VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MANUFACTURING TECHNOLOGY
VÝROBA POTRUBNÍHO SEGMENTOVÉHO KOLENA (R=1D) RUČNÍM OBLOUKOVÝM SVAŘOVÁNÍM PRODUCTION OF PIPE SECTION ELBOW (R=1D) WITH MANUAL METAL ARC WELDING
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS
AUTOR PRÁCE
JAN HRÁČEK
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2011
Ing. JAROSLAV KUBÍČEK
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav strojírenské technologie Akademický rok: 2010/2011
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Jan Hráček který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Strojírenská technologie (2303R002)
Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem c.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a Zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: Výroba potrubního segmentového kolena (R=1D) ručním obloukovým svařováním v anglickém jazyce: Production of Pipe Section Elbow (R=1D) with manual metal Arc Welding Stručná charakteristika problematiky úkolu: Úkol stanovuje technologii výroby segmentového potrubního kolena DN500 (konkrétně 508x14mm) svařováním (ruční, kombinace 141+111) Potrubní segmentové koleno je navrženo dle ČSN EN 13480 - Kovová průmyslová potrubí Cíle bakalářské práce: Stanovení vhodných přídavných materiálů fy. ESAB pro kombinované svařování segmentového kolena metodami 141+111 s ohledem na kvalitu produkovaných spojů. Vypracování technologického postupu, WPS a ekonomického posouzení.
Seznam odborné literatury: 1. DVOŘÁK, M. a kol. Technologie II, 2vyd. CERM Brno, 7/2004, 237s. ISBN 80-2142683-7 2. PILOUS,V. Materiály a jejich chování při svařování,1vyd. ŠKODA-WELDING, PLZEN, 2009 3. BARTÁK,J. Výroba a aplikované inženýrství, 1vyd. ŠKODA-WELDING, PLZEN, 2009 4. KOLEKTIV AUTORŮ. Materiály a jejich svařitelnost, 1vyd. Zeross, Ostrava 2001, 292s. ISBN 80-85771-85-3 5. KOLEKTIV AUTORŮ. Technologie svařování a zařízení, 1vyd. Zeross, Ostrava 2001, 395s. ISBN 80-85771-81-0 6. KOLEKTIV AUTORŮ. Navrhování a posuzování svařovaných konstrukcí a tlakových zařízení, 1vyd. Zeross, Ostrava 1999,249s. ISBN 80-85771-70-5 7. KOLEKTIV AUTORŮ. Výroba a aplikované inženýrství ve svařování, 1vyd. Zeross, Ostrava 2000, 214s. ISBN 80-85771-72-1
Vedoucí bakalářské práce: Ing. Jaroslav Kubíček Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2010/2011. V Brně, dne 18.11.2010
L.S.
_______________________________ prof. Ing. Miroslav Píška, CSc. Ředitel ústavu Dekan fakulty
_______________________________ prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc. Dekan fakulty
Abstrakt Bakalářská práce vypracovaná v rámci kombinovaného bakalářského studia oboru B-STG strojírenská technologie navrhuje technologii výroby potrubního segmentového kolena (R=1D) z bezešvé trubky DN500 (Ø508 x 14). V bakalářské práci jsou navrženy a technickoekonomicky zhodnoceny čtyři druhy svaru kombinací přídavných materiálů od firmy ESAB pro ruční obloukové svařování metodou 141 a 111. Konstrukční návrh segmentového potrubního kolene je proveden dle normy ČSN EN 13 480 – Kovová průmyslová potrubí. Svary na potrubním segmentovém kolenu jsou navrhovány a prováděny dle TPE 1040/1771/81 – Všeobecné technické podmínky pro montáž svařování potrubí elektráren typu – VVER platné na EMO 12 (elektrárna Mochovce 1. a 2. blok). Při konstrukci a modelování potrubního segmentového kolene s poloměrem (R=1D) bylo využíváno podpůrných programů firmy Autodesk.
Abstrakt This thesis is the final piece of work of a distant form of studies majoring in B-STG Machinery technology and proposes the technology of production of pipe section elbow (R=1D) from seamless pipe DN500 (Ø508 x 14). The thesis puts forward and evaluates from the technical-economical point of view four kinds of welds combining additional materials from ESAB company for manual metal arc welding using methods 141 and 111. The construction design is made by the ČSN EN 13 480 criteria – metal industrial pipes. The welds of pipe section elbow are designed and done by TPE 10-40/1771/81 – general technical rules of assembling welding pipes of powerplants VVER type valid for EMO 12 (Mochovce powerplant, units 1 and 2). For the construction and modeling of the pipe section elbow ratio (R=1D) programs by Autodesk were used.
Klíčová slova: potrubní segmentové koleno, ruční obloukové svařování,
Keywords: pipe elbow segment, manual metal arc welding,
HRÁČEK, J. Výroba potrubního segmentového kolena (R=1D) ručním obloukovým svařováním. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, ústav strojírenské technologie, 2011. 47 s., 26 příloh. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jaroslav Kubíček.
Čestné prohlášení Tímto prohlašuji, že předkládanou bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně, s využitím uvedené literatury a podkladů, na základě konzultací a pod vedením vedoucího bakalářské práce.
V Brně dne 16. května 2011
.…………………………. Jan Hráček
Poděkování Tímto děkuji svému vedoucímu panu Ing. Jaroslavu Kubíčkovi za cenné připomínky a rady týkající se zpracování bakalářské práce. Také bych chtěl poděkovat svým rodičům, kteří mě po dobu studia podporovali. Dále chci poděkovat firmě Chemcomex Praha, a.s., která mi umožnila zhotovení zkušebních vzorků a vyhodnocení NDT zkoušek.
Obsah 1
Úvod ............................................................................................................................ 11
2
Rozbor možnosti výroby ............................................................................................. 15
3
Úvod do technologie svařování................................................................................... 15
4
5
3.1.
Definice svařování ................................................................................................ 16
3.2.
Vznik svarového spoje kovových materiálů ........................................................ 16
3.3.
Fyzikální model procesů svařování a energetická bilance ................................... 17
3.4.
Princip svařování metodou WIG (Wolfram Inert Gas) ........................................ 18
3.5.
Princip svařování ručního obloukového svařování obalenou elektrodou ............ 19
3.5.1.
Funkce obalu elektrody ................................................................................. 19
3.5.2.
Druhy obalů elektrod ..................................................................................... 19
Základní konstrukční návrh svařovaného segmentového kolena ............................... 20 4.1.
Kategorie svarových spojů ................................................................................... 21
4.2.
Zvolený tvar svarového úkosu ............................................................................. 21
4.3.
Technologický postup svařování .......................................................................... 22
4.4.
Ověření nutnosti předehřevu pomocí určení uhlíkového ekvivalentu ................. 23
4.5.
Podmínky pro svařování ocelí s definovanými uhlíkovými ekvivalenty ............. 24
4.6.
Doba ochlazování t8/5 ........................................................................................... 24
Přínos a rozbor vhodných přídavných materiálů ........................................................ 26
6 Výběr atestovaných přídavných materiálů, chemické složení, mechanické vlastnosti základního materiálu a přídavných materiálů .......................................................................... 27
7
6.1.
Základní materiál potrubního segmentového kolene ........................................... 27
6.2.
Přídavný materiál svarů potrubního segmentového kolene ................................. 28
6.2.1.
Chemické složení přídavných materiálů........................................................ 28
6.2.2.
Mechanické vlastnosti přídavných materiálů ................................................ 28
Varianty kombinací průměrů přídavných materiálů ................................................... 28 7.1.1.
8
Provedení jednotlivých vrstev svarů .............................................................. 29
Vyhodnocení vzorků ................................................................................................... 38 8.1.
Vyhodnocení vzorku nedestruktivními kontrolami .............................................. 39
8.2.
Vyhodnocení časů a parametrů ............................................................................ 40
8.3.
Vyhodnocení rychlosti svařování jednotlivými kombinacemi ............................. 43
9 Technicko-ekonomické zhodnocení vhodné kombinace přídavných materiálů pro svary na potrubí DN500 systému PER v místnostech HSCHZ................................................ 44
9.1. Výrobní časy při výrobě segmentových kolen 30°-90° kombinacemi přídavných materiálů 44 9.2.
Celkový počet segmentových kolen v systémech PER20, 40, 60........................ 44
9.3.
