Совершенствование технологии сварки корпуса механизма компенсации морской буровой установки

сварка технологический оборудование

На сегодняшний день сварка является одним из наиболее распространенных методов соединения материалов. Сварку применяют при сооружении новых конструкций, ремонте различных изделий и механизмов.

Объектом данной дипломной работы является корпус механизма компенсации морской буровой установки, а предметом исследования является способ сварки наиболее трудоемких швов данного изделия.

Целью дипломной работы является рассмотрение возможности снижения трудоемкости и себестоимости сварочных работ.

Задачами дипломной работы в связи с указанной целью являются:

1. выявление сварочных швов изделия, которые являются наиболее трудоемкими;

2. анализ возможных альтернативных способов сварки, которые помогут снизить трудоемкость и себестоимость сварочных работ;

3. разработка процесса сборки и сварки при использовании новой сварочной технологии;

4. расчет необходимого количества оборудования для выполнения годовой производственной программы;

5. исследование экономической целесообразности новой технологии сварки;

Внедрение нового способа сварки поможет увеличить объем выпускаемой продукции в год, снизить себестоимость продукции и накладные расходы на единицу продукции.

1. Описание изделия

Корпус механизма компенсации бура рис. 1.1, чертеж номер А1.

Рис. 1.1. Корпус механизма компенсации бура.

Данное изделие используется на кораблях для бурения скважин, оно позволяет регулировать положение бура и оставлять его в вертикальной плоскости. По периметру бура устанавливают 8 корпусов рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема работы механизма компенсации бура На каждый корпус устанавливают ролики рис. 1.3, на которые наматывают тросы, данные тросы соединены с буром, все корпуса соединены с автоматической системой регулирования. Если бур отклоняется в какую-либо сторону, тогда система автоматического регулирования дает команду на определенный корпус механизма компенсации натянуть трос или наоборот ослабить, тем самым бур выравнивается и остается в вертикальном положении.

Рис. 1.3. Корпус с установленными роликами для намотки троса Корпус механизма компенсации имеет массу 8062 кг и габариты

2280 мм x 2250 мм x 2040 мм. В данной конструкции используются преимущественно конструкционная сталь S355J2+N по стандарту EN 10 025−2 и сталь аустенитного класса X2CrNiMo17−12−2 по стандарту EN 10 088−1. Для стали S355J2 ближайший российский аналог — сталь 09Г2С.

Таблица 1.1 Химический состав стали S355J2 по стандарту EN 10 025−2

Таблица 1.2 Максимальный эквивалент углерода для стали S355J2 по стандарту EN 10 025−2

Данное изделие работает в морских условиях на севере, поэтому ко всем материалам предъявляется требование относительно работы удара по Charpy-V: работа удара для стали минимум 35 Дж при -20єС, сварные швы должны быть замкнутыми во избежание попадания в зазоры между деталями морской воды, что приводит к появлению коррозии.

1.1 Описание действующей технологии изготовления изделия

Данное изделие изготавливается в соответствии с требованиями стандартов

HLA-4A rev.8 и DNV-OS-E101 Oct2009.

На первом этапе сваривают между собой позиции 1 и 5 рис. 1.3 и рис. 1.4, номер шва 1−10 чертеж А1.

Рис. 1.3 позиция 5, чертеж P0000005

Рис. 1.4 позиция 1, чертеж P0000001

Сборка под сварку рис. 1.5. Между собой детали поз. 1 и 5 скрепляются при помощи книц и двух распорок, в начале и в конце шва устанавливаются выводные пластины длиной 100 мм. Разделка под сварку рис. 1.6.

Рис. 1.5 Схема сборки под сварку. 1 — распорка, 2 — кница, 3 — поз. 5 чертеж P0000005, 4 — поз. 1 чертеж P0000001

Рис. 1.6. Разделка под сварку Сварка выполняется обратноступенчатым способом рис. 1.7, шов разбивается на участки длиной примерно 400 ч 450 мм, расстоянием между кницами. Для сварки применяется полуавтоматическая сварка в защитных газах, используется сварочный аппарат FRONIUS 5000, металлопорошковая сварочная проволока DRAHTZUG, Stein-Megafil 710M EN ISO 17 632-A:T464MM1H5, защитный газ Ar 80% + CO₂ 20%. Сварка корневого шва производится с использованием съемной керамической подкладки. Перед сваркой необходим предварительный подогрев минимум 50єС.

