Nghiên cứu quy trình công nghệ hàn dưới nước để hàn sửa chữa các kết cấu giàn khoan

Đối với các hư hỏng của các kết cấu ngầm dưới nước, do công tác sửa chữa rất phức tạp, đòi hỏi phải có các công nghệ tiến tiến để thực hiện, do đó có nhiều hư hỏng kết cấu dưới nước hiện

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng những số liệu nghiên cứu và kết quả trong Luận văn này

là trung thực, chƣa đƣợc sử dụng để bảo vệ ở một học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc

cảm ơn và các trích dẫn trong Luận văn này đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 31 tháng 03 năm 2014

Học viên

Hoàng Văn Tiệp

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự

nỗ lực cố găng của bản thân còn có sự hướng dẫn giúp đỡ của quý thầy cô, bạn bè và

đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Tiến Dương, người đã hết lòng giúp đỡ

và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Tĩnh cùng các đồng nghiệp đang

công tác tại Liên doanh Việt-Nga Vietsovpetro đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện

luận văn này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn một cách tốt nhất có thể, tuy

nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng

góp của quý thầy cô và các bạn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

PHẦN MỞ ĐẦU 10

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 12

1.1 Tổng quan về hàn dưới nước 12

1.2 Tổng quan về kết cấu giàn khoan 17

1.2.1 Phần thượng tầng 17

1.2.2 Phần chịu lực 18

1.2.3 Phần chân đế 18

1.3 Tính cấp thiết của việc nghiên cứu hàn dưới nước để sửa chữa các kết cấu giàn khoan 19

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN DƯỚI NƯỚC 22

2.1 Hàn ướt 22

2.2 Hàn khô 26

2.2.1 Hàn khô trong môi trường áp suất khí quyển 26

2.2.2 Hàn khô trong buồng khí bội áp 28

Chương 3 KẾT CẤU CẦN HÀN SỬA CHỮA VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP, VẬT LIỆU, THIẾT BỊ HÀN 32

3.1 Kết cấu phần cần hàn sửa chữa 32

3.1.1 Kết cấu 32

3.1.2 Thành phần hóa học và cơ tính của kết cấu 33

3.2 Lựa chọn phương pháp, vật liệu và thiết bị hàn 38

3.3 Công tác chuẩn bị cho hàn sửa chữa 42

Chương 4 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÀN SỬA CHỮA KẾT CẤU GIÀN KHOAN 48

4.1 Cắt bỏ phần cần hàn sửa chữa 50

4.2 Hàn tấm lót bên trong ngăn cách nước 51

4.3 Buồng hàn 53

4.4 Hàn vá ống bằng phương pháp hàn khô trong buồng bội áp 58

4.3.1 Tính toán chế độ hàn cho các mối hàn cơ bản 58

4.3.2 Gá lắp và hàn tấm vá 63

Chương 5 KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN DƯỚI NƯỚC 65

5.1 Các phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn dưới nước 65

5.1.1 Kiểm tra bằng mắt thường 65

5.1.2 Phương pháp kiểm tra bằng bột từ 66

5.1.3 Phương pháp kiểm tra siêu âm 68

5.2 Phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn sửa chữa kết cấu giàn khoan 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

AC Alternating Current

API American Petroleum Institute

ASTM American Society for Testing and Materials

AWS American Welding Society

Ah Cường độ dòng điện

IIW International Institute of Welding

HCS Hot Cracking Susceptibility

MMA Hàn hồ quang tay

MSP Giàn khoan biển cố định

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

VSP Liên doanh Việt Nga Vietsovpetro

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 3.1 Thành phần hóa học thép API 5L Gr.X52 33