Celková spotřeba výrobního času při výrobě segmentových kolen ..................... 44
9.4. Celková spotřeba výrobního času při svařování rovných kusů potrubí a segmentových kolen.............................................................................................................. 45 10
Závěr ........................................................................................................................... 47
1
Úvod
Tato bakalářská práce řeší problematiku technologie výroby, spotřeby přídavných materiálů a výrobních časů při výrobě segmentového kolene R=1D o rozměru Ø508 x 14 mm z uhlíkové oceli 12 022.1 dle ČSN 41 2022 (L290NB dle EN 10084-94). Segmentová kolena jsou použita v potrubním systému označeném PER20,40,60 (technická voda důležitá) pro HSCHZ (havarijní systém chlazení aktivní zóny) na JE Mochovce 3. a 4. blok (SR). Potrubí a segmentová kolena přivádějí vodu systému PER do tepelných výměníků, které v případě havárie, spojené s prasknutím potrubí hlavních cirkulačních smyček (DN500), chladí vodu primárního okruhu, která je přiváděna z hermetické zóny. Voda primárního okruhu je z hermetické zóny přiváděna do tepelných výměníků systému HSCHZ, kde je ochlazována systémem PER. Následně je čerpadly systému HSCHZ voda primárního okruhu zpět vracena do primárního okruhu respektive je nízkotlakým čerpadlem systému HSCHZ sprchována hermetická zóna. Nominální tlak v systému PER20,40,60 je 0,3 MPa. Maximální tlak v systému PER20,40,60 při havárii je na vstupu do chladičů HSCHZ 0,845 MPa a na výstupu z chladičů HSCHZ 0,711 MPa. Minimální teplota vody systému PER20,40,60 je 5 °C, maximální teplota v systému PER20,40,60 je 60 °C. Důvod výroby segmentového kolene je jeho malý poloměr zaoblení R=1D. Poloměr zaoblení R=1D je potřebný z důvodu nedostatku místa v místnostech, kde jsou instalovány. Dispozice jsou uvedeny na obrázcích 1, 2 a 3. Segmenty potrubního kolene jsou svařovány ručním obloukovým svařováním. Kořenové vrstvy svarových spojů jsou svařovány metodou WIG (metoda 141) z důvodu snadného ovládání oblouku a jistoty provaření kořenové vrstvy. Výplňové a krycí vrstvy jsou svařovány ruční obalovanou elektrodou (metoda 111). Tyto metody jsou schválené pro montáž svařování potrubí v elektrárnách typu VVER dle TPE 10-40/1771/2010 (Všeobecné technické podmínky pro montážní svařování vybraných zařízení jaderné části 3. a 4. bloku JE Mochovce). Při svařování potrubního segmentového kolene byly vyzkoušeny čtyři kombinace přídavných materiálů firmy ESAB. Svary těchto kombinací jsou označeny I., II., III. a IV.
[11]
Obr. č. 1 – Systém PER20 v místnosti A001/1 HSCHZ
[12]
Obr. č. 2 – Systém PER40 v místnosti A002/1 HSCHZ [13]
Obr. č. 3 – Systém PER60 v místnosti A003/1 HSCHZ
[14]
2
Rozbor možnosti výroby
Výroba potrubních segmentových kolen byla zvolena z důvodu nenormalizovaných ohýbaných potrubních kolen s poloměrem ohybu R=1D. Jednou z možností nahrazení segmentových kolen pro potrubní systémy jsou ohýbaná kolena nebo ohyby. Při montážích potrubí jsou většinou využívána ohýbaná kolena s poloměrem ohybu R=1,5D a ohyby s poloměrem ohybu R=3D, R=4D a R=5D. Tyto tvarovky jsou vyráběny na ohýbacích strojích viz obrázek č. 4. Menší průměry s menší tloušťkou stěny jsou z pravidla ohýbány za studena a větší průměry s větší tloušťkou stěny jsou pak ohýbány za tepla. Pokud z dispozičního hlediska nemohou být použity tvarovky s většími poloměry ohybu, je Obr. č. 4 – Indukční ohýbací stroj [6] nutné použít tvarovky s malými poloměry ohybu. K tomuto účelu jsou vyráběny potrubní segmentová kolena s poloměrem zaoblení R=1D. Pokud není objednáno větší množství tvarovek, je výroba ohýbaných tvarovek drahá, obzvláště pokud se jedná o malé poloměry zaoblení. Pro ohýbání tvarovek musí výrobce vyrobit přípravky, které, pokud již nejsou vyrobeny, prodražují celkovou cenu tvarovek obzvláště pak při malém množství.
3
Úvod do technologie svařování [1]
Svařování patří do strojírenské technologie vedle plošného a objemového tváření, obrábění, povrchových úprav a dalších technologií. Co do rozsahu nepředstavuje technologie svařování největší objem mezi technologiemi, rozhodně však patří mezi strojírenské technologie zpracovávající největší objem kovových materiálů tvářených i litých. Až do 19. století bylo jedinou metodou svařování kovářské svařování. Teprve koncem minulého století byly rozvinuty tři základní metody svařování: elektrickým obloukem, plamenové a odporové svařování. Tyto metody svařování byly zkoumány v 80. letech 19. století a později byly aplikovány v průmyslové praxi. Technologie svařování je v dnešním průmyslu používána téměř ve všech jeho odvětvích. Za rozvojem technologie svařování stojí stále větší požadavky kladené na kvalitu svarových spojů požívaných ve vlajkových odvětvích průmyslu, jako jsou automobilový průmysl, klasická a jaderná energetika, chemický průmysl a letecký průmysl.
[15]
3.1.
Definice svařování [1 ]
Svařováním kovů a jejich slitin vznikají nerozebíratelná spojení pomocí soustředěného tepla, tlaku, případně obojím. Svařování probíhá buď s použitím, nebo bez použití přídavného materiálu, stejného, či podobného chemického složení jako spojované materiály. Při výběru přídavných materiálů je nutné zohlednit, aby přídavný materiál měl stejné nebo lepší mechanické vlastnosti jako spojované materiály. Spojení nastane působením meziatomových sil, vazeb na teplem nebo tlakem aktivovaných svarových plochách, které jsou v oblasti svařování v plastickém nebo roztaveném stavu. Pevné látky mohou mít různé typy vazeb odpovídající různým typům rozložení elektronů a iontů. Ionty v atomu u různých typů vazeb jsou uspořádány tak, aby potenciální energie krystalu byla co nejmenší. Kovové krystaly ( Cu, Fe, Ag, Mo atd..) vznikají v důsledku vazby, která je označována jako kovová vazba. Základní představou je existence tzv. mraku valenčních (volných) elektronů, které mohou přecházet volně od atomu k atomu. Ke kovové vazbě dochází tehdy, je-li přitahování mezi kovovými ionty a elektronovým mrakem vyšší nežli vzájemné odpuzování elektronů v tomto mraku. Ionty jsou uspořádány podle přesně definovaného rozložení, podle něhož v pevných látkách existují mezi ionty síly přitažlivé a síly odpudivé, tzv. síly s krátkým dosahem.
3.2.
Vznik svarového spoje kovových materiálů [1]
Současné metody mechanického opracování povrchů kovových materiálů, včetně nejpřesnějších technologií, jako je leštění a honování, nemohou zajistit takovou přesnost, která by umožnila při vzájemném styku dvou opracovaných ploch přiblížení všech míst ploch na meziatomovou vzdálenost tj. asi 5.10-8 cm. Nejvyšší přesnost opracování je možné docílit rovinnosti povrchu v rozmezí 10-4 až 10-6cm. Přiblížením takto opracovaných ploch se však mohou uplatnit meziatomové vazby pouze v jednotlivých bodech, představujících pouze nepatrnou část z celkové stykové plochy. Praktickým příkladem jsou Johansonovy měrky s kvalitně opracovanými plochami, které po správném nasunutí na sebe zůstávají spojené.
Obr. č. 5 – Schéma spojení a svaření dvou povrchů plastických kovových těles v pevném stavu a) Stav po opracování povrchu, bez následného stlačení b) Stav po aplikaci tlaku, vyvolaná plastická deformace a stlačení výstupků c) Stav po difúzi, rekrystalizaci a překrystalizaci kovu v místě vzniku svarového spoje
[16]
Aby se na povrchu dvou spojovaných částí polykrystalů nebo monokrystalů ve výchozím stavu mohly uskutečnit vzájemné vazby na celém povrchu, je nutno použít dostatečně vysoký tlak ve směru šipek ke stlačení výstupků a uskutečnit tak lokální plastickou deformaci viz obrázek č. 5. Ke vzniku svarového spoje však nemůže samovolně dojít bez dodání potřebné aktivační energie a je nutno dodat aktivační energii potřebnou pro překonání bariéry potenciální energie soustavy atomů povrchových vrstev. Pro vznik svarového spoje za těchto vytvořených podmínek je třeba dvoufázového procesu a to: I.
