Radek ZEMAN1 TVORBA VÝKRESOVÉ DOKUMENTACE U-TRUBKOVÝCH VÝMĚNÍKŮ TEPLA Abstrakt Tato zpráva popisuje mé působení na stáži ve firmě H Project v rámci programu OPVK 2.4. H Project v té době pracoval na tvorbě výrobní dokumentaci pro výrobu výměníků tepla pro ropný průmysl v Bělorusku. Jednalo se o cca 40 výměníků s plovoucí hlavou nebo U-trubkových. Klíčová slova U-trubkový výměník tepla, ropný průmysl, výrobní dokumentace, TEMA, ASME.
1
ÚVOD
V období 1.7. – 20.9.2013 jsem se zúčastnil stáže u firmy H Project v rámci projektu OPVK 2.4 ve spolupráci s VUT FSI v Brně a Moravskoslezským energetickým klastrem. Projekt OPVK 2.4 se na Fakultě strojního inženýrství v Brně představil v březnu prezentací možných pracovních příležitostí. Aula Q, byť největší místnost na škole, byla beznadějně zaplněná. Za několik týdnů se odehrála prezentace konkrétních projektů u firem většinou z oboru procesního inženýrství. Nabízené stáže se prakticky sestávaly ze tří různých zaměření. První se týkalo nakládání s odpadem. Cílem mělo být například vytvoření mapy možných lokalit k výstavbě spaloven odpadu nebo ekonomické výpočty konkrétní spalovny jako investičního záměru. Další nabídky stáží se týkaly výměníků tepla – hydraulické a pevnostní výpočty, popřípadě jejich konstrukce. Poslední zaměření se týkalo výzkumu velkokapacitních pracích zařízení z pohledu energetických úspor. Vzhledem ke skutečnosti, že studuji na energetickém ústavu a tematicky je mi blízký okruh přestupu tepla, přihlásil jsem se na stáž do firmy H Project s.r.o.
2
H PROJECT
Společnost H Project se zabývá zpracováváním výrobní dokumentace výměníků tepla, tlakových nádrží a potrubních sítí. Vytváří také projektovou dokumentaci a provádí
1
Bc. Radek Zeman, Energetický ústav, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2, 616 69 Brno, tel.: (+420) 541 141 111, e-mail:
[email protected]
1
pevnostní výpočty. Nachází se v areálu firmy MBNS v Králově poli v Brně. V prostorách firmy H Project se nacházejí 3 prosklené kanceláře pro konstruktéry. V každé z nich je 5 PC, většina s dvěma monitory. Za těmito místnostmi sídlí vedení firmy. V nejzazší části firmy nalezneme zasedací místnost. Samozřejmostí je zde velkoformátový plotr, skládačka výkresů a 2 tiskárny pro formáty A4 a A3. Majitelem společnosti je Ing. Jiří Hadaš. Řídí chod firmy, řadový zaměstnanec se však při řešení konstrukčních problémů obrací na šéfa konstrukce Ing. Tomáše Pokorného. Další zaměstnanci jsou si ve firemní hierarchii víceméně rovni. Firemní kolektiv je dle mého soudu velice vstřícný, schopný a zábavný.
Obr. 1: Interiér firmy H Project s.r.o.
3
PRAVOCNÍ NÁPLŇ – VÝMĚNÍKY PRO BĚLORUSKÝ ROPNÝ PRŮMYSL
Na stáž jsem nastoupil 1. 7. 2013 v době, kdy H Project zpracovával zakázku na výrobní dokumentaci výměníků tepla. Italská firma ITP, která vytvoření dokumentace zadala, dodala projektovou dokumentaci včetně pevnostních výpočtů. Předmětem zakázky byla výrobu zhruba čtyř desítek výměníků tepla (U-trubkových nebo s plovoucí hlavou) pro běloruský ropný průmysl. Výměníky měly následně sloužit v závodě v Novopolcku. První den v práci začal menším rozhovorem s Ing. Hadašem, při kterém mi byl vysvětlen vnitřní chod firmy. Bylo mi přiděleno pracoviště v kanceláři číslo 1. Po dobu stáže se mnou v kanceláři pracovali také Vít Burian, Marek Přichystal, a dva stážisté z OPVK 2.4 Ivan Klučka a Slavomír Fazekaš.