2 Bảng 3.2 Bảng cơ tính của thép API 5L Gr.X52 33

3 Bảng 3.3 Thành phần hóa học que hàn E6013 38

4 Bảng 3.4 Bảng cơ tính que hàn E6013 39

5 Bảng 3.5 Thành phần hóa học que hàn E7016 39

6 Bảng 3.6 Bảng cơ tính que hàn E7016 40

7 Bảng 3.7 Thành phần hóa học que hàn E7018 40

8 Bảng 3.8 Bảng cơ tính que hàn E7018 40

4 Hình 1.4 Hình ảnh tổng thể giàn khoan điển hình 17

5 Hình 1.5 Hình ảnh tổng thể giàn khoan điển hình dạng

6 Hình 1.6 Thiết bị kẹp cơ khí 19

7 Hình 1.7 Mô hình kẹp cơ khí và bơm trám xi măng 20

8 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý phương pháp hàn ướt 23

9 Hình 2.2 Mối hàn ướt (a) và ảnh chụp phóng xạ của nó

10 Hình 2.3 Sơ đồ hồ quang hàn dưới nước 24

11 Hình 2.4 Cấu tạo que hàn dùng cho phương pháp hàn ướt 25

12 Hình 2.5 Hàn khô trong môi trường áp suất khí quyển 27

13 Hình 2.6 Sơ đồ hàn khô trong buồn bội áp 28

14 Hình 2.7 Buồng khí bội áp làm từ vật liệu cứng 29

15 Hình 2.8 Buồng khí bội áp làm từ vật liệu mềm 30

16 Hình 3.1 Phần kết cấu cần hàn dưới nước 31

17 Hình 3.2 Bộ bình khí Oxy dùng cho thợ lặn 42

18 Hình 3.3 Bộ quần áo lạnh chống nước, cách điện 43

25 Hình 4.2 Cắt bỏ khuyết tật bằng phương pháp cắt Oxy 50

26 Hình 4.3 Kiểm tra bằng bột từ để đảm bảo khuyết tật đã được cắt bỏ hoàn toàn 51

27 Hình 4.4 Gá lắp tấm lót bên trong bằng bulông 52

39 Hình 5.3 Sơ đồ giới thiệu phương pháp xác định kích

thước của khuyết tật 69

40 Hình 5.4 Kiểm tra siêu âm sau khi hàn 70

PHẦN MỞ ĐẦU

Vietsovpetro là Liên doanh đầu tiên của Việt Nam với nước ngoài trong lĩnh

vực dầu khí và là một trong những công ty dầu khí hàng đầu Việt Nam Với hơn 30

năm hình thành và phát triển, hiện nay Vietsovpetro đang khai thác trên 40 công trình

biển cố định và gần 600 km đường ống ngầm tại mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng Các công

trình biển phần lớn được xây dựng từ 25-30 năm trước Sau thời gian dài hoạt động, do

tác động của môi trường biển và điều kiện khai thác các công trình biển đã bị xuống

cấp và hư hỏng Để đảm bảo an toàn cho quá trình khai thác, hàng năm Vietsovpetro

phải tiến hành tổ chức công tác sửa chữa Tuy nhiên công tác sửa chữa cho đến nay chủ

yếu tập trung vào các hư hỏng của kết cấu và thiết bị trên mặt nước Đối với các hư

hỏng của các kết cấu ngầm dưới nước, do công tác sửa chữa rất phức tạp, đòi hỏi phải

có các công nghệ tiến tiến để thực hiện, do đó có nhiều hư hỏng kết cấu dưới nước hiện

chưa được sửa chữa và là nguy cơ tiềm ẩn đối với an toàn của công trình

Công nghệ hàn dưới nước (Underwater welding technology) là một trong những

công nghệ tiên tiến hiện nay đang được sử dụng phổ biến trên thế giới để sửa chữa các

kết cấu và đường ống ngầm của các công trình biển cố định Cơ sở lựa chọn công nghệ

hàn dưới nước thay cho các công nghệ kẹp cơ khí hoặc công nghệ bơm trám xi măng là

do các mối liên kết hàn có độ tin cậy cao hơn khi làm việc trong môi trường biển, rất

thuận tiện cho việc kiểm tra, cũng như ít làm thay đổi hình dạng và kích thước ban đầu

của kết cấu và đường ống

Hiện tại việc nghiên cứu công nghệ hàn dưới nước để áp dụng vào công việc

thực tiến tại Vietsovpetro là rất cần thiết và cấp bách Chính vì vậy tôi đã quyết định

thực hiện đề tài “Nghiên cứu quy trình công nghệ hàn dưới nước để hàn sửa chữa

các kết cấu giàn khoan” Luận văn gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Các phương pháp hàn dưới nước

Chương 3: Kết cấu cần hàn sửa chữa và lựa chọn phương pháp, vật liệu, thiết bị

hàn

Chương 4: Quy trình công nghệ hàn sửa chữa giàn khoan

Chương 5: Kiểm tra chất lượng mối hàn dưới nước

Kết luận và kiến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về hàn dưới nước