Fáze – rozvoj fyzikálního kontaktu (přiblížení svarových ploch na vzdálenost, která je nutná pro uplatnění interakcí),
II. Fáze – energetická interakce, která ukončuje vznik spoje.
3.3.
Fyzikální model procesů svařování a energetická bilance [1]
Proces svařování vyžaduje aktivaci procesu dodáním aktivační energie pro překonání bariery potenciální energie, která je významná zejména při existujícím znečištění povrchů spojovaných částí. V obecném případě lze pro proces svařování použít následující formy aktivační energie: a) Teplota, tzv. termická aktivace, b) Pružná a plastická deformace, tzv. mechanická aktivace, c) Elektronové nebo iontové ozáření, tzv. radiační aktivace.
Wo – potenciální energie nutná pro změnu polohy iontu uvnitř krystalu Wp – vliv povrchu krystalu na velikost potenciální energie (energie nutná pro změnu polohy iontu) Wr – potenciální energie na rozhraní tuhé a kapalné fáze Obr. č. 6 – Znázornění významu aktivační energie pro vznik svarového spoje a) Stav uprostřed monokrystalu b) Stav na hranici monokrystalu mezi tuhou a tekutou fází. [17]
3.4.
Princip svařování metodou WIG (Wolfram Inert Gas) [1]
Při svařování metodou WIG hoří oblouk mezi netavící se wolframovou elektrodou a základním materiálem. Ochranu elektrody a tavné lázně před okolní atmosférou zajišťuje netečný plyn o velmi vysoké čistotě minimálně 99,995 %. Používá se argonu, hélia či jejich směsí. Svařování je možné realizovat s přídavným materiálem ve formě drátu ručním způsobem, nebo automatické svařování s podavačem drátu s poměrnou rychlostí jeho podávání dle postupu svařování WPS. Svařování metodou WIG má výrazný růst objemu svářečských aplikací, což se připisuje vysoké kvalitě spojů, operativnosti řízení procesu svařování a vysokému stupni automatizace a robotizace.
Obr. č. 7 – Princip svařování netavící se elektrodou v inertním plynu – WIG [1] Svařování metodou WIG má oproti jiným metodám tavného svařování tyto metalurgické a technologické výhody: a) inertní plyn zabezpečuje efektivní ochranu svarové lázně a přehřáté oblasti základního materiálu před účinky vzdušného kyslíku, b) inertní plyn zabraňuje propalu prvků a tím i vzniku strusky – výsledkem je čistý povrch svaru, c) vytváří velmi příznivé formování svarové housenky na straně povrchu i kořenové části svaru, d) nevyžaduje použití tavidel, ale lze je použít, e) vytváří elektrický oblouk vysoké stability v širokém rozsahu svařovaných proudů, f) zajišťuje vysokou operativnost při svařování v polohách, g) zabezpečuje svary vysoké celistvosti i na materiálech náchylných na naplynění a oxidaci při zvýšených teplotách, h) jednoduchá obsluha a přesná regulace parametrů svařování, [18]
i) svarová lázeň je viditelná a snadno ovladatelná, j) možnost velmi přesného dávkování množství tepla vneseného do svaru, k) svařovací oblouk je velmi flexibilní magnetickým polem.
- jeho tvar a směs lze snadno ovládat
Princip svařování ručního obloukového svařování obalenou elektrodou[1]
3.5.
Při svařování elektrickým obloukem je využíván jako zdroj tepla elektrický oblouk, který hoří mezi elektrodou a základním materiálem. Nejčastěji je používána elektroda obalená. Svařování obalenými elektrodami je jednou z mnoha modifikací svařování elektrickým obloukem. Elektrický oblouk využívaný pro svařování je možné charakterizovat jako elektrický výboj, který hoří za normální teploty a normálního tlaku. Další charakteristické rysy této metody: lze svařovat v podstatě Obr. č. 8 – Princip svařování ruční obalenou elektrodou – ROE [8] všechny svařitelné materiály a ve všech polohách, svařovací proud 10 až 400 A, napětí na elektrickém oblouku 10 až 50 V. Teplota elektrického oblouku se pohybuje kolem cca 5000 °C
3.5.1. Funkce obalu elektrody [10] Obal elektrody má plynotvornou a metalurgickou funkci. Při hoření oblouku dochází ke spalování tavidla z obalu elektrody a tím vytváří ochrannou atmosféru bránící vzdušnému kyslíku a dusíku přístupu do svarové lázně. Z hlediska metalurgického dochází k rafinaci svarového kovu a dodává propalované prvky (Mo, Ti, Si, Cr). Legující prvky nemusí být pouze v obalu elektrody, ale i v samotném jádru elektrody.
3.5.2. Druhy obalů elektrod [10] Obalované elektrody jsou vyráběny s více druhy obalů. Přesné složení obalu si výrobci obalovaných elektrod hlídají. Obaly elektrod:
Bazický (B)
Rutil-kyselý (RA)
Rutilový (R)
Rutil-bazický (RB)
Kyselý (A)
Tlustostěnný rutilový (RR)
Celulosový (C)
[19]
Mezi nejvíce využívané patří bazické obaly, které se uplatňují při požadavku na vyšší plasticitu svarového spoje. Elektrody s bazickým obalem jsou vhodné pro svařování ve všech polohách.
4
Základní konstrukční návrh svařovaného segmentového kolena
Základní konstrukční návrh svařovaného segmentového kolena vychází z normy ČSN EN 13 480 – Kovová průmyslová potrubí. Velikost rádiusu (R=1D) je z důvodu dispozičního umístění potrubí systému PER v místnostech A001, A002 a A003, ve kterých je umístěn systém HSCHZ. Segmentové koleno DN500 90° se skládá ze 4 segmentů dělených z bezešvé trubky DN500 (Ø508 x 14) na pásové pile. Druhý a čtvrtý segment jsou oproti poloze prvního a třetího segmentu otočeny o 180°, čímž ve výsledku tvoří segmentové koleno s rádiusem R=1D. Před sestavením jsou na jednotlivých segmentech opracovány svarové plochy dle Obr.č. 9 – Pásová pila pro dělení segmentů pWPS (předběžný postup svařování).
Obr. č. 10 – Segmentové koleno R=1D, 90° [9] Minimální tloušťka potrubí bez přídavku na korozi je navržena dle níže uvedených vzorců z normy ČSN EN 13 480. Potrubní segmentové koleno je počítáno na tlak 1,6 MPa a teplotu 100 °C. Výpočet dovoleného namáhání:
R p 02 100C R m 100C 235 410 f min ; ; min min 156,66;170,83 MPa 2,4 1,5 2,4 1,5 f – Dovolené namáhání [MPa] Rp 02 100°C – Smluvní mez kluzu při teplotě 100°C [MPa] Rm 100°C – Mez pevnosti při teplotě 100°C [MPa]
[20]
(4.1)
Výpočet minimální tloušťky stěny bez přídavků při podmínce Do/Di 1,7: Do/Di = 508/480 = 1,058
t min
(4.2)
pc Do 1,6 508 3,03 mm 2 f z p c 2 156,66 0,85 1,6
(4.3)
tmin – Výpočtová tloušťka stěny [mm] Do – Vnější průměr potrubí [mm] f – Dovolené namáhání [MPa] pc – Výpočtový tlak [MPa] z – Součinitel hodnoty spoje (pro dané segmentové koleno je součinitel 0,85) [-] nebo
t min
p c Di 1,6 480 2,90 mm 2 f z p c 2 156,66 0,85 1,6
(4.4)
tmin – Výpočtová tloušťka stěny [mm] Di – Vnitřní průměr potrubí [mm] f – Dovolené namáhání [MPa] pc – Výpočtový tlak [MPa] z – Součinitel hodnoty spoje (pro dané segmentové koleno je součinitel 0,85) [-] Minimální tloušťka stěny potrubí dle vzorce 4.3 je 3,03 mm bez přídavků na korozi. Navržená tloušťka potrubního segmentového kolene 14 mm tedy vyhovuje
4.1.
