BESPARING IN BESCHERMGAS BIJ HET GASBOOGLASSEN Theo Luijendijk, Luijendijk Advisering Jurriaan van Slingerland, TU Delft De methode om de productiekosten bij het gasbooglassen te verlagen is automatisering. De menselijke arbeid is immers de kostenbepalende factor bij deze processen. Door te automatiseren kan een hogere inschakelduur worden bereikt en kan in combinatie daarmee vaak ook de voorloopsnelheid en/of neersmeltsnelheid worden verhoogd. Dit wil niet zeggen dat er geen andere besparingsmogelijkheden zijn. Wim Pors legt in zijn artikel in Lastechniek 10-2009 uit dat naast het besparen in loonkosten ook andere besparingen mogelijk zijn. Het verkleinen van de inhoud van de lasnaad is daarvan een voorbeeld, maar ook zijn besparingen mogelijk in het verbruik aan beschermgas. In een rekenvoorbeeld toont hij aan dat een besparing in gaskosten ter grootte van het bedrag van € 900 op jaarbasis mogelijk is. Dit bedrag is geen standaard bedrag en de besparing in gaskosten zal van bedrijf tot bedrijf variëren en sterk afhankelijk zijn van de aard van het laswerk. GASSTOOT BIJ HET STARTEN VAN HET LASPROCES Voor de levering van beschermgas maken de meeste bedrijven gebruik van gasflessen met een inhoud van veelal 50 l en een overdruk van circa 200 bar. Daarnaast zullen grootverbruikers aan beschermgas gebruik maken van een batterij aan aaneengesloten gasflessen of van een opslagtank met vloeibaar gas en een leidingsysteem voor de levering van beschermgas op de plaatsen waar gelast wordt. Bij gebruik van gasflessen wordt met behulp van een reduceerventiel de hoge druk in de gasfles teruggebracht tot een druk van 1,5 tot maximaal 4 bar. Het beschermgas wordt vervolgens vanaf het reduceerventiel met een gas aanvoerslang naar de gasklep van de stroombron getransporteerd. De lengte van de gas aanvoerslang varieert daarbij van minimaal een meter tot enkele tientallen meters. Het beschermgas stroomt vrij uit het gasmondstuk en er is vanaf de gasklep slechts een geringe overdruk nodig om het gas door het slangenpakket te laten stromen. Dat geldt overigens ook voor het transport van het gas vanaf het reduceerventiel naar de gasklep bij geringe slanglengte. Echter na het stoppen van het lasproces en het sluiten van de gasklep zal de druk achter het reduceerventiel zich eveneens gaan opbouwen in de gas aanvoerslang en op de gasklep komen te staan. Bij het opnieuw starten van het lasproces zal die hogere druk voor de gasklep voor een gasstoot zorgen. De gasstroom is dan aanzienlijk hoger dan de ingestelde waarde. De extra hoeveelheid gas die dan door het slangenpakket stroomt is afhankelijk van de lengte en diameter van de gas aanvoerslang. Hoe langer en dikker die slang is, des te groter zal de gasstoot zijn. In figuur 1 wordt een voorbeeld gegeven van de optredende gasstroom na het openen van de gasklep bij een slanglengte van 3 en 30 m voor een via een naaldventiel ingestelde gasflow van 16 l/min. De druk achter het reduceerventiel was gelijk aan ongeveer 3,5 bar en de inwendige diameter van de gas aanvoerslang gelijk aan 8 mm. Voor een lastijd van 10 seconden zou de totale gasstroom
gelijk moeten zijn aan 10/60 x 16 = 2,67 l. De werkelijke gasflow bij een aanvoerslang van 3 m bedraagt 3,58 l en bij een aanvoerslanglengte van 30 m 9,66 liter. Ten opzichte van de benodigde gasflow bedraagt de extra gasflow respectievelijk 34 % en 260 %. Hoe groter de lengte en diameter van de aanvoerslang des hoger het onnodig gasverbruik. Uit figuur 1 blijkt dat bij een slanglengte van 3 m na ruim 2 seconden de ingestelde waarde van 16 l/min wordt bereikt, terwijl dat bij een slanglengte van 30 m zelfs na 10 seconden nog niet het geval is. Een slanglengte van 30 m zal niet snel voorkomen, maar is bij gasleidingsystemen niet ongewoon.