Hàn dưới nước được hiểu là một quá trình thực hiện các mối hàn trên một kết

cấu nằm dưới nước Các kết cấu này có thể được hàn trực tiếp trong môi trường nước,

không có sự cách ly giữa nước và hồ quang hàn (phương pháp hàn ướt) hoặc được cách

ly bằng buồng hàn tạo môi trường khô để hàn như trên bờ (phương pháp hàn khô)

Hàn dưới nước là một công cụ quan trọng để sửa chữa tàu, giàn khoan dầu khí,

đường ống và để chế tạo các công trình biển nằm dưới mặt nước Những năm gần đây

số lượng các công trình biển như giàn khoan, hệ thống đường ống tăng lên đáng kể

Các công trình này sẽ xuất hiện những hư hỏng theo thời gian sử dụng hoặc cả những

hư hỏng không được dự báo trước gây ra do va chạm, bão vv… Để sửa chữa những hư

hỏng phần nằm dưới mặt nước đòi hỏi phải sử dụng phương pháp hàn dưới nước

Hình 1.1 Phương pháp hàn ướt trong thực tế

Hình 1.2 Hàn khô trong thực tế

Lịch sử phát triển công nghệ hàn dưới nước trên thế giới:

Hàn dưới nước đã được nghiên cứu và thử nghiệm từ gần 100 năm qua Năm

1932, K.K Khrenov lần đầu tiên thử nghiệm thành công que hàn dưới nước ở Biển

Đen Sau đó nó nhanh chóng được đưa vào áp dụng thực tế, năm 1936-1938 phương

pháp hàn dưới nước được áp dụng để trục vớt tàu Boris chìm ở Biển Đen Trong chiến

tranh, nhu cầu cấp thiết cắt và hàn dưới nước để sửa chữa tàu, cầu trong trường hợp

khẩn cấp và công tác cứu hộ, Khrenov tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ hàn

và cắt dưới nước trong một phòng thí nghiệm đặc biệt, tổ chức tháng 3 năm 1942 tại

Viện Cơ điện Moskva Kết quả là lớp phủ điện cực, cung cấp một hồ quang cháy ổn

định trong nước Các kết quả điều tra toàn diện về các tính chất và thành phần của các

mối hàn kim loại dưới nước cho thấy khả năng của việc ứng dụng hàn cho các kết cấu

dưới nước hoàn toàn khả thi

Năm 1946, que hàn đặc biệt không thấm nước được Van der Willingen phát

triển tại Hà Lan Những năm gần đây số lượng các công trình biển như giàn khoan,

đường ống dưới biển gia tăng đáng kể Các công việc hàn chế tạo, lắp đặt công trình

ban đầu hay sửa chữa, phục hồi trong quá trình sử dụng đòi hỏi các ứng dụng hàn dưới

nước ngày một nhiều hơn

Cho đến trước những năm 1960 hàn dưới nước cũng mới chỉ có duy nhất một

công nghệ là hàn ướt

Hình 1.3 Hàn dưới nước dùng để vá lỗ thủng thân tàu thủy

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều trung tâm nghiên cứu, các trường đào tạo về

hàn dưới nước uy tín, được AWS công nhận có thể kể ra như:

 CDA Technical Institute

Địa chỉ: 91 Trout River Drive, Jacksonville, FL 32208

 Divers Academy International

Địa chỉ: Lakeside Business Park, 1500 Liberty Place Erial, NJ

08081-1139

Website: http://www.diversacademy.edu;

 Divers Institute of Technology

Địa chỉ: 4315 11th Avenue NW P.O Box 70667 Seattle, WA

98107-0667 USA

Website: http://www.diversinstitute.com;

 Holland College, Georgetown Center

Địa chỉ 117 Ken Street Georgetown Prince Edward Island Canada C0A 1L0

Website: http://www.hollandcollege.com/

 Hydroweld USA Admin and Inquires Dept

Địa chỉ: 114 Dockside Circle Weston, Florida 33327 USA Website: http://www.hydroweld.com

 International Diving Institute

Địa chỉ: 1400 Pierside Street, Bldg 190, Suite C N Charleston, SC29405 USA

Website : http://www.ididiver.com/

 National University Polytechnic Institute

3580 Aero Court San Diego, CA 92123 USA Website: http://nupolytech.org/

 Seneca College Underwater Skills Department

Địa chỉ: 13990 Dufferin St , King City Ontario, Canada Website: http://www.senecac.on.ca/fulltime/UWS.html