2
Obr. 2: Kancelář č. 1 – mé pracoviště
3.1. Příruby a trubkovnice Jako první práce na seznámení s firemními normami a postupy mi byla svěřena výrobní dokumentace trubkovnic a přírub. Od ITP vzešel požadavek, že některé příruby a trubkovnice mají být vyrobeny zvlášť v závodě v Ondřejovicích. Tyto komponenty byly součástí výměníků s plovoucí hlavou. Mým úkolem bylo z již existujících výkresů sestav vytvořit výrobní výkresy jednotlivých přírub a trubkovnic. Pevné trubkovnice byly uchyceny šroubovými spoji mezi přírubami komory a pláště. Díry pro trubky byly vyvrtány v čtvercově diagonálním uspořádání. Na komorové straně se nacházely drážky pro přepážky, otvory pro šrouby pro snadnější montáž. Shora byl vyvrtán vnitřní závit pro závěsné oko a na straně trubek se bylo umístěno 8 otvorů pro zašroubování vodících tyčí. Plovoucí trubkovnice byla svými rozměry menší než pevná, protože se celým objemem nacházela uvnitř pláště výměníku. Měla i jiné uspořádání drážek a také okraje. Ty musely být obrobeny tak, aby zapadly do děleného zámku plovoucí hlavy. Výkresy přírub obsahovaly dvě příruby mezi pláštěm a komorou za plovoucí hlavou, dvě mezi pláštěm a vstupní komorou, víko výměníku a přírubu navařenou na plášť, ke které bylo víko přišroubováno. Vzhledem k agresivitě pracovních médií byly některé výměníky opatřeny nerezovým návarem. Proto na výkresech přírub takovýchto výměníků byl popsán i technologický postup navařování.
3
Obr. 3: Výřez z výkresu pevné trubkovnice
Obr. 4: Výřez z výkresu plovoucí trubkovnice
3.2. Dokumentace k U-trubkovým výměníkům Během třetího týdne, kdy byly výkresy přírub a trubkovnic dokončeny, mně byly přiděleny kompletní výměníky k zdokumentování. Od zadavatele jsem obdržel dva projektové výkresy obsahující hlavní rozměry, pevnostní výpočty podle americký normy ASME a ruské normy GOST a datasheet s provozními parametry výměníku. Aby výměníky odpovídaly požadovaným normám, potřebné údaje jsem dohledával v normách TEMA a ASME.
4
Výkresy pro ITP měly být oproti zvyklostem, kdy jsou výměníky rozkresleny na řadu menších výkresů součástí, nakresleny na několik málo výkresů sestav a detaily součástí vkresleny do nich. Jednotlivé výměníky jsem zpracovával spolu s dalším stážistou, Slavomírem Fazekašem. Slavomír měl na starost výkres sestavy, detailů sestavy a příchytek izolace. Mojí zodpovědností byly výkresy trubkového svazku, komory, kontroly rozměrů a štítku. Kontrola výkresů probíhala na dvou úrovních. Na vnitrofiremní úrovni našim výkresům byla zpočátku věnována zvýšená pozornost, aby se možné chyby podchytili co nejdříve. Ve chvíli, kdy už jsme dokumentaci konkrétního výměníku dokončili, šly výkresy na kontrolu k šéfovi konstrukce. Po schválení na vnitrofiremní úrovni odcházely výkresy na revizi do brněnské pobočky ITP, po které se vracely na opravu do H Projectu.
3.2. Trubkový svazek Výkresem trubkového svazku jsem vždy začínal. Jako první bylo třeba vyřešit umístění děr pro trubky v trubkovnici. Pevně byl dán jejich rozměr (trubky ϕ25x2,5 nebo ϕ20x2 mm), vzdálenost a počet děr. Jejich rozmístění na projekčním výkrese však téměř vždy bylo nutné upravit. Musela být dodržena jistá technologická vzdálenost děr od hrany trubkovnice a také bylo potřeba umístit otvory pro šrouby k montáži trubkovnice a pro zašroubování nosných tyčí. V neposlední řadě musela být propočítaná teplotní roztažnost trubek tak, aby za jakýchkoliv okolností byla dodržena určitá minimální vzdálenost mezi trubkami a toroidní hlavou výměníku. Podle údajů z datasheetu bylo třeba seříznout přepážky. Pevně byla dána jejich vzdálenost, jejich tloušťku bylo potřeba uzpůsobit podle nepodepřených délek. Poslední přepážka měla v sobě vyřezaný otvor, který měl svou plochou odpovídat ploše odstraněné ze seříznuté přepážky. Musel jsem také dát pozor na nepodepřenou délku oblouku trubek procházející tímto otvorem, které podpírala předposlední přepážka. Proto také často musela být předposlední přepážka tlustší než ostatní. Po vyřešení přepážek následovalo okótování délek distančních trubek. Ty mají normalizovaný rozměr ϕ21.3x2.77 mm a jsou nasazeny na nosných tyčích. K zajištění vzájemné polohy přepážek slouží 2 obdélníkové tyče. Každá přepážka v kontaktu se spodní polovinou pláště má normované otvory, ve kterých se tyče k přepážkám přivaří. Délka tyčí musí odpovídat vzdálenosti přepážek plus 2 cm přesah na každé straně. Jako poslední bylo nutné vyplnit tabulku nad razítkem, která popisovala parametry teplosměnných trubek. Ta obsahuje počet trubek v jednotlivých řadách trubkovnice, rádius střednice trubky a rozvinutou délku trubky, která pak figuruje v kusovníku svazku jako rozměr objednaného polotovaru.