Kategorie svarových spojů
Svarové spoje, kterými jsou svařovány segmentové kolena pro systém PER v místnostech HSCHZ jsou zařazeny do kategorie III.c dle TPE 10-40/1771/2010 – Všeobecné technické podmínky pro montáží svařování vybraných zařízení jaderné části 3. a 4. bloku JE Mochovce. Pro svarové spoje spadající do kategorie III.c jsou dle výše uvedených technických podmínek předepsány nedestruktivní zkoušky v rozsahu 100 % VT 0 % PT a 10 % RT. Největší přípustná délka ojedinělé necelistvosti je 1,5 mm pro tloušťku potrubí 14 mm. Největší přípustný počet ojedinělých necelistvostí na libovolných 100 mm délky svaru je 5 ks pro tloušťku stěny 14 mm.
4.2.
Zvolený tvar svarového úkosu
Zvolený tvar svarového úkosu byl zvolen dle pWPS, která vychází z Technických podmínek TPE 10-40/1771/2010. Tvar úkosu je proveden pro svár typu V bez otupení.
[21]
ØD
508 mm
t
14 mm
b
1-5 mm
c
0-1 mm
α
60±5°
Obr. č. 11 – Úkos pro svár typu V Ø D – Průměr trubky [mm] t – Tloušťka trubky [mm] b – Velikost mezery úkosu [mm] c – Velikost otupení úkosu [mm] α– Úhel úkosu [°]
Obr. č. 12 – Úkos pro svár typu V
4.3.
Technologický postup svařování
Segmenty jsou zaaretovány mezi sebou vložením čtyř kusů kulatiny o průměru 18 mm a délce cca 50 mm do jednotlivých úkousů. Kulatina je přivařena ke každému segmentu stehovým svarem. Po sestavení segmentového kolene, zaaretování a kontrole tvaru kolene se zavaří kořenové vrstvy svarů metodou 141. Kořenové vrstvy se svařují v různých místech otočených proti sobě o 180°, aby nedocházelo k rozevírání úkosu a případnému odtržení aretačních kulatin od segmentů. Po zavaření kořenové vrstvy se aretační kulatiny odříznou a dovaří se celková kořenová vrstva.
[22]
Po svaření kořenových vrstev se svařují výplňové a krycí vrstvy metodou 111. Jednotlivé výplňové vrstvy svařujeme stejným způsobem jako kořenové vrstvy, aby nedošlo následkem stahování k roztržení kořenové vrstvy. Krycí vrstvy mohou být svařeny v celku po celém obvodu, protože již nehrozí roztržení sváru v důsledku stažení. Pro svaření svarů se používají běžné svářečky. Pro konkrétní zhotovení svarových spojů byly použity svářečky od firmy Fronius, typ Trans Tig 1700 G/F.
Obr.č. 13 – Zaaretování segmentů
Obr.č. 14 – Svařečka Fronius, typ Trans Tig Job 1700 G/F
4.4.
Ověření nutnosti předehřevu pomocí určení uhlíkového ekvivalentu [2]
Jedno z možných hledisek posouzení komplexní charakteristiky oceli pro danou součást je určení tzv. ekvivalentního obsahu uhlíku Ce. Dle tohoto uhlíkového ekvivalentu můžeme určit, zda je nutné tepelné zpracování pro danou ocel. Pro oceli o obsahu uhlíku ≤ 0,22 hm. % lze provádět svařování bez zvláštních opatření, přičemž ekvivalentní obsah uhlíku C e ≤ 0,50 je počítán dle rovnice (4.1):
Ce C
Mn Cr Ni Mo Cu P 0,0024 t % 6 5 15 4 13 2
(4.5)
Ce – uhlíkový ekvivalent t – tloušťka stěny svařovaného materiálu [mm] Tato rovnice platí pouze pro materiály s obsahem prvků do : C = 0,22 hm. %, Mn = 1,6 hm. %, Cr = 1 hm. %, Ni = 3,0 hm. %, V = 0,14 hm. %, Cu = 0,30 hm. % [2] . Podle chemického složení oceli 12 022.1 (L290NB) je možné tuto rovnici použít pro danou ocel.
C e 0,22
0,8 0,25 0,25 0 0,25 0,04 0,0024 14 0,4928 % 6 5 15 4 13 2
(4.6)
Uhlíkový ekvivalent Ce = 0,4928 ≤ 0,50. Dle tohoto porovnání je stanoveno, že pro uhlíkovou ocel 12 022.1 (L290NB) s tloušťkou stěny 14 mm nemusíme použít předehřev. Tepelné zpracování segmentů potrubního segmentového kolene před a po svařování není nutná. [23]
4.5.
Podmínky pro svařování ocelí s definovanými uhlíkovými ekvivalenty[7] Pro stanovení hodnot předehřevu použijeme graf č. 1 z normy ČSN EN 1011-2. Z tohoto grafu je patrné, že pro ocel 12 022.1 (L290NB) s kombinovanou tloušťkou 28 mm, definovaným uhlíkovým ekvivalentem Ce = 0,4928 a vneseným teplem Qs ≤ 3 kJ . mm-1 není nutný předehřev, protože se dostáváme za křivku minimální teploty předehřevu.
Graf. č.1-podmínky pro svařování ocelí s definovanými uhlíkovými ekvivalenty [7] 1 – Kombinovaná tloušťka [mm] (pro potrubní segmentové koleno je kombinovaná tloušťka t1 + t2 = 14 + 14 = 28 mm) 2 – Vnesené teplo [kJ . mm-1] – výpočet vneseného tepla kap. 4.6 3 – Minimální teplota předehřevu [°C] 4 – Stupeň obsahu vodíku (D ≤ 5 ml . 100 g-1) dle ČSN EN 1011-2 5 – Použitelné pro hodnoty uhlíkového ekvivalentu nepřevyšující
4.6.
Doba ochlazování t8/5 [7]
Na mechanické vlastnosti svarového spoje mají významný vliv teplotní a časové cykly při svařování. Tyto teplotní a časové cykly jsou dány tvarem svarového spoje, tloušťkou svařovaných materiálů, tepelným příkonem v průběhu svařování a teplotou předehřevu. Pro vyjádření teplotně časového cyklu jednotlivé svarové housenky v průběhu svařování se obvykle volí čas ochlazování t8/5. Čas t8/5 je čas spotřebovaný při ochlazování, během kterého svarová housenka a tepelně ovlivněná oblast svarové housenky projde teplotami od 800 do 500 °C. Zkrácení času ochlazování t8/5 vede ke snížení houževnatosti, přičemž míra zhoršení houževnatosti závisí na typu oceli a jejím chemickém složení. Doba ochlazování se vypočítá ze vzorce: t8/5
2 2 2 Q s 1 1 F2 [s] (4300 4,3 T0 ) 10 2 t 500 T0 800 T0 5
[24]
(4.7)
t8/5 – Čas ochlazování (z 800 na 500 °C) [s] Qs – Specifické vnesené teplo [kJ . mm-1] t – Tloušťka stěny [mm] T0 – Počáteční teplota svařovaného materiálu [°C] (v době svařování byla teplota T0 8 °C) F2 – součinitel tvaru [-] (mezi housenkami u tupých svarů 0,9 dle normy ČSN EN 1011-2) Pro výpočet teploty ochlazování t8/5 je nutné spočítat zkušební postupnou rychlost svařování vs zkušební [mm . min-1] a zkušební specifické vnesené teplo Qs zkušební [kJ . mm-1] na kořenové vrstvě. Hodnoty pro výpočet použijeme z tabulky č. 8, 9, 10 a 11. Zkušební postupná rychlost svařování je definována vztahem:
v s zkušební
s mm min 1 t
(4.8)
vs – postupná rychlost svařování [mm . min-1] s – délka svaru [mm] t – čas svařování [min] s 780 vs zkušebnís var I. 35,43 mm min 1 t 22,01
(4.9)
vs zkušebnís var II.
s 782 41,93 mm min 1 t 18,65
(4.10)
vs zkuševnís var III.
s 784 54,78 mm min 1 t 14,31
(4.11)
vs zkušebnís var IV.
s 784 48,24 mm min 1 t 16,25
(4.12)
Zkušební specifické vnesené teplo do základního materiálu je definováno vztahem: Q s zkušební
U I 60 kJ mm 1 v s 1000
(4.13)
Qs – Specifické vnesené teplo [kJ . mm-1] U – Napětí elektrického oblouku [V] I – Proud v elektrickém oblouku [A] η – Účinnost [-] vs – postupná rychlost svařování [mm . min-1]
[25]
Q s zkušební s var I.