Figuur 1. Verloop van de gasstroom als functie van de tijd voor een gasflow van 16 l/min bij een aanvoerslang met een lengte van 3 en 30 m en een inwendige diameter van 8 mm. De gasflow is met een naaldventiel op de gasfles ingesteld. In het door de TU Delft gedane onderzoek is voor het meten van de gasstroom gebruik gemaakt van een Brooks gas massaflowmeter type SLA 5861 met een meetbereik tot 100 l/min. Van der Goes en Quist hebben op een andere manier de gasflow gemeten, maar komen tot dezelfde orde van grootte als het gaat om de maximale gasstroom. Bij een ingestelde waarde van 10 l/min en een slangenpakket met een lengte van 8 m en dezelfde inwendige diameter van 8 mm, meten zij een maximale gasflow van bijna 60 l/min In het TU onderzoek is de maximale gasflow bij een slanglengte van 30 m gelijk aan bijna 80 l/min, zie figuur 1. Een uitstekende overeenstemming dus.
HET INSTELLEN VAN DE GASFLOW De gasflow kan op meerder manieren worden ingesteld. Afhankelijk van het type stroombron kan de gasflow met behulp van een naaldventiel, dat achter het reduceerventiel is geplaatst, op de gewenste waarde worden ingesteld. Moderne digitale stroombronnen bieden de mogelijkheid om de gasflow op de stroombron in te stellen. Dan wordt bijna altijd gebruik gemaakt van een reduceerventiel met drukregeling. De druk die dan ingesteld moet worden is afhankelijk van de lengte en diameter van de gasslang en eventuele uitstroombeperkingen na de gasklep. In het door de sectie Joining and Mechanical Behaviour van de TU Delft gedane onderzoek is geconstateerd dat ook bij grote lengtes van de gas aanvoerslang er slechts een geringe overdruk nodig is om gasstromen in te stellen van van 10 tot 20 l/min. Dit blijkt uit figuur 2, waarbij voor een moderne (digitale) stroombron de gasflow is uitgezet als functie van de druk na het reduceerventiel.
Figuur 2. Invloed van de druk na het reduceerventiel op de gasflow bij een via de stroombron ingestelde waarde van 16 l/min. Lengte gasaanvoerslang 30 m en diameter gasslang 8 mm. Beschermgas 85Ar15CO2. Bij een overdruk van 1 bar wordt de gewenste gasflow van 16 l/min net niet gehaald en bij een overdruk van 1,4 bar ligt de gasflow net iets boven de gewenste waarde. Bij een overdruk van slechts 2 bar bedraagt de gasflow bijna 30 l/min en bij een overdruk van 4 bar bijna 50 l/min. De gasstroom als functie van de druk na het reduceerventiel voor een slanglengte van 3 m stemde goed overeen met het gemeten verloop bij een slanglengte
van 30 m. De verschillen waren gering waarmee bevestigd wordt dat de weerstand in de gas aan vloerslang gering is. Uit figuur 2 wordt duidelijk dat bij instelling van de gasflow via de stroombron een uiterst nauwkeurige instelling van de druk van het reduceerventiel is vereist. Al heel snel wordt een te hoge druk ingesteld met als gevolg een aanzienlijk hogere gasstroom dan gewenst. HET BEPERKEN VAN DE GASSTOOT BIJ HET STARTEN VAN HET LASPROCES Er zijn meerdere methoden om de gasstoot bij het starten van het lasproces te beperken. Een van die methoden is het gebruik van een gas bespaarklep die op de gasfles of het ringleidingsysteem geplaatst wordt. De gas bespaarklep voorkomt dat de druk achter het reduceerventiel zich kan opbouwen tussen reduceerventiel en gasklep op de stroombron. In hun publicatie laten Van der Goes en Quist zien dat een dergelijke gasbesparingsklep een aanzienlijke gasbesparing kan opleveren doordat de drukopbouw in het slangenpakket wordt voorkomen. Recentelijk is de firma Ceor Benelux op de markt gekomen met een gas aanvoersysteem dat eveneens grote besparing aan beschermgas zou opleveren. Zij maken gebruik van een reduceerventiel met een overdruk van 4 bar en een tweetal gaskleppen, die er voor zorgen dat er geen drukstoot bij het starten van het lasproces optreedt. De gasflow bij dit systeem wordt ingesteld via een regelventiel dat voor een van de gaskleppen is gemonteerd. In figuur 3 wordt schematisch weergegeven hoe het Ceor gasbesparingssysteem is opgebouwd. Bij gebruik van dit systeem moet wel de gasklep in de stroombron door de Ceor gaskleppen worden vervangen. REDUCEERVENTIEL MET 4 BAR OP LAGE DRUK MANOMETER
GASSLANG VAN WISSELENDE LENGTE
EXTRA GASKLE P
NAALDVENTIEL VOOR INSTELLIN G GASFLOW
Figuur 3. Schematische weergave van het Ceor gasvoorzieningssysteem.