Tình hình nghiên cứu hàn dưới nước tại Việt Nam

Trên thế giới công nghệ hàn, cắt dưới nước đã và đang phát triển rất nhanh Rất

nhiều nước đã ứng dụng công nghệ này vào nhiều ngành công nghiệp khác nhau mang

lại lợi ích rất to lớn cho nền kinh tế Tuy nhiên ở nước ta công nghệ này mới chỉ được

mới bắt đầu áp dụng rất hạn chế, chủ yếu chỉ được nghiên cứu lý thuyết và thực

nghiệm trong các phòng thí nghiệm

Phòng thí nghiệm trọng điểm hàn và xử lý bề mặt đã thu được nhiều kết quả, có

thể kể ra như: Thực hiện đề tài “Nghiên cứu các biện pháp công nghệ tổng hợp chẩn

đoán kỹ thuật bảo dưỡng và sửa chữa giàn khoan, nâng cao tuổi thọ giàn khoan” trong

đề tài đã thực hiện một số nghiên cứu về hàn, cắt dưới nước phục vụ cho liên doanh

dầu khí Việt-Nga Vietsovpetro

Trường Cao đẳng nghề Dầu khí Vũng Tàu là nơi đào tạo, cung cấp thợ lặn, cắt

bằng que hàn dưới nước cho các giàn khoan dầu khí Hiện trường đã được trang bị bể

lặn dùng để đào tạo hàn, cắt dưới nước Địa chỉ: 43 đường 30/4, phường 9 – tp Vũng

Tàu – tỉnh BR-VT Website: http://pvmtc.com.vn/

Trường Trung cấp nghề Giao thông vận tải Thăng Long là nơi có khá nhiều kinh

nghiệm trong đào tạo thợ hàn, cắt dưới nước Đến nay trường đã đào tạo được 4 khóa

hàn/cắt kim loại dưới nước chủ yếu cho các học viên của Xí nghiệp Vận tải biển và

công tác lặn thuộc Liên doanh Việt-Nga Vietsovpetro Địa chỉ: Xóm 1, Đông Ngạc –

Từ Liêm – Hà Nội Website: http://www.truongtrungcapnghegtvtthanglong.edu.vn/

1.2 Tổng quan về kết cấu giàn khoan

Kết cấu của giàn bao gồm các phần 3 phần chính: Phần thượng tầng, phần chịu

lực và phần chân đế

Hình 1.4 Hình ảnh tổng thể giàn khoan điển hình 1.2.1 Phần thượng tầng

Phần thượng tầng của một giàn điển hình là một tổ hợp công nghệ có tổng trọng

lượng khoảng 4300 tấn, kích thước 77mx48,3m gồm 25 block gắn kết với nhau khá

đơn giản chia làm 2 tầng và được đặt trên phần chịu lực Tầng 1 là các khối tổ hợp

công nghệ khai thác, tầng 2 là các khối tổ hợp công nghệ khoan, dung dịch khoan

Hình 1.5 Hình ảnh tổng thể giàn khoan điển hình dạng 3D

1.2.2 Phần chịu lực

Phần chịu lực cấu tạo từ tổ hợp dầm chữ I, có tác dụng nâng đỡ toàn bộ khối

thượng tầng khoảng 4300 tấn, được đặt lên 2 khối chân đế

1.2.3 Phần chân đế

Phần chân đế gồm 2 cụm chấn đế Mỗi cụm chân đế gồm 8 cọc chính đường

kính Ф813x20 mm và 16 cọc phụ đường kính Ф720x20 mm Phần trên chân đế nâng

đỡ phần chịu lực, phần dưới được chôn xuống đáy biển

1.3 Tính cấp thiết của việc nghiên cứu hàn dưới nước để sửa chữa các kết cấu

giàn khoan

Hiện nay các công trình biển của Liên doanh Việt-Nga Vietsovpetro phần lớn

đều đã hoạt động trên 20 năm Do vậy mà các hư hỏng xuất hiện ngày càng nhiều, đặc

biệt là các hư hỏng phần chìm dưới nước do những khó khăn trong khảo sát và sửa

chữa Hiện nay với những hư hỏng đơn giản VSP đang sử dụng công nghệ kẹp cơ khí

và bơm trám xi măng

Hình 1.6 Thiết bị kẹp cơ khí

Hình 1.7 Mô hình kẹp cơ khí và bơm trám xi măng

Tuy nhiên công nghệ kẹp cơ khí và bơm trám xi măng có nhiều hạn chế như:

- Độ tin cậy thấp do tính chất của xi măng;

- Chỉ áp dụng đối với các liên kết đơn giản, không bị biến dạng;

- Chế tạo phức tạo, đòi hỏi độ chính xác cao;

Để khắc phục những hạn chế trên VSP đã và đang bắt đầu nghiên cứu ứng dụng

công nghệ hàn dưới nước Công nghệ hàn dưới nước (Underwater welding technology)

là một trong những công nghệ tiên tiến hiện nay đang được sử dụng phổ biến trên thế

giới để sửa chữa các kết cấu và đường ống ngầm của các công trình biển cố định Cơ

sở lựa chọn công nghệ hàn dưới nước thay cho các công nghệ kẹp cơ khí hoặc công

nghệ bơm trám xi măng là do các mối liên kết hàn có độ tin cậy cao hơn khi làm việc

trong môi trường biển, rất thuận tiện cho việc kiểm tra, cũng như ít làm thay đổi hình

dạng và kích thước ban đầu của kết cấu và đường ống

Việc ứng dụng công nghệ hàn dưới nước để sửa chữa các hư hỏng phần kết cấu

chân đế của các giàn cố định ở mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng của Vietsovpetro hiện nay là

một vấn đề cấp bách và quan trọng Theo yêu cầu của đăng kiểm Lloyd’s, DNV các hư

hỏng dưới nước của chân đế cần phải được sửa chữa càng sớm càng tốt và đây cũng là

điều kiện bắt buộc để duy trì chứng chỉ

 Tổng quan về kết cấu giàn khoan;

 Nêu được tính cấp thiết của việc ứng dụng phương pháp hàn dưới nước

để sửa chữa các kết cấu giàn khoan

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN DƯỚI NƯỚC

Hàn dưới nước có thể được phân làm 2 loại chính:

1 – Hàn ướt;

2 – Hàn khô

2.1 Hàn ướt

Hàn ướt được thực hiện trực tiếp trong môi trường nước, các thợ hàn vừa lặn

vừa hàn trong nước, không có sự cách ly giữa mối hàn và môi trường nước Hàn ướt

yêu cầu dùng que hàn đặc biệt có khả năng chống thấm nước và thường hàn bằng

phương pháp hàn hồ quang kim loại tay (SMAW/MMA) hoặc hàn hồ quang bán tự

động với dây lõi thuốc (FCAW) Hàn ướt với điện cực có thuốc bọc được coi là

phương pháp rẻ tiền và linh hoạt nhất Hàn ướt với điện cực được bảo vệ FCAW được

thực hiện trực tiếp trong môi trường nước đến 100m Hàn hồ quang kim loại bằng tay

(SMAW) có tính cơ động và linh hoạt cao, chi phí thấp, thời gian nhanh được coi là

phương pháp hiệu quả và kinh tế nhất Vì vậy đây là phương pháp được sử dụng nhiều

nhất trong hàn ướt

Trong hàn ướt mối hàn được làm lạnh nhanh hơn so với hàn khô gây ra sự giảm

tính dẻo của kim loại mói hàn và vùng bị ảnh hưởng nhiệt

Mối hàn ướt cũng được biết đến là mối hàn chưa lượng rỗ khí cao (Hình 2.1)

Rỗ khí có thể được hình thành bơi phân tử hydro hoặc hơi nước Rỗ khí có thể xảy ra

tại mọi vị trí của mối hàn ướt Những yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng này là: độ sâu

của nước, lớp phủ điện cực và tính ổn định của hồ quang

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý phương pháp hàn ướt

Hình 2.2 Mối hàn ướt (a) và ảnh chụp phóng xạ của nó (b)

Trong hàn ướt tiềm ẩn nguy cơ nguy hiểm nhất đối với thợ hàn là điện giật Để

ngăn chặn điều này, các thiết bị hàn phải được thiết kế đặc biệt an toàn trong môi

trường nước, cách nhiệt đúng cách và dòng điện hàn luôn được kiểm soát Nguồn điện

hàn dùng cho hàn ướt là điện một chiều nhằm mục đích an toàn cho thợ hàn đồng thời

giúp ổng định dòng hồ quang Que hàn được nối với điện cực âm, vì nếu nối với điện

cực dương hiện tượng điện phân sẽ xảy ra gây hỏng phần kim loại tay cầm Cường độ

dòng điện của bộ nguồn vào khoảng 300-400 A

Ngoài ra một nguy cơ khác đối với thợ hàn là bệnh khí áp do thở bằng bình lâu

dẫn đến lượng Nitơ trong tăng cao trong máu và các mô (với các triệu chứng như buồn

nôn, khó cử động, khó thở, huyết áp tụt nhanh, đau khớp và ngực, rát da và vọp bẻ)