U I 60 11 98 0,85 60 1,55 kJ mm 1 v s zkušební 1000 35,43 1000
(4.14)
Q s zkušební s var II.
U I 60 11,3 111 0,85 60 1,52 kJ mm 1 v s zkušební 1000 41,93 1000
(4.15)
Q s zkušební s var III.
U I 60 11,6 119 0,85 60 1,28 kJ mm 1 v s zkušební 1000 54,78 1000
(4.16)
Q s zkušební s var IV.
U I 60 11,1 120 0,85 60 1,41 kJ mm 1 v s zklušební 1000 48,24 1000
(4.17)
Čas ochlazování t8/5 vychází u jednotlivých svarů takto:
1,55 2 14 2
1 2 1 2 0,9 11,93 s 500 8 800 8
(4.18)
1,52 2 14 2
1 2 1 2 0,9 11,48 s 500 8 800 8
(4.19)
1,28 2 14 2
1 2 1 2 0,9 8,14 s 500 8 800 8
(4.20)
1,412 (4300 4,3 8) 10 2 14
1 2 1 2 0,9 9,89 s 500 8 800 8
(4.21)
t 8 / 5s var I. (4300 4,3 8) 10 5
t 8 / 5s var II. (4300 4,3 8) 10 5
t 8 / 5s var III. (4300 4,3 8) 10 5
t 8 / 5s var IV.
5
5
Přínos a rozbor vhodných přídavných materiálů
Při svařování segmentů potrubního segmentového kolena je používáno obloukové svařování s použitím přídavných materiálů. Přídavné materiály ve svaru mají příznivý vliv. Samotný svár a zředěný základní materiál jsou dolegovávány prvky, které jsou obsaženy v přídavných materiálech.
[26]
Pro svařování potrubního segmentového kolene z uhlíkové oceli 12 022.1 (L290NB) je možné použít přídavné materiály, které jsou používané a atestované pro jadernou energetiku (SR), jako jsou přídavné materiály od firmy ESAB a Böhler. Tab. č.1-Přehled vhodných přídavných materiálů pro svařování oceli 12 022.1 (L290NB) Metoda
ESAB
Böhler
WIG (141)
OK Tigrod 12.60
EMK 6
ROE (111)
OK 48.00 N
FOX EV 50
Pro svařování potrubního segmentového kolene bylo použito přídavných materiálů od firmy ESAB, které jsou schválené pro použití v jaderné energetice (SR) a byly vybrány jako vhodné dodavatelem jaderného ostrova.
Výběr atestovaných přídavných materiálů, chemické složení,
6
mechanické vlastnosti základního materiálu a přídavných materiálů Výběr atestovaných přídavných materiálů pro ruční obloukové svařování potrubního segmentového kolene od firmy ESAB byl zvolen dle schválené svařovací dokumentace. Pro svařování kořenových vrstev testovaných svarů byly jako přídavné materiály zvoleny dráty OK Tigrod 12.60 o průměrech Ø1,6 mm; Ø2 mm; Ø2,4 mm. Pro výplně a krycí vrstvy svarů byly zvoleny obalené elektrody OK 48.00 N o průměrech Ø2,5 mm; Ø3,2 mm; Ø4 mm. Označení N u obalených elektrod OK 48.00 značí výběr z taveb určených pro jadernou energetiku.
6.1.
Základní materiál potrubního segmentového kolene
Při svařování potrubního segmentového kolene je jako základní materiál použita uhlíková ocel označená dle ČSN 12 022.1 (L290NB). Tato ocel je vhodná pro potrubí energetických a chemických zařízení. Ekvivalent uhlíkové oceli 12 022.1 (L290NB) je dle normy DIN 1.1142. V normě ASME jde o ekvivalenty Gr.A1. Tento materiál je volen v elektrárnách pro potrubí, kterým protékají neagresivní a neradioaktivní média (např. demineralizovaná voda, vzduch, olej, apod.). Důvodem používání oceli 12 022.1 (L290NB) je zaručená minimální hodnota meze kluzu za vyšších teplot. Tab. č.2-chemické složení základního materiálu Prvek C Cr Cu Mn Ni P S Si Fe
% 0,15 - 0,22 ≤ 0,25 ≤ 0,25 0,5 - 0,8 ≤ 0,25 ≤ 0,04 ≤0,04 0,17 – 0,37 zbytek [27]
Tab. č.3-mechanické vlastnosti základního materiálu Mez kluzu Re Smluvní mez kluzu Rp 0,2 při 20 °C Mez pevnosti Rm Modul pružnosti E při 20 °C Tažnost A5 Vrubová houževnatost KCU 3 Tvrdost
≥ 255 MPa ≥ 255 MPa 440 – 570 MPa ≥ 206 GPa ≥ 21% ≥ 59 J . cm-2 ≤ 175 HB
Přídavný materiál svarů potrubního segmentového kolene
6.2.
Při svařování potrubního segmentového kolene je používáno schválených přídavných materiálů pro ruční obloukové svařování OK Tigrod 12.60 a OK 48.00 N od firmy ESAB.
6.2.1. Chemické složení přídavných materiálů [5] Tab. č.4-chemické složení přídavného materiálu OK Tigrod 12.60 fy. ESAB Prvek C Si Mn Fe
Tab. č.5-chemické složení přídavného materiálu OK 48.00 N fy. ESAB
% 0,1 0,6 1,1 zbytek
Prvek C Si Mn P S Fe
% 0,06 0,5 1,2 0,02 0,015 zbytek
6.2.2. Mechanické vlastnosti přídavných materiálů [5] Tab. č.6-mechanické vlastnosti přídavného materiálu OK Tigrod 12.60 fy. ESAB Mez kluzu Re Mez pevnosti Rm Tažnost A5 Vrubová houževnatost KCU 3 při -30 °C
7
Tab. č.7-mechanické vlastnosti přídavného materiálu OK 48.00 N fy. ESAB
420 MPa 515 MPa 26% 90 J . cm-2
Mez kluzu Re Mez pevnosti Rm Tažnost A5 Vrubová houževnatost KCU 3 při -30 °C
445 MPa 540 MPa 29% 90 J . cm-2
Varianty kombinací průměrů přídavných materiálů
Při svařování byly svařeny čtyři pokusné svary s různými kombinacemi průměrů přídavných materiálů OK Tigrod 12.60 (pro kořenové vrstvy) a OK 48.00 N (pro výplně a krycí vrstvy). Byly zvoleny následující kombinace: I. Kořenová vrstva OK Tigrod 12.60, průměr drátu Ø1,6 mm. Výplňové vrstvy OK 48.00 N, průměr elektrody Ø2,5 mm. Krycí vrstvy OK 48.00 N, průměr elektrody Ø3,2 mm.
[28]
II. Kořenová vrstva OK Tigrod 12.60, průměr drátu Ø2 mm. Výplňové vrstvy OK 48.00 N, průměr elektrody Ø2,5 mm. Krycí vrstvy OK 48.00 N, průměr elektrody Ø3,2 mm. III. Kořenová vrstva OK Tigrod 12.60, průměr drátu Ø2,4 mm. Výplňové vrstvy OK 48.00 N, průměr elektrody Ø2,5 mm. Krycí vrstvy OK 48.00 N, průměr elektrody Ø3,2 mm. IV. Kořenová vrstva OK Tigrod 12.60, průměr drátu Ø2,4 mm. Výplňové vrsvy OK 48.00 N, průměr elektrody Ø3,2 mm. Krycí vrstvy OK 48.00 N, průměr elektrody Ø4 mm.
7.1.1. Provedení jednotlivých vrstev svarů Na obrázku č. 15 až 42 je zobrazeno provedení jednotlivých kořenových, výplňových a krycích vrstev svarů kombinacemi průměrů přídavných materiálů I., II., III. a IV.
