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Solda até de baixo d’água

por em 27/07/2020 em Ciência, Notícias | Nenhum comentário

Solda até de baixo d’água

Imagine uma plataforma de petróleo, produzindo milhares de barris de petróleo por dia, centenas de pessoas trabalhando offshore e onshore para manter essa produção, com um custo diário de operação de algumas centenas de reais. Agora imagine uma trinca no casco, essa plataforma precisa parar.

Para que isso não ocorra, existem inspeções anuais realizada por mergulhadores e veículos remotos, os ROV’s e procedimentos de solda que podem ser realizados sem afetar a operação da planta.

Um tipo de solda muito comum, é a solda por eletrodo revestido, devido sua simplicidade e custo. É aplicada desde oficinas de serralheria, para a fabricação de portões e mesas, por exemplo, até reparos de grandes equipamentos submarinos, lanças de guindastes, estruturas de embarcações, turbinas, etc. Assim como na atmosfera seca, reparos com eletrodo revestido também são executados em meio aquoso, porém existem algumas particularidades do meio que reduzem a eficiência do processo, sendo principalmente, o resfriamento rápido e o excesso hidrogênio e oxigênio na poça de fusão. Essas particularidades reduzem drasticamente a eficiência da fusão e a resistência do material reparado. Existem opções para executar a solda em um ambiente seco, mesmo dentro da água, como as soldas hiperbáricas, que utilizam habitats submarinos pressurizados com gazes nobres para proteção da solda. Porém exigem uma operação mais complicada e um custo elevado, então, sempre que possível a solda é feita no molhado mesmo.

O processo de soldagem realizado sob a água é conhecido como solda molhada. O processo é amplamente utilizado em reparos de equipamentos, estruturas metálicas e embarcações no mercado offshore. Tratando-se de um método simples e capaz de ser mobilizado de forma relativamente rápida, tornando-o barato e ágil, mas possui diversas limitações que comprometem a qualidade da fusão no ambiente submerso.

O processo de solda por eletrodo é um método de união de materiais baseado em forças interatômicas e intermoleculares, de forma que os átomos sejam aproximados até gerar pequenas ligações químicas.  A diferença de potencial gera um arco elétrico entre o eletrodo e as partes a serem soldadas, consequentemente os metais se aquecem resultando na poça de fusão onde os metais de base e de adição são fundidos.

O equipamento utilizado para esse processo consiste basicamente em uma fonte de corrente elétrica, que é ligada diretamente à peça em um polo e ao porta-eletrodo no outro polo, que serve também para suporte e manuseio do eletrodo.

Figura 1 – Esquema do processo de soldagem a arco com eletrodo revestido. Fonte: Medeiros; Silva, 2018

O eletrodo consiste em uma haste revestida pelo metal de adição, essa construção é apresentada na figura 2. O metal de adição deve ser compatível com o metal base – o material da peça que sofrerá o reparo – as características do eletrodo serão especificadas por normas internacionais de soldagem como AWS, DNV e ABS.

Figura 2 – Formação da poça de fusão. Fonte: Modenesi, Marques, Santos, 2012.

 

Para encerrar o entendimento básico sobre o processo de união através de arco elétrico com eletrodo revestido, a figura 3 demostra o exemplo da secção transversal de uma região soldada por eletrodo. É possível ver:

A – Zona de fundição (ZF)

B – Zona afetada pelo calor (ZAC)

C – Metal de base (MB) (MODENESI, MARQUES, SANTOS, 2012)

 

Figura 3 – Secção transversal de uma região soldada. Fonte: Modenesi, Marques, Santos, 2012.

 

Mas quando posso usar a solda molhada?

A Figura 4 mostra a bolina de uma embarcação, também conhecida como quilha ou o termo em inglês, bilge keel. No ponto A, vemos o casco do navio, que é uma estrutura primária já que uma quebra na estanqueidade poderia provocar uma catástrofe, o ponto B, no corpo da bolina, apesar de ter sua importância para a estabilidade da embarcação, pode se usar o processo molhado. Uma atenção especial para o ponto C, onde encontra-se a junção entre a bolina e o casco e por isso, deve-se aplicar as soldas de classe A.