3.3. Komora Při tvorbě komory jsem vycházel z několika pevně daných rozměrů - délka komory, vnitřní průměr komory (stejný jako vnitřní průměr pláště), rozměry přírub, rozměry hrdel a tloušťka přepážky. Na komoře se oproti svazku objevuje větší množství různých typů svarů, jejichž tloušťku je často zapotřebí dopočítat podle norem. Za dobu stáže jsem se setkal s výměníky dvou a čtyřchodými. Dvouchodý výměník má v komoře pouze jednu přepážku. Kapalina v trubkách tak se v U-trubkách otočí jen jednou, urazí cestu tam a zpět – proto dvouchodý výměník. Čtyřchodý výměník má jednu přepážku navíc. Ta rozdělí polovinu komory napůl. V těchto čtvrtinách je vevařeno vstupní a výstupní hrdlo.
5
Obr. 5: Schéma dvouchodého U-trubkového výměníku
Obr. 6: Schéma čtyřchodého U-trubkového výměníku Příruby hrdel byly normalizovány, rozměry trubky jsem mohl měnit. Vnitřek trubky se na straně příruby seřízl pod úhlem 10° a délku trubky jsem zvolil tak, aby byla dodržena vzdálenost dosedací plochy příruby hrdla od osy výměníku. Na každém vyhrdlení výměníku se nacházely dva návarky pro měření tlaku a teploty. Jejich průměry byly u všech výměníků stejné, měnila se pouze jejich délka a vzdálenost od komory tak, aby nezavazely izolaci. Protože jsou rozměry výstužných límců podstatné pro pevnostní stabilitu konstrukce, byly jejich rozměry pevně dané projekčním výkresem. Výška svaru mezi límcem a pláštěm komory se vypočítala jako polovina tloušťky límce. Přepážka v komoře byla na straně trubkovnice a víka utěsněna grafitovým těsněním v drážce, po bocích byla přivařena k plášti komory. Minimální tloušťku svaru předepisuje TEMA výpočtem podle tlaku, způsobu uchycení přepážky a maximálního povoleného napětí v tahu. Pro výrobu byly většinou uvažovány svary zhruba trojnásobné tloušťky. Na komoru byly symetricky přivařeny čtyři zvedací ucha, u všech výměníků stejných rozměrů.
3.4. DIM Výkres pro kontrolu rozměrů DIM (z angl. diametr measurment) obsahuje hodnoty dovolených odchylek rozměrů po montáži. Veškeré hodnoty tolerancí pocházely z norem TEMA a ASME. DIM vznikalo na základě výkresu sestavy, na kterém jsem ponechal pouze tolerované rozměry. Mezi ně patřila celková délka a výška, vzdálenosti dosedacích ploch přírub od osy výměníku, pozice os přírub, vnitřní průměr pláště ad. Pod každým číselným údajem byla ponechána prázdná závorka na vepsání skutečných rozměrů po montáži. Výkres obsahoval několik tabulek s maximálními hodnotami úchylek. U hrdel se kontrolovalo čelní házení dosedací plochy hrdla, kolmost hrdla na osu výměníku a úhlová úchylka natočení děr pro šrouby. Každý lub pláště měl tolerovanou válcovitost. Svary se tolerovaly vzhledem k jejich přesazení a maximálním rozměrům a to jak v obvodovém, tak podélném směru.