Obr. č.15-kořenová vrstva svaru č. I., přídavný materiál OK Tigrod 12.60 Ø1,6 mm
Obr. č.16-1. výplň svaru č. I., přídavný materiál OK 48.00 N Ø2,5 mm
[29]
Obr. č.17-2. výplň svaru č. I., přídavný materiál OK 48.00 N Ø2,5 mm
Obr. č.18-3. výplň svaru č. I., přídavný materiál OK 48.00 N Ø2,5 mm
Obr. č.19-1. krycí vrstva svaru č. I., přídavný materiál OK 48.00 N Ø3,2 mm
[30]
Obr. č.20-2. krycí vrstva svaru č. I., přídavný materiál OK 48.00 N Ø3,2 mm
Obr. č.21-označení svaru č. I. pro identifikaci
Obr. č.22-kořenová vrstva svaru č. II., přídavný materiál OK Tigrod 12.60 Ø2 mm
[31]
Obr. č.23-1. výplň svaru č. II., přídavný materiál OK 48.00 N Ø2,5 mm
Obr. č.24-2. výplň svaru č. II., přídavný materiál OK 48.00 N Ø2,5 mm
Obr. č.25-3. výplň svaru č. II., přídavný materiál OK 48.00 N Ø2,5 mm [32]
Obr. č.26-1. krycí vrstva svaru č. II., přídavný materiál OK 48.00 N Ø3,2 mm
Obr. č.27-2. krycí vrstva svaru č. II., přídavný materiál OK 48.00 N Ø3,2 mm
Obr. č.28-označení svaru č. II. pro identifikaci
[33]
Obr. č.29-kořenová vrstva svaru č. III., přídavný materiál OK Tigrod 12.60 Ø2,4 mm
Obr. č.30-1. výplň svaru č. III., přídavný materiál OK 48.00 N Ø2,5 mm
Obr. č.31-2. výplň svaru č. III., přídavný materiál OK 48.00 N Ø2,5 mm
[34]
Obr. č.32-3. výplň svaru č. III., přídavný materiál OK 48.00 N Ø2,5 mm
Obr. č.33-4. výplň svaru č. III., přídavný materiál OK 48.00 N Ø2,5 mm
Obr. č.34-krycí vrstva svaru č. III., přídavný materiál OK 48.00 N Ø3,2 mm
[35]
Obr. č.35-označení svaru č. III. pro identifikaci
Obr. č.36-kořenová vrstva svaru č. IV., přídavný materiál OK Tigrod 12.60 Ø2,4 mm
Obr. č.37-1. výplň svaru č. IV., přídavný materiál OK 48.00 N Ø3,2 mm
[36]
Obr. č.38-2. výplň svaru č. IV., přídavný materiál OK 48.00 N Ø3,2 mm
Obr. č.39-3. výplň svaru č. IV., přídavný materiál OK 48.00 N Ø3,2 mm
Obr. č.40-1. krycí vrstva svaru č. IV., přídavný materiál OK 48.00 N Ø4 mm
[37]
Obr. č.41-2. krycí vrstva svaru č. IV., přídavný materiál OK 48.00 N Ø4 mm
Obr. č.42-označení svaru č. IV. pro identifikaci
8
Vyhodnocení vzorků
Potrubní segmentové koleno je do potrubního systému PER dodáváno jako hotový výrobek a protože svarové spoje segmentového potrubního kolene vychází z technických podmínek TPE 10-40/1771/2010, je toto koleno podrobeno nedestruktivním zkouškám dle těchto podmínek. Pokud potrubní segmentové koleno není podrobeno hydrostatické pevnostní tlakové zkoušce o 1,43 násobku maximálního provozního tlaku a nedestruktivním zkouškám dle technických podmínek, je povoleno dle těchto technických podmínek nahradit hydrostatickou pevnostní tlakovou zkoušku nedestruktivními zkouškami dle normy
[38]
ČSN EN 13 480-5 -Kovová průmyslová potrubí – Část 5: Kontrola a zkoušení, v rozsahu MT/VT-100 %, PT-100 % (kapilární zkouška) a UT/RT-100 %.
8.1.
Vyhodnocení vzorku nedestruktivními kontrolami
Po zavaření svarů I., II., III., IV. byly na těchto svarech provedeny nedestruktivní kontroly svarů v rozsahu VT-100 %, PT-100 % a RT-100%. Svary I., II., III., IV byly vyhodnoceny jako vyhovující. Protokoly z nedestruktivních kontrol jsou uvedeny v příloze.
Obr. č. 43 – Část rentgenového snímku svaru č. I.
Obr. č. 44 – Část rentgenového snímku svaru č. II.
[39]
Obr. č. 45 – Část rentgenového snímku svaru č. III.
Obr. č. 46 – Část rentgenového snímku svaru č. IV.
8.2.
Vyhodnocení časů a parametrů
Časová náročnost svarů při použití výše uvedených kombinací přídavných materiálů byla zkoušena na půlce jednoho svaru segmentového kolene. Vyhodnocení spotřeby času a základní parametry při svařování kořenových, výplňových a krycích vrstev pro jednotlivé kombinace průměrů přídavných materiálů jsou uvedeny v tabulkách č. 8 až 11.
[40]
Tab. č.8-vyhodnocení spotřeby času pro svár č. I. Svar č. Vrstva I. (metoda)
Proud Napětí [A] [V]
Průtok ochranného plynu [l . min-1]
Čas
Délka [h:mm:ss:ts] svaru [mm]
Přídavný materiál
OK Tigrod
Kořenová vrstva (WIG-141)
98
Výplň (111)
90
23,2
-
0:10:49:89
790
Výplň (111)
100
24
-
0:14:21:30
800
Výplň (111)
100
24
-
0:21:27:38
810
Krycí vrstva (111)
135
24,5
-
0:07:14:23
815
Krycí vrstva (111)
135
23,9
-
0:07:01:01
815
1:22:55:21
4810
11
13
0:22:01:40
780
12.60 Ø1,6 mm
Σ
OK 48.00 N Ø2,5 mm OK 48.00 N Ø2,5 mm OK 48.00 N Ø2,5 mm OK 48.00 N Ø3,2 mm OK 48.00 N Ø3,2 mm
Tab. č.9-vyhodnocení spotřeby času pro svár č. II. Svar č. Vrstva II. (metoda)
Proud Napětí [A] [V]
Průtok ochranného plynu [l . min-1]
Čas
Délka [h:mm:ss:ts] svaru [mm]
Přídavný materiál
OK Tigrod
Kořenová vrstva (WIG-141)
111
Výplň (111)
90
23,3
-
0:10:08:20
790
Výplň (111)
100
23,9
-
0:12:53:29
800
Výplň (111)
100
26
-
0:22:33:94
810
Krycí vrstva (111)
135
24
-
0:07:38:96
815
11,3
13
0:18:39:24
782
12.60 Ø2 mm
[41]
OK 48.00 N Ø2,5 mm OK 48.00 N Ø2,5 mm OK 48.00 N Ø2,5 mm OK 48.00 N Ø3,2 mm
Krycí vrstva (111)
135
23,9
-
Σ
0:06:57:44
815
1:18:51:07
4812
OK 48.00 N Ø3,2 mm
Tab. č.10-vyhodnocení spotřeby času pro svár č. III. Svar č. Vrstva III. (metoda)
Proud Napětí [A] [V]
Průtok ochranného plynu [l . min-1]
Čas
Délka [h:mm:ss:ts] svaru [mm]
Přídavný materiál
OK Tigrod
Kořenová vrstva (WIG-141)
119
Výplň (111)
90
23
-
0:11:29:93
790
Výplň (111)
90
22
-
0:14:35:85
800
Výplň (111)
95
23
-
0:14:34:29
810
Výplň (111)
97
23,8
-
0:12:27:01
812
Krycí vrstva (111)
145
23
-
0:10:18:60
815
1:17:43:36
4811
11,6
12
0:14:18:68
784
12.60 Ø2,4 mm
Σ
OK 48.00 N Ø2,5 mm OK 48.00 N Ø2,5 mm OK 48.00 N Ø2,5 mm OK 48.00 N Ø2,5 mm OK 48.00 N Ø3,2 mm
Tab. č.11-vyhodnocení spotřeby času pro svár č. IV. Svar č. Vrstva IV. (metoda)
Proud Napětí [A] [V]
Průtok ochranného plynu [l . min-1]
Čas
Délka [h:mm:ss:ts] svaru [mm]
Přídavný materiál
OK Tigrod
Kořenová vrstva (WIG-141)
120
Výplň (111)
117
23
-
0:10:38:78
790
Výplň (111)
122
22
-
0:14:47:96
800
11,1
12
0:16:15:29
784
12.60 Ø2,4 mm
[42]
OK 48.00 N Ø3,2 mm OK 48.00 N Ø3,2 mm
Výplň (111)
128
24
-
0:12:51:91
810
Krycí vrstva (111)
183
22
-
0:05:25:09
815
Krycí vrstva (111)
183
24,5
-
0:05:29:53
815
1:05:25:56
4814
Σ
8.3.
