos são operados em água fresca. Entretanto, esta é a menor conseqüência da soldagem em água do mar e nenhum processo de soldagem é afetado drasticamente pela diferença na operação em água do mar ou água fresca. Em segundo lugar, a profundidade ou a pressão tem um efeito significativo nos processos de soldagem subaquática. Toda a soldagem subaquática é realizada usando arcos, que são constritos pela pressão hidrostática e pela tremenda capacidade de resfriamento de grandes volumes de água. Isto resulta em temperaturas do arco maiores do que as alcançadas na superfície, um aumento 18

na penetração e uma transferência de metal mais rápida. Isto também resulta em um aumento nos requerimentos da corrente para trabalhos subaquáticos. Entretanto há um desacordo na literatura no valor do incremento em tensão ou corrente requeridos para sustentar um dado processo de soldagem. O efeito da pressão também pode levar à decomposição de alguns gases e a liquefação de outros.

11 ESPECIFICAÇÕES PARA SOLDAGME SUBAQUÁTICA ANSI/AWS D3.6 – Specif icatio n fo r Und erwater W eldin g  A especificação ANSI/AWS D3.6 – Specification for Underwater Welding, define quatro tipos de soldas: §

Soldas subaquáticas do tipo A - para aplicações estruturais, feitas de acordo com um procedimento de soldagem qualificado.

§

Soldas subaquáticas do tipo B - para aplicações estruturais limitadas, realizadas com um procedimento de soldagem qualificado. Soldas subaquáticas do tipo C - para aplicações em serviços onde a qualidade estrutural não é crítica. Devem ser livres de trincas e feitas de acordo com um procedimento de soldagem qualificado.

§

Soldas subaquáticas do tipo O

§

12 INSPEÇÕES SUBAQUÁTICAS  As estruturas e componentes subaquáticos estão sujeitos a influência de esforços como tração, compressão, torção e flexão, originários da própria estrutura, ondas, marés e tempestades e aos fenômenos de corrosão associados ao ambiente marinho. Os métodos e técnicas de ensaios não destrutivos utilizados para inspeção subaquática são derivados dos métodos convencionais de END, com as devidas adaptações para serem utilizados em inspeções subaquáticas.

12.1 Mé to d o s d e In s p eção Os métodos e técnicas de ensaios não destrutivos utilizados, com as adaptações necessárias, são basicamente:   Radiografia

§

§

Partículas Magnéticas

  Ultra-Som

§

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§

Líquido Penetrante

§

Correntes Parasitas

  Fuga

§

§

Emissão Acústica

  Visual

§

 As inspeções subaquáticas são normalmente divididas em: §

§

Inspeções de Fabricação: os componentes são normalmente fabricados em terra e as inspeções são realizadas utilizando-se os métodos convencionais de END, sem a necessidade de adaptações. Após a montagem no local de trabalho, as inspeções são realizadas com as devidas adaptações, necessárias para a realização dos ensaios. Inspeções em Serviço: os componentes são inspecionados periodicamente, de forma a possibilitar a detecção e o dimensionamento de descontinuidades que possam comprometer a sua integridade, originárias das condições de serviço destas estruturas/componentes, como as tensões de trabalho e o ambiente quimicamente agressivo.

12.2 Qu ali fic ação d e Pes so al Da mesma maneira que para as inspeções realizadas na superfície, as inspeções por meio de END devem ser realizadas por pessoal qualificado, de acordo com as recomendações/ requerimentos da ASNT (American Society for Nondestructive Testing), sendo definidos os níveis I, II e III para qualificação de pessoal de acordo com o escopo das atividades.

12.3 Ins p eção s u b aq u áti c a Rem o ta São as inspeções realizadas com o auxílio de dispositivos robotizados. Os métodos de END utilizados permanecem basicamente os mesmos utilizados em inspeções manuais. As alterações necessárias são exclusivamente para permitir o manuseio/posicionamento dos sensores/transdutores utilizados nos ensaios pelos dispositivos robotizados. Embora a inspeção seja realizada remotamente, os resultados dos END devem ser interpretados e avaliados por um inspetor de END qualificado e certificado.

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13 APLICAÇÕES 13.1 Reparo de Estruturas Offshore Reparo de danos provocados pela corrosão e fadiga, substituição de componentes estruturais danificados durante a instalação ou por acidentes como a colisão de barcos.

13.2 Tub ul ações Sub m ers as Reparo e/ou substituição de seções de tubulações submersas.

13.3 Rep aro s em Ins tala ções Po rt u ári as Reparo de danos originários de corrosão, colisão, substituição de componentes estruturais.

13.4 Usin as Nuc leares Reparos em componentes do circuito primário do reator. 13.5 Us in as Hid ro elé tri cas Reparos e substituição de componentes em comportas.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS  AMERICAN WELDING SOCIETY – ANSI/AWS D3.6-89 - Specification for Underwater Welding – 1989.  AMERICAN WELDING SOCIETY. Welding Handbook –  Applications, Part 1, Eighth Edition, V. 3, p.487-489, 1996.

Materials

and

 AMERICAN SOCIETY FOR METALS. Welding, Brazing and Soldering – Underwater Welding and Cutting, V. 6, p.921-924, 1996. G.M., RICARDO, G.M., IVAN, Soldagem Subaquática Molhada por Contato com Eletrodo Revestido, Soldagem e Inspeção, Ano 5, nº 5, p10-16, 1999.

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