11. GEMİ İNŞAATINDA KULLANILAN MALZEME TİPLERİ ve GEMİ İNŞAATINDA KAYNAK İŞLEMİ 16.1 Genel Tanımlar Bir gemi yüzen bir fabrika, depo veya otel olarak da düşünülebilir. Dolayısıyla, gemi inşaatında kullanılan malzemeler akla gelebilen bütün malzemeleri kapsayabilir. Örneğin yaşam mahallerinde kullanılan yanmaz panellerde, yanmaz izolasyon (yalıtım) malzemeleri (taş yünü veya cam yünü gibi) estetik bir kaplama (genellikle sentetik bir malzeme) içinde olduğu, kablolamada bakır ve plastik izolasyon malzemeleri kullanıldığı, mobilyada ağaç, kumaş ve köpük gibi malzemeler kullanıldığı, koridor zeminlerinde beton bulunduğu gözlenebilir. Bu bölümde incelenecek malzemeler, geminin sadece yapısını oluşturan kısımlardaki malzemelerdir. Bu malzemelerin genel mukavemeti ve üretim yönünden işlenebilirlik özelliği oldukça önemlidir. Prensip olarak günümüz gemilerinin temel yapı malzemesi çeliktir (steel) (Şekil 16.1). Konstrüksiyon ağırlığının önem kazandığı gemilerde alüminyum (aluminum) veya elyaf takviyeli plastik (Fibre Reinforced Plastic, FRP) kullanılır. Tarihte ilk gemiler ağaçtan inşa edilmiş olup, günümüzde de gezinti teknelerinin (tenezzüh gemileri) önemli bir bölümü kısmen veya tamamen ağaçtan inşa edilmektedir (Şekil 16.2 ve Şekil 16.3). Ayrıca yüzer havuzların dip kısımlarında, bazı dubalarda ve dibe oturan açık deniz petrol platformlarının konstrüksiyonlarında takviyeli beton da kullanılmaktadır. Gemi inşaatında kullanılan malzemelerin teknik özelliklerinden söz ettiğimizde gemi üzerine gelecek çekme, basma ve kesme gerilmelerini karşılayabilme özelliği, sertliği (hardness), sünekliği ya da şekil değiştirme özelliği (dövülebilirlik) (malleability), kırılganlığı (brittleness), yorulmaya karşı dayanımı (fatique strength), kütlesel yoğunluğu ve yanma dayanırlığı gibi özellikler anlaşılmalıdır. 1
Şekil 16.1 Çelik malzeme ile inşa edilmekte olan ayna kıçlı bir gulet. Şekil 16.2 Geleneksel bir Türk guleti, ahşap malzeme ile inşa edilirken. 2
Şekil 16.3 Ahşap bir guletin güverte işçiliği ve üst yapısı inşa edilirken. 16.2 Gemi İnşaatında Kullanılan Çelik Malzemeler Çelik; demir ingotlarından (külçelerinden) ısıl işlemler uygulanarak, saflaştırma ve şekillendirme işlemleriyle elde edilir. Ana unsurları büyük ölçüde demir ve kontrollü miktarda karbondur. Üretimde metal bazlı olmayan kükürt, silikon ve fosfor gibi maddelere ilişkin miktarların en azda tutulması oldukça önemlidir. Çelik malzemelerin teknik karakteristikleri kimyasal yapı değişikliği ile temin edilir. Örneğin çekme mukavemeti özelliği, çelikteki karbon miktarı değiştirilerek veya kimyasal yapıya krom, nikel, manganez gibi alaşım maddeleri katılarak değiştirilebilir. Genelde karbon miktarının artırılması çeliğin sertliğini artırır. Gemi inşaatında çoğunlukla kullanılan çelik; fiyat, özellikler ve bulunabilirlik yönünden uygun olan yumuşak çelik (mild steel) malzemedir. Soğuk ve sıcak şekil vermeye ve kaynağa uygun olan bu malzemenin işleme sıcaklıklarındaki mekanik özelliklerinde önemli bir değişim gözlenmez. Ancak çok düşük sıcaklıklarda malzeme darbe sertliğini kaybeder, kırılganlık kazanır ve bünyede kılcal çatlaklar (brittle fracture) meydana gelebilir. Bir çelik malzemenin gemi inşaatında kullanılabilmesi için, öncelikle gemiyi belgeleyecek olan klas kuruluşu tarafından denetlenmiş, test edilmiş ve damgalanmış olması gerekir. Klas kuruluşları gemi inşaatında kullanılan çelikleri belirli bir gruplandırmaya tabi tutmuş ve bunlara A dan E ye kadar değişen harf sembolleri vermiştir. A ve B yumuşak çelik malzeme türleridir. Klas kuralları, hangi çelik 3