Hình 2.3 Sơ đồ hồ quang hàn dưới nước

Hình 2.4 Cấu tạo que hàn dùng cho phương pháp hàn ướt

1 Lõi que

2 Thuốc bọc

3 Lớp chống thấm

D – Đường kính que hàn

L – Chiều dài que hàn

l – chiều dài đuôi que

α - Góc vát đầu que hàn

Ưu điểm của phương pháp hàn ướt:

- Dễ tiếp cận vị trí cần hàn, có thể hàn mọi vị trí;

- Hàn nhanh, tiết kiệm thời gian;

- Giá thành rẻ, tính kinh tế cao;

- Độ bền kéo cao;

- Công tác chuẩn bị đơn giản

Nhược điểm của phương pháp hàn ướt:

- Giới hạn áp dụng cho vật thiệu carbon thấp;

- Tốc độ làm nguội nhanh dẫn đến giảm độ bền va đập, tính dẻo của mối hàn

và vùng ảnh hưởng nhiệt;

- Mối hàn bị giòn và có những vết nứt tế vi do ảnh hưởng của khí hydro Khí

hydro tạo ra do nước bị đốt nóng xâm nhập vào vùng kim loại hàn nóng

chảy gây ra tính giòn và rỗ của mối hàn.;

- Khả năng nhìn của thợ hàn kém;

- Bệnh khí áp đối với thợ hàn khi làm việc lâu dưới nước

2.2 Hàn khô

Hàn khô được chia làm 2 dạng:

2.2.1 Hàn khô trong môi trường áp suất khí quyển

Buồng làm kín được thông trực tiếp với khí quyển bên trên mặt nước Phần tiếp

xúc giữa kết cấu cần hàn và buồng hàn được làm kín bằng doăng

Phương pháp này thường được áp dụng ở những vùng biển sâu, khí hậu lạnh khi

thi công (như biển Bắc) và sửa chữa các đường ống có bán kính lớn

Hình 2.5 Hàn khô trong môi trường áp suất khí quyển

Ưu điểm:

- Chất lƣợng mối hàn đƣợc đảm bảo nhƣ hàn trên bờ;

- Thuận tiện thực hiện NDT

- An toàn đối với thợ lặn/thợ hàn;

- Quan sát tốt;-

Nhược điểm:

- Kết cấu buồng hàn phức tạp, cồng kềnh;

- Khó khăn trong việc làm kín buồng hàn ở độ sâu lớn;

- Chi phí cao cho công việc (chế tạo buồng hàn, cần nhiều trang thiết bị,

training cho thợ hàn)

- Không thể hàn những chỗ khó tiếp cận

2.2.2 Hàn khô trong buồng khí bội áp

Hàn khô trong buồng khí bội áp được phát minh bởi nhà kim loại học người

Nga Konstantin Khrenov

Là quá trình hàn trong một buồng kín bao phủ toàn bộ kết cấu cần hàn Một hỗn

hợp khí (như Oxy, Argon hay Heli) được bơm vào đến một áp suất nào đó thắng được

áp lực nước bên ngoài tạo ra môi trường khô bên trong buồng hàn

Hình 2.6 Sơ đồ hàn khô trong buồn bội áp

Buồng khí bộ áp được phân ra làm 2 loại:

 Buồng khí cứng với vỏ chắn nước làm bằng kim loại;

 Buồng khí mềm với vỏ chắn nước làm từ các lại vải mềm không lọt khí.