Рис. 1.7 Обратноступенчатый способ сварки

Сварку начинают со стороны, на которой установлены кницы, так как с обратной стороны будет удобнее производить подрубку корня шва, вся сварка выполняется в нижнем положении.

1. Производится сварка корня шва на остающейся керамической подкладке, выполняется два прохода рис. 1.8, после этого следует переворот изделия.

Рис. 1.8 Сварка корня шва

2. Производится удаление съемной керамической подкладки и при необходимости подрубка корневого шва, далее заполняется разделка на 1/3 рис. 1.9, после этого следует переворот изделия.

Рис. 1.9 Заполнение 1/3 разделки

3. Далее заваривают 2/3 разделки рис. 1.10, после этого следует переворот изделия.

Рис. 1.10 Заполнение 2/3 разделки

4. После этого с внутренней стороны заполняют разделку до конца рис. 1.11, после этого следует переворот изделия.

Рис. 1.11 Заполнение 3/3 разделки

5. Далее с обратной стороны заполняется разделка до конца рис. 1.12.

Рис. 1.12 Окончательное заполнение разделки Для сварки данного шва используется WPS 029.01 см. приложение. 1.

На втором этапе детали поз. 2, поз. 3 и поз. 4 чертеж А1, собираются с уголком под сварку.

Между деталями устанавливаем распорки рис. 1.14 для снижения послесварочных деформаций, все детали крепятся к уголку при помощи книц, кницы устанавливаются с обратной стороны корневого прохода, таким образом, что они не мешают сварщику варить корневой проход. Сварка корневого прохода выполняется на керамической подкладке рис. 1.15, для сварки используется сварочный полуавтомат FRONIUS 5000, металлопорошковая сварочная проволока DRAHTZUG Stein-Megafil 710M EN ISO 17 632-A:T46 4 M M 1H5, защитный газ Ar 80% + CO₂ 20%.

Перед сваркой необходим подогрев минимум 50єС.

Последовательность сварки:

1. Варим швы номер 1−1, 1−6, 1−4, 1−9. Производится сварка корня на остающейся керамической подкладке, выполняется по два прохода, после этого следует переворот изделия.

Удаляем керамическую подкладку со швов 1−1, 1−6, 1−4, 1−9. При необходимости производим подрубку корня шва, далее заполняем 1/3 разделки данных швов рис. 1.17б. Для швов номер 1, 1−2, 1−3, 1−5, 1−7, 1−8 производится сварка корня на остающейся керамической подкладке, выполняется по два прохода после этого следует переворот изделия.

2. Удаляем керамическую подкладку со швов под номерами 1, 1−2, 1−3, 1−5, 1−7, 1−8, при необходимости производим подрубку корня шва, далее заполняем 1/3 разделки данных швов рис 1.18, а. Разделки швов под номерами 1−1, 1−6, 1−4, 1−9 заполняются на 2/3, а, после этого следует переворот изделия.

Разделки швов под номерами 1, 1−2, 1−3, 1−5, 1−7, 1−8 заполняются на 2/3. Швы под номерами 1−1, 1−6, 1−4, 1−9 заполняются до конца рис. 1.18, б, после этого следует переворот изделия.

3. Швы под номерами 1, 1−2, 1−3, 1−5, 1−7, 1−8 заполняются на 3/3, под номерами 1−1, 1−6, 1−4, 1−9 заполняются до конца рис. 1.19, а. После этого следует переворот изделия.

4. Швы под номерами 1, 1−2, 1−3, 1−5, 1−7, 1−8 заполняются до конца.

Рассмотренная выше технология сборки и сварки имеет ряд недостатков:

1) Много переворотов с использованием крана, кран не всегда бывает доступным в нужный момент, в итоге потеря времени на ожидание крана.

2) Малая производительность данного способа сварки, существуют более производительные способы сварки.

3) Неудобное положение для сварки, расстояние между позициями 3 и 2 чертеж A0000001 составляет 341 мм, очень стесненное пространство для работы.