GASKLEP TER VERVANGING VAN DE GASKLEP OP DE STROOMBRON
METING VAN DE GASFLOW EN PROEFOPSTELLING Op verzoek van de firma Ceor Benelux heeft de sectie Joining and Mechanical Behaviour van de TU Delft onderzoek verricht naar de werking en betrouwbaarheid van dit systeem en mogelijk te behalen besparingen in beschermgas. De gasflow is gemeten voor een lengte van de aanvoerslang van 3 en 30 m. Voor het meten van de gasflow is een proefopstelling gebouwd, waarbij met behulp van het programma Labvieuw de lastijd, tot op een duizendste van een seconde nauwkeurig, kon worden ingesteld. De gasflow zelf is gemeten met een Brooks gas massaflowmeter type SLA 5861 met een meetbereik tot 100 l/min. De gasflowmeter werd elke 0,1 s uitgelezen en de gemeten waarde opgeslagen in een logfile. Deze opgeslagen waarden zijn gebruikt voor het berekenen van de totale gasflow. Het verloop van de gasstroom is gemeten bij een lastijd van 1, 2, 5, 10, 20 en 40 seconden. De eerste serie aan metingen is met het Ceor gassysteem gedaan. Bij dit systeem wordt gewerkt met een reduceerventiel met een druk van 4 bar en wordt de gasstroom geregeld via een tweede gasklep. In een tweede serie metingen is de gasflow met een naaldventiel op de gasfles ingesteld op de gewenste waarde. De druk achter het bij deze tweede serie aan metingen gebruikte reduceerventiel bedroeg circa 3,5 bar. Bij de derdeserie aan metingen is met een drukgeregeld ventiel de gasstroom ingesteld op de gewenste waarde. Gekozen is voor het aansturen van de gasklep met behulp van het programma Labvieuw. Daardoor was het niet nodig echt te lassen. Wel is ter controle van de betrouwbaarheid van de metingen een beperkt aantal gasmetingen gedaan waarbij wel gelast is. De massagasflowmeter is daarbij achter de gasklep in de stroombron gemonteerd.
GASBESPARING MET HET CEOR SYSTEEM Het Ceor gassysteem is vergeleken met een systeem waarbij de gasflow is ingesteld met een naaldventiel en flowmeter op de gasfles. Er is gebruik gemaakt van twee typen magnetische gaskleppen, Rapa type EV 01 en een modernere gasklep CEME type 55. Voor een gasstroomtijd (lastijd) van 10 seconden is voor de drie gaskleppen (Ceor, CEME en Rapa) de gasstroom uitgezet als functie van de meettijd in figuur 5.
Figuur 4. Vergelijk gasflow als functie van de lastijd tussen het Ceor gassysteem en gasflowregeling via een flowmeter op de gasfles (Rapa en EEME) Uit figuur 4 komt heel duidelijk naar voren dat bij het Ceor gassysteem geen gasstoot optreedt aan het begin, maar dat de gasstroom heel geleidelijk, maar toch binnen korte tijd op de ingestelde waarde terecht komt. Op basis van het gemiddelde van 3 tot 4 metingen per gasklep is de besparing die met het Ceor gassysteem behaald kan worden berekend. Voor de drie gaskleppen, Rapa, CEME en Ceor, is respectievelijk 3,92-3,80 en 2,89 liter beschermgas gemeten. Ten opzichte van de Rapa gasklep wordt bij een lastijd (meettijd) van 10 seconden een besparing van 26,3 % bereikt en ten opzichte van de CEME gasklep een besparing van 24,1 % in beschermgas met het Ceor systeem. Zowel voor kortere als langere lastijden is de besparing in beschermgas berekend. Met de CEME klep zijn geen uitgebreide metingen gedaan met een gas aanvoerslang van 30 m. De resultaten weken nauwelijks af van de metingen met de Rapa gasklep en zijn om die reden niet in de figuur opgenomen. In figuur 5 wordt een overzicht gegeven van de besparingen in beschermgas. Met een
oogopslag wordt duidelijk dat vooral bij korte lastijden en grote slanglengtes een aanzienlijk besparing in beschermgas verkregen kan worden. Uit de waarden van de totale gasflow kan voor een gasles met een inhoud van 50 l en een druk van 200 bar voor een bepaalde lengte en diameter van de gasaanvoerslang het aantal te maken lassen berekend worden. In tabel 1 wordt hiervan een overzicht gegeven. In de berekening van het aantal te maken is lassen is gecorrigeerd voor de druk na het reduceerventiel, die afhangt van het gebruikte type.