Hình 2.7 Buồng khí bội áp làm từ vật liệu cứng

Hình 2.8 Buồng khí bội áp làm từ vật liệu mềm

Ưu điểm:

- Có thể gia nhiệt trước khi hàn;

- An toàn đối với thợ hàn/thợ lặn;

- Chất lượng mới hàn cao;

- Có thể quan sát được về mặt trong quá trình hàn;

Nhược điểm:

- Chí phí cao cho quá trình hàn

- Yêu cầu trang thiết bị nhiều, tốn kém;

- Càng sâu càng tốn kém;

- Không hàn được ở những vị trí không thể tiếp cận;

Kết luận chương 2:

 Khái niệm, đặc điểm, các ưu/khuyết điểm và các ứng dụng của phương

pháp hàn ướt;

 Khái niệm, đặc điểm, các ưu/khuyết điểm và các ứng dụng của phương

pháp hàn khô;

Chương 3 KẾT CẤU CẦN HÀN SỬA CHỮA VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG

PHÁP, VẬT LIỆU, THIẾT BỊ HÀN

3.1 Kết cấu phần cần hàn sửa chữa

3.1.1 Kết cấu

Hình 3.1 Phần kết cấu cần hàn dưới nước

Kết cấu cần hàn dưới nước là các đoạn ống, hoặc các mối nối thuộc khối chân

đế bị hư hỏng Khối chân đế nặng khoảng 1400 tấn được chia làm 02 block (OB1 và

OB2), mỗi block có 8 ống Ф813x20 mm dài khoảng 70m, phần chân đế ngập trong

nước biển khoảng 50-60m

Cụ thể ở đây ta xét phần cần hàn là một phần đường ống cọc chân đế Ф813x20

mm, nằm ở độ sâu khoảng 5m dưới mặt nước biển Kết cấu cần hàn có độ cao 1000

mm và chiều dài cung tròn 600 mm được thể hiện như hình 3.1

3.1.2 Thành phần hóa học và cơ tính của kết cấu

Kết cấu được làm từ vật liệu thép carbon API 5L Gr.X52 có thành phần hóa học

và cơ tính như bảng dưới:

C, max% Mn, max% P, max% S, max% Nb+V+Ti, max%

Bảng 3.1 Thành phần hóa học thép API 5L Gr.X52 theo [5]

Ứng suất chảy, MPa Giới hạn bền, MPa Độ giãn dài, %

Bảng 3.2 Bảng cơ tính của thép API 5L Gr.X52 theo [5]

Các đặc tính hàn của vật liệu API 5L Gr.X52:

a) Đánh giá khả năng nứt nóng của liên kết hàn: Thông số nhạy cảm với nứt

nóng HCS (Hot Cracking Susceptibility) dùng để đánh giá nứt nóng thiên

tích ở vùng ảnh hưởng nhiệt của thép cacbon và thép hợp kim thấp Nếu

b) Đánh giá khả năng nứt nguội của liên kết hàn: Để đánh giá khả năng nứt

nguội trong thép, có thể thử mẫu hoặc tính toán để đánh giá mức độ nhạy

cảm của thép với nứt nguội Cách đánh giá đơn giản nhất là thông qua đương

lượng cacbon theo cách tính của Viện hàn Quốc tế IIW (đối với thép cacbon

và thép cacbon hợp kim thấp có thành phần C ≥ 0.16%) Nếu CE ≥ 0.45 thì

- Tổ chức kim loại nhạy cảm;

- Sự tồn tại của ứng suất kéo;

- Nhiệt độ thấp

Có thể giảm bớt hoặc loại bỏ hoàn toàn nứt nguội thông qua các biện pháp kiểm

soát các điều kiện hình thành nứt nguội

Kiểm soát nồng độ Hydro : Giảm mạnh lượng hydro trong kim loại mối hàn

thông qua sử dụng vật liệu thích hợp Cần sử dụng que hàn, thuốc hàn thuộc hệ xỉ bazơ

được xấy kỹ (ở 300 – 3500

C) Bề mặt được làm sạch cẩn thận kết hợp với sử dụng công nghệ hàn thích hợp (chọn que bazơ, thuốc hàn hệ bazơ ) Sử dụng các quá trình

hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy và điện cực không nóng

chảy thay cho hàn bằng quá trình hồ quang tay Nung nóng sơ bộ trước khi hàn để tạo

điều kiện cho hydro khuếch tán

Kiểm soát tổ chức tế vi: Giảm tốc độ nguội thông qua việc sử dụng năng lượng

đường cao, hàn 2 điện cực, Sử dụng chế độ hàn nhiều lớp đảm bảo cho vùng ảnh

hưởng nhiệt của lớp hàn trước được nhiệt của lớp hàn sau nhiệt luyện

Kiểm soát độ cứng vững: Độ cứng vững của các liên kết hàn thường là các yếu

tố khó kiểm soát, trong một số trường hợp có thể thay đổi góc rãnh hàn (nên áp dụng

các tiêu chuẩn để đạt được kết quả tối ưu)