malzemelerin hangi şartlar altında kullanılacağını ve mekanik özelliklerinin neler olması gerektiğini net ve açık bir şekilde belirtmektedir. Türk Loydu nun çelik malzemeler için kuralları Ek de verilmiştir. Genelde gerilmelerin yüksek olduğu büyük tanker ve dökme yük gemileriyle, ağırlığın önemli olduğu savaş gemileri, Ro-Ro gemileri, feribotlar ve yolcu gemilerinin konstrüksiyonlarında yüksek gerilim çelikleri kullanılır. Benzer şekilde soğutularak sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG) ve soğutularak sıvılaştırılmış doğalgaz (LNG) taşıyan gemilerin tanklarında soğuk ortamlarda kırılganlaşmayan çelik malzemeler ve tanklarında korozif etkisi yüksek maddeler taşıyan tankerlerde ise korozyona mukavemetli çelik malzemeler kullanılır. 16.3 Gemi İnşaatında Kullanılan Alüminyum Alaşımları Gemi inşaatında kullanılan alüminyum alaşımları, deniz tipi alüminyum alaşımları (marine aluminum alloys) olarak bilinir ve çelik malzeme gibi klas kurallarıyla sınıflanır, denetlenir ve belgelenirler. Alüminyumun en önemli özelliği; yumuşak çelikle hemen hemen aynı akma gerilmesine sahip olmasına rağmen, kütlesel yoğunluğunun yumuşak çeliğinkinin yaklaşık üçte biri kadarı olmasıdır. Ancak alüminyumun burkulma mukavemeti çeliğe göre daha düşük olduğu için, alüminyum yapılar eşdeğer çelik yapıların yaklaşık olarak yarı ağırlığında olmaktadır. Üretim yönünden alüminyumun önemli dezavantajları, fiyatı ve kaynak işleminde malzeme yüzeyindeki oksit tabakasının kaynak dolgusuna karışmaması için özel koruyucu gaz (inert gas) korumasında kaynak yapma zorunluluğudur. Alüminyum malzemenin ton başına fiyatı, çelik malzemeninkinden yaklaşık olarak altı kat daha fazla olduğu söylenebilir. Bu durum alüminyumun ağırlık avantajı dikkate alındığında dahi tekne maliyetinde yaklaşık bire üçlük bir oran oluşturur. Bazen sadece üst yapılar alüminyum malzemeden yapılır (Şekil 16.4). Bu takdirde çelik ve alüminyum teması elektro-kimyasal korozyona sebep olur ve çeliğin alüminyumu zaman içerisinde yemesine neden olur. Dolayısıyla çelik-alüminyum temas bölgelerinin elektrolitik ortam oluşturmayan ve emiş özelliği olmayan ( non-absorbent) neopren ve benzeri malzemeyle izole edilmesini gerektirir. Bindirme mahallerinde kullanılan çeliğin tercihen galvanize edilmiş olması istenir. Dikkat edilmesi gereken bir diğer husus da çelik malzemelerin aksine alüminyum malzemelerde koruyucu boya olarak kurşun bazlı boyalar kullanılmaz. Günümüzde alüminyum bir malzemenin çelik malzemeye birleştirilmesinde, bir ara kompozit malzeme kullanılmaktadır. Söz konusu kompozit malzemenin üst yarısı alüminyum alt yarısı da çelik malzemedir. Bu kompozit malzemenin çelik kısmı çelik yapıya, alüminyum kısmı da alüminyum yapıya kaynakları yapılarak, alüminyum yapının çelik yapıya montajı tamamlanmış olunur (Şekil 16.5). 4