OK 48.00 N Ø3,2 mm OK 48.00 N Ø4 mm OK 48.00 N Ø4 mm
Vyhodnocení rychlosti svařování jednotlivými kombinacemi
Při vyhodnocení rychlosti svařování vícevrstvými svary jednotlivými kombinacemi přídavných materiálů, vycházejí rychlosti svařování dle základního fyzikálního vzorce takto:
vs
s mm min 1 t
(8.1)
vs – postupná rychlost svařování [mm . min-1] s – délka svaru [mm] t – čas svařování [min]
v ss var I.
s 4810 58,01 mm min t 82,92016
v ss var II.
s 4812 61,69 mm min t 78,85116
v ss var III.
s 4811 61,89 mm min t 77,72266
v ss var IV.
s 4814 73,58 mm min t 65,426
1
1
1
1
(8.2)
(8.3)
(8.4)
(8.5)
Nejvyšší rychlost svařování vícevrstvým svarem s různými kombinacemi přídavných materiálů je při kombinaci přídavných materiálů způsobem svaru č. IV.
[43]
Technicko-ekonomické zhodnocení vhodné kombinace
9
přídavných materiálů pro svary na potrubí DN500 systému PER v místnostech HSCHZ Systém PER v místnostech HSCHZ je tvořen třemi systémy PER20, PER40 a PER60. V systému PER20 je celkem 23 svarů na rovném potrubí DN500 (Ø508 x 14). Potrubní rozvod systému PER20 také obsahuje 7 kusů 90° segmentových kolen DN500 a 1 kus 60° segmentového kolene DN500. V systému PER40 je celkem 58 svarů na rovném potrubí DN500 (Ø508 x 14). Potrubní rozvod systému PER40 také obsahuje 16 kusů 90° segmentových kolen DN500, 2 kusy 60° segmentových kolen DN500, 1 kus 45° segmentového kolene DN500 a 3 kusy 30° segmentových kolen DN500. V systému PER60 je celkem 23 svarů na rovném potrubí DN500 (Ø508 x 14). Potrubní rozvod systému PER60 také obsahuje 7 kusů 90° segmentových kolen DN500 a 1 kus 60° segmentového kolene DN500.
9.1.
Výrobní časy při výrobě segmentových kolen 30°-90° kombinacemi přídavných materiálů Tab. č.12-vyhodnocení spotřeby času při výrobě segmentových kolen různými kombinacemi Svár č. I. II. III. IV.
9.2.
Výrobní časy svařování segmentových kolen 30° 45° 60° 90° 165,11 min 169,3 min 330,22 min 495,51min 157,73 min 161,74 min 315,47 min 473,38 min 155,47 min 159,41 min 310,94 min 466,58 min 130,51 min 133,82 min 261,02 min 391,67 min
Celkový počet segmentových kolen v systémech PER20, 40, 60 Tab. č.13-počet kolen v systému PER Systém PER20 PER40 PER60 Celkem
9.3.
30° 0 ks 3 ks 0 ks 3 ks
Počet kolen 45° 60° 0 ks 1 ks 1 ks 2 ks 0 ks 1 ks 1 ks 4 ks
90° 7 ks 16 ks 7 ks 30 ks
Celková spotřeba výrobního času při výrobě segmentových kolen
Při výpočtu spotřeby výrobního času, je počítáno pouze s časem pro svařování. Čas manipulací se segmenty a doba vytvoření úkosů segmentu je pro všechny metody časově shodný. Pro výpočet času svařování použijeme sumu spotřeby času pro vytvoření daného typu segmentového kolene daným typem kombinace přídavných materiálů z tabulky 12 vynásobenou počtem kolen z tabulky 13 daného typu v systémech PER20,40,60.
[44]
t kolens var I. tmin XX ks 165,1130 3 169,345 1 330,22 60 4 495,5190 30
16850,81 min 280,85 hod
(9.1)
t kolens var II. tmin XX ks 157,7330 3 161,74 45 1 315,47 60 4 473,3890 30
16098,21 min 268,3 hod
(9.2)
t kolens var III. tmin XX ks 155,47 30 3 159,4145 1 310,94 60 4 466,5890 30
15866,98 min 264,45 hod
(9.3)
t kolens var III. tmin XX ks 130,5130 3 133,82 45 1 261,0260 4 391,67 90 30
13319,53 min 221,99 hod
(9.4)
9.4.
Celková spotřeba výrobního času při svařování rovných kusů potrubí a segmentových kolen
Poznatky ze svařování segmentových kolen lze použít i pro rovné úseky potrubí. V celkovém počtu bude instalováno v systému PER20,40,60 3 ks 30°, 1 ks 45°, 4 ks 60° a 30 ks 90° segmentových kolen. Na rovných částech potrubí DN500 (Ø508 x 14) bude celkem 104 svarů. V délkovém množství se jedná o 165976,6 mm svarů. Při zhodnocení metod jednotlivých kombinací přídavných materiálů vychází spotřeba času pro svařování času takto: t ss var I. 16901,89 min 281,69 hod
(9.5)
t ss var II. 16051,89 min 267,53 hod
(9.6)
t ss var III. 15822,36 min 263,71 hod
(9.7)
t ss var IV. 13331,45 min 222,19 hod
(9.8)
t celkovýs var I. t ss var I. hod t kolens var I. hod 281,69 280,85 562,54 hod
(9.9)
t celkovýs var II. t ss var II. hod t kolens var II. hod 267,53 268,3 535,83 hod
(9.10)
t celkovýs var III. t ss var III. hod t kolens var III. hod 263,71 264,45 528,16 hod
(9.11)
[45]
t celkovýs var IV. t ss var IV. hod t kolens var IV. hod 222,19 221,99 444,18 hod
(9.12)
Rozdíl mezi nejvíce a nejméně produktivní kombinací průměrů přídavných materiálů svarů I. a IV. v celém systému PER místnostech SHCHZ je 118,36 hodin svařovacího času. V grafu č.2-zhodnocení hlavních technicko-ekonomických ukazatelů jsou pro srovnání zahrnuty celkové časy t celkový při zhotovení různými kombinacemi průměrů přídavných materiálů I., II., III. a IV všechna potrubní segmentová kolena R=1D a svary na rovných potrubích v systému PER20,40,60 v místnostech A001/1, A002/1 a A003/1 (místnosti SHCHZ) na JE Mochovce (SR). Při výpočtu pracovních dnů bylo uvažováno s trojsměnným provozem (3 . 8 = 24 h). Pro výpočet nákladů na svářeče byla uvažována hodinová mzda 250 Kč . hod-1. 160 140,64
133,96
140
132,04 111,05
120
[-]
100 73,58
80 60
61,69
58,01
61,89
40 23,44
22,33
22,01
18,51
20 0 Svar I.
Svar II.
Svar III.
Svar IV.