2. Анализ возможных способов сварки изделия

Рассмотренная выше технология сборки и сварки имеет ряд недостатков:

1) Много переворотов с использованием крана, кран не всегда бывает доступным в нужный момент, в итоге потеря времени на ожидание крана.

2) Малая производительность данного способа сварки, существуют более производительные способов сварки.

3) Неудобное положение для сварки, расстояние между позициями 3 и 2 чертеж A0000001 составляет 341 мм, очень стесненное пространство для работы сварщику.

Для решения проблемы связанной с многочисленными переворотами изделия предлагается использовать позиционер.

В сварочных работах позиционеры являются полезными устройствами, повышающими гибкость, производительность и качество сварочных работ, не говоря уже о мотивации сварщиков. Главным преимущество использования манипуляторов является возможность установки свариваемых деталей в наилучшее положение для сварки — нижнее положение. Таким образом, производительность может быть увеличена. Сварщики особенно ценят эргономичность и комфортность выполнения работ.

Из всех рассмотренных позицинеров различных производителей, наиболее дешевыми оказались позиционеры фирмы PEMA. Из предложенной линейки позиционеров данного производителя наиболее подходит позиционер серии SKYMASTER с грузоподъемностью 25 тонн. Все манипуляторы фирмы PEMA оснащены пультом дистанционного управления в качестве стандартного оборудования.

Для повышения производительности сварочных работ необходимо внедрять механизацию и автоматизацию сварочных процессов, а так же использовать более производительные способы сварки. Далее рассмотрим три различных способа сварки:

· Механизированная сварка в защитных газа с использованием «трактора».

· Автоматическая сварка в защитных газах с использованием сварочного робота.

· Сварка под флюсом с использованием сварочного центра консольного типа.

Далее рассмотрим данные способы сварки подробнее.

Полуавтоматическая сварка в защитных газах металлопорошковой проволокой с использованием «трактора».

Для данного способа сварки используют:

· металлопорошковую проволоку типа STEIN MEGAFIL 710 M диаметром 1,6 мм с коэффициентом наплавки 20 г./А*ч,

· механизм подачи проволоки фирмы ESAB и источник питания с ПВ 100% при 400 А. типа ESAB Origo Mig 502c,

· защитный газ Ar 80% + CO2 20%,

· сварочный «трактор» CS-100C фирмы KOWELD.

Данное оборудование позволяет производить сварку на форсированных режимах, что дает возможность увеличить производительность сварочных работ.

Расчет трудоемкости данного метода при сварке швов 1, 1−1, 1−2, 1−3, 1−4, 1−5, 1−6, 1−7, 1−8, 1−9 чертеж A0000001.

Исходные данные:

Номера швов — 1, 1−1, 1−2, 1−3, 1−4

Длина шва — 1670 мм Толщина привариваемой детали — 50 мм.

Разделка шва — K образная под 45є

Площадь сечения шва — 790 мм²

Коэффициент наплавки металлопорошковой проволоки — 20 г./А*ч.

Сила тока — 400 А.

Полярность — DC+

Расчет трудоемкости:

По формуле 2.1 рассчитаем массу шва.

(2.1)

где m - масса шва, кг; - плотность стали, кг/м³; l - длина шва, мм; S - площадь сечения шва, мм².

кг Рассчитаем время горения дуги по формуле 2.2.

(2.2)

где m - масса шва, кг; I - сила тока, А; б — коэффициент наплавки, г / Ач; t - время горения дуги.

ч Рассчитаем время сварки, которое понадобится сварщику для выполнения данного шва по формуле 2.3.

(2.3)

где t_п — время сварки шва включая вспомогательные операции, ч; t — машинное время горения дуги, ч; k₁ — процент горения дуги от общего рабочего времени, %.

ч.

Так как швов данной длины у нас 5 полученное время умножаем на 5.

ч.

Далее произведем такой же расчет для швов номер 1−5, 1−9.

Номера швов — 1−5, 1−9

Длина шва — 1079 мм Толщина привариваемой детали — 50 мм.

Разделка шва — K образная под 45є

Площадь сечения шва — 790 мм²

Коэффициент наплавки металлопорошковой проволоки — 20 г./А*ч.

Сила тока — 400 А.

Полярность — DC+

По формуле 2.1 рассчитаем массу шва.

кг.