6
3.5. Výkres štítku Na štítku se nacházejí základní údaje výměníku a provozní parametry médií. Je vyroben z ohýbaného plechu a je přivařen na vnější straně pláště zhruba v polovině jeho délky. Pro média je jak na straně trubek, tak na straně pláště, uveden návrhový, provozní a maximální tlak i teplota. Pro tlakovou zkoušku je na něm uvedena hodnota zkušebního tlaku. Dále je zde maximální rozsah provozních teplot pláště, hmotnost svazku i celého výměníku, rok výroby a výrobce. Všechny tyto údaje jsem vyhledával v datasheetu nebo v pevnostním výpočtu podle ASME.
Obr. 7: Výřez z výkresu štítku
3.6. Kusovníky Kusovníky se vytvářely pro sestavu, komoru a trubkový svazek. Kusovník sestavy obsahovaly pozice z výkresů sestavy, detailů sestavy a štítku. Kusovníky vždy obsahovaly následující informace: Přibližná hmotnost pozice, materiál a jeho tepelné zpracování, číslo atestu, počet kusů a normu, podle které byla součást vyrobena. Až téměř ke konci stáže se objevil požadavek na přesnější popis pozic teplosměných trubek. Původně stačila tabulka na výkresu svazku, která udávala množství trubek, jejich rozvinutou délku a rádius zakřivené střednice. Podle nového požadavku měla být každá řada trubek o stejné délce opozicována zvlášť.
3.7. Další dokumentace Po vytvoření kusovníků se mohly začít vytvářet seznamy náhradních dílů pro provoz a pro najíždění. Mezi tyto díly patřily šrouby, matice, grafitová a měděná těsnění, zátky pro uzávěr návarků na měření tlaku a teploty. Na obou seznamech se uvádělo množství matic, šroubů a zátek odpovídající 10% množství v kusovnících, těsnění se uvádělo třikrát více než v kusovnících. Všechny náhradní díly zde měly i označení pozic a výkresů, na kterých se nacházely. Dokument kontroly svarů obsahoval seznam kontrolovaných svarů a způsob jejich kontroly. Výkresy obsahovaly malou část nekontrolovaných svarů (např. svary u podpěr a štítku), zbylé svary byly kontrolovány. Měly své jednoznačné číselné označení podle typu svaru a jeho pořadí. Svary přírub hrdel, podélné a obvodové svary pláště byly kontrolovány
7
vizuálně a radiograficky. Vevaření hrdel do pláště a návarků do hrdel bylo navíc kontrolováno magneticky. Zavaření trubek v trubkovnici bylo kromě vizuální kontroly ošetřeno také penetrační zkouškou. Jako poslední zde zbývaly svary mezi výztužnými límci a pláštěm, které byly kontrolovány vizuálně a magneticky. Ve chvíli, kdy veškerá dokumentace byla zkompletována, se vytvořil její seznam. Ten kromě výkresů, jejich čísel a označení poslední revize obsahoval pořadí dokumentů, v jakém mají být seřazeny při odevzdání.
3.8. Výkres pro transport Tento výkres byl vytvářen až po zkompletování výše zmíněné dokumentace a neodcházel s ní na první revizi. Pro tvorbu tohoto výkresu bylo nejdůležitější vypočítat umístění těžiště. Program Inventor má v sobě tuto funkci zabudovanou. Vzhledem k značnému množství rotačních součástí na malém počtu os se mi však více zamlouval výpočet těžiště počítáním lineárních momentů. Vytvořil jsem si k tomu šablonu v Excelu, což mi práci značně usnadnilo. Po určení polohy těžiště bylo zapotřebí vypočítat síly působící v podpěrách. K tomu nebylo zapotřebí víc než jednoduchá momentová rovnice. Na výkrese bylo také zaznačeno umístění zvedacích lan a jejich úhel. Pro přepravu bylo nutné okótovat hlavní rozměry a rozměry vyčnívajících částí konstrukce, jako např. hrdla a podpěry. Výkres také obsahoval pokyny k transportu a informace o přepravním označení.
Obr. 8: Výřez z výkresu pro transport
4. Zhodnocení stáže Za necelé tři měsíce stáže u firmy H Project se značně rozšířily mé znalosti v oblasti konstrukce výměníků tepla. Tato stáž tak pro mě byla zajímavou sondou do procesního inženýrství, tedy oblasti částečně mimo mé energetické zaměření. Byla to také první zkušenost se zapracováním do rutinního běhu strojírenské firmy, což je pro čerstvého bakaláře k nezaplacení. Co rozhodně považuji za velký přínos, bylo výrazné zlepšení a zautomatizování práce v programu Autocad Mechanical a Inventor. Jsem také velice vděčný za získání kontaktů v oboru a možnost pokračovat ve spolupráci s firmou H Project např. o příštích prázdninách.
8