Kiểm soát nhiệt độ: Nứt nguội dễ xảy ra nhất trong dải 1000C vì vậy cần thiết

việc sử dụng nhiệt nung nóng sơ bộ và nhiệt độ giữa các đường hàn để thúc đẩy hydro

khuếch tán và giảm nguy cơ nứt nguội

c) Đánh giá khả năng nứt tầng của liên kết hàn

Đánh giá khả năng nứt tầng theo công thức: 60 6 (2.3)

+ P CM - hệ số đặc trưng cho sự giòn vùng ảnh hưởng nhiệt do chuyển biến pha

và được cho bởi công thức sau ( tài liệu [1] )

H - lượng hidro khuếch tán tính bằng mm/100g kim loại đắp , đo theo

phương pháp sử dụng thủy ngân của viện hàn quốc tế, với que hàn vỏ bọc bazo sấy ở

Vậy thép API 5L X52 không bị nứt tầng

d) Đánh giá nứt do ram mối hàn

 Nứt trong vùng 200÷3000

C Thường là các vết nứt dọc, kích thước lớn nằm ở vùng ảnh hưởng nhiệt và song

song với đường chảy, xuất hiện do tốc độ nung quá cao, có sự chênh lệch về nhiệt độ

và gây ứng suất nhiệt

- Trong quá trình hàn đã có mầm nứt nóng (do xảy ra phá hủy cục bộ hạt

austenit sơ cấp) khuyết tật này phát triển thành nứt khi ram sau quá trình hàn

- Khắc phục:

Dùng tốc độ nung nhỏ ( chủ yếu trong giai đoạn đầu ) khi ram tới 3000

C Với các vật hàn lớn hoặc có hình dạng phức tạp, tốc độ nung vào khoảng

Khống chế nhiệt giữa các đường hàn hoặc nung bổ sung ngay sau khi hàn sao

cho vật hàn chỉ nguội đến nhiệt độ giữa các lớp hàn rồi tiến hành ram ngay lập tức

Đánh giá độ nhạy cảm đối với nứt do ram tại vùng quá nhiệt của vùng ảnh

hưởng nhiệt theo Nakamura :  G 10CCr3,3Mo8,1V 2 (2.6)

2

G

  thép dễ bị nứt do ram mối hàn

Ta có:  G 10CCr 3,3Mo 8,1V   2 10.0, 22   2 0, 2  2 vậy thép không bị

nứt do ram mối hàn

e) Chú ý đặc điểm khi hàn vật liệu đã chọn

Thép API 5L X52 có hàm lượng các bon thấp với hàm lượng ( 0,25 ~ 0,28% )

kết hợp với hàm lượng Mn cao (1,4% ) có tính hàn tốt, nhưng hàm lượng một hoặc

một vài nguyên tố hợp kim ở ngưỡng trên, có thể xảy ra nứt nguội đặc biệt với mối hàn

góc Trong trường hợp như vậy có thể giảm cường độ dòng hàn và tốc độ hàn

Chủ yếu là không cần nung nóng sơ bộ, với chiều dày trên 50 mm và những liên

kết có độ cững vững cao cần được nung nóng sơ bộ Sử dụng quá trình hàn ít hydro có

thể giảm nhiệt độ nung nóng sơ bộ

Gá lắp trước khi hàn để đảm bảo độ lớn cần thiết của khe hở đáy, có thể dùng đồ

gá hàn hoặc hàn đính

Tiết diện ngang mối hàn đính thường bằng 1/3 mối hàn ngang nhưng phải có độ

lớn tối đa 25 – 30 mm2 và chiều dài khoảng 20 – 50 mm, cách nhau khoảng 500 – 800

mm

Hàn đính có thể dùng que thuốc bọc dày hoặc hàn bán tự động trong môi trường

khí bảo vệ CO2

Khi hàn một lớp, nên hàn đính từ phía đối diện mối hàn

Khi hàn nhiều lớp, mối hàn đính được đặt ở lớp thứ nhất, và nung chảy hoàn

toàn mối hàn đính khi thực hiện mối hàn nối ( mối hàn chính)

Trước khi hàn phải làm sạch bề mặt khỏi dầu, mỡ, hơi nước, bụi bẩn….trong

phạm vi 30 mm về mỗi phía mối hàn, trên toàn bộ chiều dài đường hàn và theo chiều

rộng của mối hàn