 

Figura 4 – Bolina de um navio: Onde se aplica a solda molhada. Fonte: Adaptado pelo autor.

 

No caso da solda molhada, existem 2 efeitos que prejudicam na qualidade da solda. A decomposição da água e a alta taxa de resfriamento.

 

  • Decomposição da água

 

Como se sabe a água é formada por 2 átomos de hidrogênio e 1 de oxigênio, como estarmos trabalhando em ambiente de mar aberto, sabe-se que a água terá cloreto de sódio, sulfato de cálcio e outros em sua composição, mas vamos resumir e considerar os elementos mais abundantes e que provocam maior efeito durante a fusão dos metais.

Um dos elementos que será absorvido durante o processo é o oxigênio, que num primeiro momento irá reagir com desoxidantes. Parte desses compostos serão eliminados, retirando elementos de liga como o carbono e o manganês, outra parte do oxigênio ficará retida como poros e inclusões e parte irá reagir com o Ferro. O limite de solubilidade é de 0,22% de oxigênio, a parte de oxigênio que passar desse limite de concentração, formará o óxido de ferro e irá compor a escória, como o próprio nome diz, é escória.

Já o hidrogênio, apresenta um limite de solubilidade com o ferro muito baixo, de forma que não tende a reagir, mas formará inclusões e porosidades a nível molecular, aumentando a fragilidade da fundição. Em condições mais específicas, outro problema grave que pode ocorrer é a inclusão de hidrogênio na ZAC que resulta em trincas.

 

  • A alta taxa de resfriamento

 

Em um processo comum de solda seca, para garantir a qualidade da solda, principalmente em peças com grande massa e chapas muito espessas, é feito um aporte de calor antes da abertura do arco e um alívio de tensões para garantir um resfriamento na velocidade adequada.

O tempo de resfriamento da solda em ambiente seco pode ser controlado e é definido em função do material de base, espessura, material de adição e propriedades do processo como a corrente elétrica e a tensão, de forma que pode levar horas até o fim do resfriamento. Já no ambiente molhado, esse controle é complicado e dificilmente é realizado, dessa forma, a soldagem molhada costuma ficar isenta do alívio de tensões, mesmo que necessite, o resfriamento acaba ocorrendo em alguns minutos e obtém-se um resultado próximo a uma têmpera, aumentando drasticamente a dureza na ZAC e consequentemente provocando trincas e reduzindo o limite de ruptura.

Diante dos efeitos comentados, a soldagem molhada resulta em defeitos que afetam diretamente as propriedades mecânicas na zona de fusão e da zona afetada pelo calor:

  • Perda de elementos de liga;
  • inclusão;
  • porosidade;
  • trincas na ZAC.

 

Cada elemento de liga presente na formação dos aços tem uma função, quando se perde esses elementos devido à inclusão de oxigênio, o material de base perde características importantes como dureza e resistência à corrosão, por exemplo.

O termo inclusão refere-se às partículas sólidas de óxidos e não metais que ficam aprisionados em meio à poça de fusão, esses sólidos são chamados de escória quando não sobrenadam para a superfície da solda e ficam aprisionados podem tornar a soldagem frágil, já que se tem menos material fundido entre os metais base e adição. Na figura 5 pode-se ver um ponto de inclusão, através de um ensaio de uma radiografia da secção de uma solda.

 

Figura 5 – Inclusão de escória. Fonte: VASCONCELOS, 2014

 

Os poros formados pela penetração do hidrogênio durante a fundição dos metais são, literalmente, bolhas de gás que se formaram por baixo de material solidificado. Essas bolhas representam perda de material sólido e consequentemente o limite de ruptura e tenacidade do material são reduzidos dependendo do tamanho e da quantidade de poros.

Figura 6 – Macrografia mostrando os poros na área fusão. Fonte: Novicki; Buschinelli; Paredes, 2011.