Şekil 16.4 Çelik ve alüminyum malzeme birlikte kullanılarak inşa edilen bir gemi (geminin üst yapısı tamamen alüminyum malzemeden). Şekil 16.5 Çelik malzeme ile alüminyum malzemenin bir ara kompozit malzeme vasıtasıyla birleştirilmesi. 5
16.4 Gemi İnşaatında Kullanılan Elyaf Takviyeli Plastikler (FRP) Elyaf takviyeli plastik örgü (woven roving) ve kısa serbest elyaf tabakalarının (chopped strand mats) sentetik reçine (resin) ile birleştirilmesi sonucu FRP yapılar üretilir. En fazla kullanılan reçineler; polyester, vinil ester, epoksi ve phenolic reçinelerdir. Elyaf olarak en çok cam elyafı (E-Glass veya daha yüksek mukavemetli S-Glass) kullanılmakta olup, özel yapılarda karbon veya aramid (buna kevlar 49 dahildir) elyaf da kullanılır. Sandviç (sandwich) konstrüksiyon haricinde FRP yapıların üretiminde erkek veya dişi kalıplar kullanılır. Yapı; tabakalar halinde elyaf unsurları, reçine uygulaması ve kurutma şeklinde oluşturulur. Uygulama ve kurutma (curing) işlemlerinin kontrollü çevre şartları altında (sıcaklık, nem, toz vs.) yapılması zorunludur. Çelik ve alüminyum malzemelerde olduğu gibi, FRP malzemelerde de malzeme özellikleri ve üretim klas kuruluşları tarafından belirlenir, denetlenir ve belgelenir. 16.5 Gemi İnşaatında Kaynak İşlemi Metalleri birleştirmede en çok kullanılan yöntemlerden birisi olan kaynak işlemi, birleştirilecek parçaların uçları ile dolgu malzemesinin ergitilerek sıvılaşması ve sonra soğuyarak katılaşması şeklinde oluşturulan bir bileştirme türüdür. Doğru uygulama yapıldığında kaynak dikişinin mukavemeti en az kaynatılan malzemeler kadardır. Genelde ısı kaynağı yaratmada elektrik arkı, oksi-asetilen veya oksi-bütan gaz karışımının yakılması, elektrik direnci, kimyasal maddeler (termit), elektron hüzmesi veya lazer ışını kullanılır. Gemi inşaatında en çok kullanılanı, elektrik ark kaynağıdır. Elektrik ark kaynağında kaynak elektrodu ve kaynatılacak malzeme arasında bir akım geçişi sağlanır. Kaynak elektrodu metalden [3-6 mm] uzaklıkta tutularak arklar (kıvılcımlar) oluşturulur. Oluşan bu arklar, o bölgedeki sıcaklığı 4000 santigrat dereceye kadar yükseltir ve hem birleştirilecek uçları hem de kaynak elektrodunun metal çekirdeğini ergiterek istenen birleşmeyi sağlar. Elektrik arkında [15-40 volt] mertebesinde bir gerilim azalması olur ve bu gerilim farkı da kaynak nüfuzunu ve dolgu şeklini belirler (Şekil 16.6). 6
Şekil 16.6 Örtülü metal ark kaynağına ilişkin şematik bir resim. Kaynak işlemi sırasında atmosferik gazların ve rutubetin kaynak bölgesine karışmasını önlemek üzere bir koruma tabakası oluşturulmak istenir. Bu ise değişik yöntemlerle sağlanmaya çalışılır. En basit yöntemde kaynak elektrodu bir manto ile örtülüdür. Kaynak işlemi sırasında örtü kısmen sıvılaşır ve kısmen yanar. Yanmadan çıkan gaz, gaz örtüsü oluştururken sıvılaşan manto yoğunluğu çok daha düşük olduğu için yüzeyde kalır ve bitmiş soğuyan kaynağın üzerinde bir örtü oluşturur. Kaynak işlemi tamamlandıktan sonra örtü özel bir çekiç kullanılarak kolayca sökülür. Daha ileri yöntemlerde elektrot örtüsü yerine özel gazlar veya tozlar kullanılır ve bu tiplere de gaz altı kaynağı ve toz altı kaynağı denilir (Şekil 16.7 ve Şekil 16.8). Şekil 16.7 Gaz altı kaynağına ilişkin şematik bir resim. 7