Figuur 5. Gasbesparing met het Ceor gassysteem als functie van de lastijd voor twee lengtes van de gas aanvoerslang bij een gasflow van 16 l/min. Tabel 1. Maximum aantal te maken lassen voor een gasfles met een inhoud van 50 l en een druk van 200 bar bij een slanglengte van 30 m, inwendige diameter van 8 mm en een gasflow van 16 l/min. Systeem Ceor Rapa
Lastijd (s) 1 2 27222 13425 10232 7407
5 6622 1741
10 3391 1027
20 1713 711
40 863 469
Uit tabel 1 volgt dat bij een lastijd van 10 seconden met het Ceor gassysteem driemaal zo veel lassen gemaakt kunnen worden als met een standaard gasinstelling op de gasfles via een naaldventiel en flowmeter.
In het artikel van Van der Goes en Quist wordt rekening gehouden met de tijd tussen twee opeenvolgende lassen (haltetijd). Als kort achtereen wordt gelast, dan zal, zeker bij lange leidingsystemen, de druk zich niet volledig kunnen opbouwen in de gas aanvoerslang. Zij constateren ook verschillen tussen korte en lange haltetijden. In dit onderzoek is steeds tussen elke meting 10 seconden gewacht voordat de volgende meting werd verricht. Geconstateerd is echter dat de druk in het slangenpakket zich vrij snel opbouwt en ook bij geringe haltetijden er een aanzienlijke gasstoot aan het begin van het lasproces zal optreden. GASBESPARING BIJ EEN DRUKGEREGELDE GASFLOW Bovenstaande grote besparingen zullen niet optreden bij een gassysteem waarbij de gasflow wordt geregeld via de druk van het reduceerventiel. Uit figuur 2 blijkt wel dat een uiterst nauwkeurige afstelling van de druk noodzakelijk is daar anders te veel beschermgas wordt geleverd. In figuur 6 wordt voor een lastijd van 10 seconden en een gas aanvoerslang van 30 m het verloop van de gasstroom als functie van de lastijd getoond bij gebruik van de CEME gasklep en het Ceor systeem.
Figuur 6. Vergelijk gasstroom bij een drukgeregelde gasflow en een aanvoerslanglengte van 30 m. Uit figuur 6 blijkt dat met de CEME klep toch een geringe gasstoot optreedt aan het begin van het lasproces. Dus ook bij een druk geregelde gasstroom is een gasbesparing
met het Ceor systeem mogelijk. Voor een gasslanglengte van 3 m is de gasstoot echter nauwelijks merkbaar en zal de besparing minimaal zijn. In figuur 8 is de te behalen gasbesparing voor een slanglengte van 3 en 30 m uitgezet als functie van de lastijd. De besparingen die in figuur 7 worden gegeven zijn gebaseerd op het nauwkeurig instellen van de juiste druk, In de praktijk zal dat niet altijd het geval zijn en zal er een grotere overshoot en ook een grotere gasstroom optreden, waardoor de besparingen met het Ceor systeem hoger zullen uitvallen. Het instellen van de juiste druk voor de gasstroom was met de opstelling op de TU relatief gemakkelijk. In de praktijk is dat een stuk lastiger en moet de gasflow gemeten worden met een handgasflowmeter. Vaak zal de druk te hoog worden ingesteld en zal de gasstroom groter zijn dan de gewenste waarde. Voor het Ceor gassysteem is gaslevering onafhankelijk van de druk van het reduceerventiel. Dit is gecontroleerd tot een druk van 6 bar. Het Ceor gassysteem werkt met een druk van 4 bar, maar bij geringe lengtes van de gasaanvoerslang kan met een lagere druk volstaan worden.
Figuur 7. Gasbesparing bij een drukregeling van de gasflow voor een gasslanglengte van 3 en 30 m.
SAMENVATTING Het vervangen van het bestaande gasleveringssysteem door het Ceor gassysteem levert vooral voordelen op wanneer de gasstroom na het reduceerventiel met behulp van een naaldventiel op de gewenste waarde wordt ingesteld. Hoge besparingen aan beschermgas, tot wel 70 %, zijn mogelijk bij korte lastijden en grote lengtes van de gasaanvoerslang. Bij een druk regeling van de gasflow, die aanzienlijk lastiger is in te stellen, is de besparing in beschermgas, geringer. Het voordeel van het Ceor gassysteem is dan de relatief gemakkelijke instelling van de gasflow, want deze is bij voldoende druk onafhankelijk van de druk op het reduceerventiel tot een waarde van 6 bar. REFERENTIES J.J. van der Goes en P.J. Quist. Gas bespaarklep, zin of onzin? Lastechniek, jrg 59, september 1993, blz. 276-283. W. Pors. Beheersen van de laskosten, ook besparingen op gaskosten lonend. Lastechniek, jrg. 75, september 2009, blz. 6-8.