Postupná rychlost svařování vs [mm/min] Mzdové náklady na svářeče [tis. Kč] Celkový čas t celkový pro zhotovení všech svarů [dny]
Graf. č.2-zhodnocení hlavních technicko-ekonomických ukazatelů
[46]
10
Závěr
Cílem bakalářské práce bylo stanovení vhodných přídavných materiálu fy. ESAB pro kombinované svařování segmentového kolena metodami 141+111 s ohledem na kvalitu produkovaných spojů. Pro tuto práci byly zhotoveny čtyři sváry na potrubním segmentovém kolenu s kombinacemi různých průměrů přídavných materiálů s využitím metody svařování 141 (WIG) pro kořenové vrstvy a s využitím metody 111 (ruční svařování obalenou elektrodou) pro výplňové a krycí vrstvy. Tyto varianty kombinací průměru přídavných materiálů byly označeny I., II., III. a IV. Po vytvoření svarů svařené kombinacemi I., II., III. a IV., byly tyto zkušební sváry podrobeny nedestruktivním zkouškám pro kontrolu, které vedle časové náročnosti svařování jednotlivými kombinacemi I., II., III. a IV., potvrzují jakost provedených svarů. Nedestruktivní zkoušky byly provedeny po celé délce všech kombinací I., II., III. a IV. svarů v rozsahu 100 % vizuální zkouška povrchu svarů, 100 % kapilární zkouška svarů a 100 % rentgenová zkouška svarů s vystavením protokolů. Protokoly o kontrolách jsou uvedeny v příloze této bakalářské práce. Pro různé kombinace průměrů přídavných materiálů I., II., III. a IV. vychází ekonomicky nejvíce výhodná kombinace při provedení svaru č. IV. Postupná rychlost svařování vs svaru s kombinací č. IV. je 73,58 mm . min-1. Rychlost svařování vs kombinací č. IV. je oproti postupné rychlosti svařování vs kombinací I. o 26,84 % vyšší, oproti postupné rychlosti svařování vs kombinací II. je o 19,27 % vyšší a oproti rychlosti svařování vs kombinací III. je o 18,88 % vyšší. Mzdové náklady na svářeče jsou při metodě č. IV 111045 Kč, což je úspora proti nejméně produktivní metodě č. I 29590 Kč. Výsledné hodnoty při svařování různými kombinacemi průměrů přídavných materiálů I., II., III. a IV. dávají možnost svářecímu technologovi provést výběr jedné z uvedených kombinací s ohledem na ekonomickou stránku věci.
[47]
Seznam použité literatury 1. KOLEKTIV AUTORŮ. TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ A ZAŘÍZENÍ. Ostrava, 2001. 395 s. ISBN 80-85771-81-0 2. KOLEKTIV AUTORŮ. MATERIÁLY A JEJICH SVAŘITELNOST. Ostrava, 2001. 292 s. ISBN 80-85771-85-3 3. ČSN EN 13 480-4. Kovová průmyslová potrubí – Část 4: Výroba a montáž. Český normalizační institut, Praha, 2003. 40 s. ICS 23.040.01 4. ČSN EN 13 480-5. Kovová průmyslová potrubí – Část 5: Kontrola a zkoušení. Český normalizační institut, Praha, 2003. 32 s. ICS 23.040.01 5. ESAB [online]. [cit. 2011-02-13]. Dostupné z WWW:
6.
Modřanská potrubní, a.s. [online]. [cit.
2011-02-23].
Dostupné
z
WWW:
7. ČSN EN 1011-2. Svařování – Doporučení pro svařování kovových materiálů – Část 2: Obloukové svařování feritických ocelí. Český normalizační institut, Praha, 2002. 56 s. ICS 25.160.10 8. Automig.cz, internetový magazín [online]. [cit. 2011-02-28]. Dostupné z WWW: 9. AUTODESK: AutoCAD, Invertor 2011 10. Wikipedie, otevřená enciklopedie [online]. [cit. 2011-04-22]. Dostupné z WWW:
Seznam zkratek, jednotek, veličin Označení A5 b c Ce ČR ČSN Di Do DN E EMO EN f F2 HSCHZ I JE KCU 3 SR TPE °C MPa m m. č. mm MT n Pc PER Qs PT Re Rm Rm 100°C Rp 0,2 Rp 0,2 100°C ROE RT t t tmin T0 t8/5 s U UT vs
Legenda Tažnost Velikost mezery úkosu Velikost otupení úkosu Uhlíkový ekvivalent Česká republika Česká státní norma Vnitřní průměr potrubí Vnější průměr potrubí Jmenovitá světlost Modul pružnosti Elektrárna Mochovce, a.s. Evropská norma Dovolené namáhání Součinitel tvaru Havarijní systém chlazení aktivní zóny Proud Jaderná elektrárna Vrubová houževnatost Slovenská republika Technické podmínky Stupeň Celsia MegaPascal Metr Číslo místnosti Milimetr Magnetická zkouška Počet vrstev ve vícevrstvém svaru Výpočtový tlak Technická voda důležitá Specifické vnesené teplo Kapilární zkouška Mez kluzu Mez pevnosti Mez pevnosti při teplotě 100 °C Smluvní mez kluzu Smluvní mez kluzu při teplotě 100 °C Metoda svařování obalenou elektrodou Zkouška prozářením Tloušťka stěny Čas Výpočtová tloušťka steny Počáteční teplota svařovaného materiálu Čas ochlazování (z 800 na 500 °C) Délka svaru Napětí Zkouška ultrazvukem Postupná rychlost svařování
Jednotka [%] [mm] [mm] [%] [-] [-] [mm] [mm] [-] [GPa] [-] [-] [MPa] [-] [-] [A] [-] [J . cm-2] [-] [-] [-] [-] [m] [-] [mm] [-] [-] [MPa] [-] [kJ . mm-1] [-] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [-] [-] [mm] [s] [mm] [°C] [s] [mm] [V] [-] [mm . min-1]
VT VVER Wo Wp Wr WIG pWPS WPQR z α η ØD
Vizuální zkouška Vodou chlazený energetický reaktor Potenciální energie nutná pro změnu polohy iontu krystalu Vliv povrchu krystalu na velikost potenciální energie Potenciální energie na rozhraní tuhé fáze Metoda svařování netavící se wolframovou elektrodou vPředběžná inertním plynu specifikace postupu svařování Kvalifikace postupu svařování Součinitel hodnoty spoje Úhel úkosu Účinnost Průměr trubky
[-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [°] [-] [mm]
Seznam příloh: 1. Výrobní výkres: Segmentové koleno DN500 (R=1D) 2. Technologický postup výroby segmentového kolena (R=1D) 3. Předběžná Specifikace postupu svařování “pWPS“108413.110264 4. Předběžná Specifikace postupu svařování “pWPS“108413.110265 5. Předběžná Specifikace postupu svařování “pWPS“108413.110266 6. Předběžná Specifikace postupu svařování “pWPS“108413.110267 7. Protokol o vizuální zkoušce (VT), evidenční č. protokolu 3795/VT/TSP/11 8. Protokol o kapilární zkoušce (PT), evidenční č. protokolu 3796/PT/TSP/11 9. Protokol o zkoušce rentgenem (RT), evidenční č. protokolu 3797/RT/TSP/11 10. Inspekční certifikát 3.2 dle ČSN EN 10 204, trubky DN500 mat. 12 022.1 (L290NB) č. 2137/10 11. Inspekční certifikát 3.2 dle ČSN EN 10 204, přídavného mat. ESAB OK Tigrod 12.60 Ø1,6 č. OŘJ 001/10 12. Inspekční certifikát 3.2 dle ČSN EN 10 204, přídavného mat. ESAB OK Tigrod 12.60 Ø1,6 č. 531515/01 13. Protokol o zkoušení č. 2010/22611 14. Inspekční certifikát 3.2 dle ČSN EN 10 204, přídavného mat. ESAB OK Tigrod 12.60 Ø2 č. OŘJ 002/10 15. Inspekční certifikát 3.2 dle ČSN EN 10 204, přídavného mat. ESAB OK Tigrod 12.60 Ø2 č. 531515/01 16. Protokol o zkoušení č. 2010/22612 17. Inspekční certifikát 3.2 dle ČSN EN 10 204, přídavného mat. ESAB OK Tigrod 12.60 Ø2,4 č. OŘJ 003/10 18. Inspekční certifikát 3.2 dle ČSN EN 10 204, přídavného mat. ESAB OK Tigrod 12.60 Ø2,4 č. 531515/01 19. Protokol o zkoušení č. 2010/22613 20. Inspekční certifikát 3.2 dle ČSN EN 10 204, přídavného mat. ESAB OK 48.00N Ø2,5 č. OŘJ 007/10 21. Inspekční certifikát 3.2 dle ČSN EN 10 204, přídavného mat. ESAB OK 48.00N Ø2,5 č. 531515/01 22. Inspekční certifikát 3.2 dle ČSN EN 10 204, přídavného mat. ESAB OK 48.00N Ø3,2 č. OŘJ 008/10 23. Inspekční certifikát 3.2 dle ČSN EN 10 204, přídavného mat. ESAB OK 48.00N Ø3,2 č. 531515/01 24. Inspekční certifikát 3.2 dle ČSN EN 10 204, přídavného mat. ESAB OK 48.00N Ø4 č. OŘJ 009/10
25. Inspekční certifikát 3.2 dle ČSN EN 10 204, přídavného mat. ESAB OK 48.00N Ø4 č. 531515/01 26. Prohlášení shody k přídavným svařovacím materiálům ESAB