Şekil 16.7 Toz altı kaynağına ilişkin şematik bir resim. Kaynak yapılacak levhaların kalınlığına bağlı olarak bir uç hazırlama (edge preparation) işlemi uygulamak gerekir. Genelde 6 mm.nin altındaki saclarda kaynak ağzı açılmaz. Daha kalın saclarda sac kalınlığı ve kaynak tipine bağlı olmak üzere V, U, çift V ve çift U tiplerinde kaynak ağızları kullanılır. Şekil 16.9a ve Şekil 16.9b de değişik kaynak ağzları ve dikişleri gösterilmiştir. Ülkemizde çok yaygın olmamakla birlikte dünyada arka takviyeli tek taraflı kaynak işlemi, dünya gemi inşa sanayisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Arka takviyeleri olarak genellikle bakır, seramik ve asbest kullanılmaktadır. Kaynak işlemi sırasında kaynatılan malzemelere ısı verildiğinden bu malzemelerde şekil değiştirme olasılığı (özellikle ince saclarda) oldukça yüksektir. Dolayısıyla kaynak dizaynında sadece mukavemet değil aynı zamanda ısı geçişi de göz önüne alınmak zorundadır. Bu tür önlemlerin alındığı kaynak prosedürlerine metot kaynakları denir. Kaynakla yapılan dolgu işlemi kalın levhalarda bir geçişte tamamlanamaz. Pratikte bir geçişte dolguya paso (pass veya run) denilir. Her pasodan sonra örtünün tamamen kazınıp temizlenmiş olması, kaynak hatalarının önlenmesi için zorunludur. Pratikte çok pasolu bir kaynak bitiminde, kaynakçı kaynak yerini çekiçle döver. Bu işlem hem kalan gerilmelerin (residual stress) azaltılmasına hem de halen sıcak olan kaynak dolgusunun konsolidasyonuna yardımcı olur. Gemi yapısında bazı birleştirme yerlerine özel isimler verilir. Örneğin dış kaplama boy istikametindeki sac birleşme yerlerine sokra (seam), buna dik istikametteki birleşme yerlerine de armuz (butt) ve buraların kaynaklarına da sokra ve armuz kaynakları denilir. Birbirleriyle dik kesişen elemanların kaynağına ise alın kaynağı denir. Şekil 16.10 da alın kaynağı, kaynak ayak boyları ve efektif boğaz kalınlığı gösterilmektedir. Yapılan bir kaynak yüzeyinde bir konkavlığın oluşması çoğunlukla istenmeyen bir durumdur. 8
Kaynakçının veya kaynak makinesinin yapılacak kaynağa göre pozisyonu, uygulanacak kaynak yöntemini de etkileyeceği için büyük bir önem göstermektedir. El altı kaynağı veya taban kaynağı (downhand welding) uygulama yönünden en uygun pozisyondur. Dikey kaynak (vertical welding), yukarıdan aşağıya veya aşağıdan yukarıya doğru uygulanabilir. Genellikle aşağıdan yukarıya doğru olan uygulama, sıvılaşmış kaynak malzemesinin daha iyi bir şekilde nüfuz etmesini temin edecektir. Tavan kaynağı (overhead welding) ise en zor kaynak türüdür ve özel kaynak elektrodu ve özel yöntem gerektirir. Kaynak işlerinin mümkün olduğunca el altı ve/veya dikey kaynağı uygulanacak şekilde üretimin planlanması, tersane verimini arttırmak açısından oldukça önemlidir. Gemi inşaatındaki kaynak işlemlerinin tümü klas kontrolünü ve onayını gerektirir. Kaynakçıların sertifikalı olması gereği dışında, kaynak prosedürlerinin hazırlanması ve uygulanması da klas kuruluşu denetimi altındadır. Ayrıca yapılan kaynaklar, tahribatsız muayene yöntemleri (nondestructive test) uygulanarak kontrol edilirler. Bu yöntemler; radyografik, akustik, x-ışını (x-ray) gibi testleri içermektedir. Şekil 16.9a Çeşitli kaynak ağzı ve dikişleri. 9
Şekil 16.9b Çeşitli kaynak ağzı ve dikişleri. 10
Şekil 16.10 Alın kaynağı, konveks ve konkav dolgu kaynakları ve kaynak boğazı. 11