A trinca na ZAC provocada pelo hidrogênio, ocorre geralmente próximo à poça de fusão e é resultante tanto do excesso de hidrogênio no meio quanto do rápido resfriamento, uma das formas de evitar o defeito é através do aporte de calor.

 

Figura 7 – Trincas na ZAC provocas pela inclusão de hidrogênio. Fonte: Paranhos, 2003.

Concluindo, o processo de soldagem subaquática, através de arco elétrico com eletrodo revestido, apresenta muitos problemas e limitações, sua aplicação é limitada às estruturas secundárias e assim deve continuar sendo, mesmo que, desenvolvam-se eletrodos antioxidantes e com baixo teor de hidrogênio, é importante destacar que o processo molhado ainda é um importante agravante.

Os problemas relacionados à taxa de resfriamento podem ser solucionados com o aporte de calor antes e depois da soldagem, reduzindo a incidência de trincas e a fragilização de material devido ao resfriamento rápido.

Os defeitos provocados pela inclusão de hidrogênio e oxigênio podem ser solucionados com a montagem de habitats, ou ainda a utilização de outros processos em que a poça de fusão não tenha contato direto com a água, como Tig ou Mig.

Sendo assim, podemos concluir que a soldagem molhada, em que a poça de fusão ocorre em meio ao ambiente aquoso, sempre terá suas limitações devido à inclusão de hidrogênio e oxigênio. Nos próximos artigos tratarei das soldas hiperbáricas.

 

REFERÊNCIAS

BRACARENSE, A. Q.; MODENESI, P. J.; MARQUES, P. V., Soldagem: Fundamentos e Tecnologia. 3. ed. Belo Horizonte: UFMG, 2016. 362 p.

OKUMURA, T.; TANIGUCHI, C., Engenharia de Soldagem e Aplicações. 1. ed. Rio de janeiro: LHC – Livros técnicos e científicos S.A, 1982. 461 p.

DET NORSKAN VERITAS AS. Rules for Classification of Ships, 2015.  Parte 3 Capítulo 1

AMERICAN WELDING SOCIETY. Underwater Welding Code, D3.6M, 2017. 6 ed.

SANTOS, V. R., Introdução à Soldagem Subaquática. 2017. Apostila

MODENESI, P. J; MARQUES, P. V.; SANTOS, D. B.; Introdução à Metalurgia da Soldagem. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2012

MODENESI, P. J, Soldabilidade de Algumas Ligas Metálicas. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2011.

VASCONCELOS, A. M., Analise da Sequência de Soldagem em Paineis Típicos Navais. Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica Universidade Federal do Rio de janeiro, Rio de janeiro, 2014.

BULBOLTZ, C. B., Desenvolvimento de Modelos Teóricos para Dureza Brinell, Utilizando Método de Regressão Linear Múltipla e Fórmulas de Carbono Equivalente para Aço Sae 52100. Trabalho de Diplomação apresentado ao Curso de Engenharia Metalúrgica da Universidade Federal do Rio Grande Do Sul, Porto Alegra, 2016.

NOVICKI, N.; BUSCHINELLI, A. J. A.; PAREDES, R. S. C., Amanteigamento por aspersão térmica na soldagem em operação de dutos de pequena espessura: estabilidade e penetração do arco voltaico. Soldag. insp. (Impr.),  São Paulo ,  v. 16, n. 3, p. 243-255,  Sept.  2011.

ESAB. OK 55.00: Especificações e Downloads. 2018. Disponível aqui. Acesso em: 29 ago. 2018.

SILVA, C. L. J.; PARANHOS, R., Fissuração pelo Hidrogênio “Trincas a Frio”, 2003, Disponível aqui. Acesso em: 29 ago. 2018.

BORBA, T. M. D.; FLORES, W. D.; TURANI, L. O.; JUNIOR, R. C.;, Avaliação da Soldabilidade do Aço Naval EH36 TMCP Soldado por Arco Submerso com Elevado Aporte de Calora. Soldag. insp. (Impr.),  São Paulo ,  v. 20, n. 1, p. 92-104,  Mar.  2015.

USIMINAS. Catálogo, Chapas Grossas, 2015.

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