Рассчитаем время горения дуги по формуле 2.2.

ч.

Рассчитаем время сварки, которое понадобится сварщику для выполнения данного шва по формуле 2.3.

ч.

Так как швов данной длины у нас 2 полученное время умножаем на 2.

ч.

Далее произведем такой же расчет для швов 1−6, 1−7, 1−8.

Номера швов — 1−6, 1−7, 1−8

Длина шва — 1363 мм Толщина привариваемой детали — 50 мм Разделка шва — K образная под 45є

Площадь сечения шва — 790 мм²

Коэффициент наплавки металлопорошковой проволоки — 20 г./А*ч.

Сила тока — 400 А.

Полярность — DC+

По формуле 2.1 рассчитаем массу шва.

кг.

Рассчитаем время горения дуги по формуле 2.2.

ч.

Рассчитаем время сварки, которое понадобится сварщику для выполнения данного шва по формуле 2.3.

ч.

Так как швов данной длины имеется 2 полученное время умножаем на 2.

ч.

Общая трудоемкость сварки швов 1, 1−1, 1−2, 1−3, 1−4, 1−5, 1−6, 1−7, 1−8, 1−9 при данном методе составляет 56,8 часа.

Минусом данного способа является необходимость переустановки линейки, по которой ездит данный трактор, необходимость сварщику находится внутри конструкции при проведении сварки, что бы следить за сварочной ванной и производить корректировку местоположения сварочной горелки.

Использование данного оборудования на первый взгляд кажется вполне перспективным, но при более детальном знакомстве с роботами и после консультации с представителями фирмы MOTOMAN был найден ряд недостатков, которые исключают возможность использования данного робота в нашем случае.

У роботов данного типа возникают трудности при сварке многослойных швов, для каждого типа шва понадобится написание отдельной программы, написание программы довольно трудоемкое дело, понадобится специальный человек. Система отслеживание и определения места последующего прохода не совершенна и дает сбои. После каждого прохода накапливается ошибка в определении местоположения робота, необходимо периодически задавать нулевую точку. Большая себестоимость данного оборудования.

Далее рассмотрим TWIN сварку под флюсом с использованием двух электродов и одного источника питания рис. 2.5 с применением сварочного центра консольного типа рис. 2.6.

Для данного метода сварки применяется:

· источник питания 1000 А при 100% ПВ.

· проволоку сплошного сечения диаметром 2,5 мм, Данный способ сварки характеризуется повышенной производительностью, минимальными потерями электродного металла, максимальной защитой зоны сварки.

Произведем приблизительный расчет трудоемкости данного метода при сварке швов 1, 1−1, 1−2, 1−3, 1−4, 1−5, 1−6, 1−7, 1−8, 1−9 чертеж A0000001.

Исходные данные:

Номера швов — 1, 1−1, 1−2, 1−3, 1−4

Длина шва — 1670 мм Толщина привариваемой детали — 50 мм.

Разделка шва — K образная под 45є

Площадь сечения шва — 790 мм²

Сила тока — 900 А.

Полярность — АС Масса шва — 10,36 кг.

По формуле 2.4 произведем расчет коэффициента наплавки.

(2.5)

где — коэффициент наплавки, г / Ач; I — сварочный ток, А; - диаметр электрода.

1 г / Ач Рассчитаем время горения дуги по формуле 2.2.

ч.

Рассчитаем время сварки, которое понадобится сварщику для выполнения данного шва по формуле 2.3.

ч.

Так как швов данной длины у нас 2 полученное время умножаем на 2.

ч.

Далее произведем такой же расчет для швов номер 1−5, 1−9.

Номера швов — 1−5, 1−9

Длина шва — 1079 мм Толщина привариваемой детали — 50 мм.

Разделка шва — K образная под 45є

Площадь сечения шва — 790 мм²

Коэффициент наплавки — 16,1 г / Ач.

Сила тока — 900 А.

Полярность — АС Масса шва — 6,69 кг Рассчитаем время горения дуги по формуле 2.2.

ч.

Рассчитаем время сварки, которое понадобится сварщику для выполнения данного шва по формуле 2.3.

ч.

Так как швов данной длины у нас 2 полученное время умножаем на 2.

ч.

Далее произведем такой же расчет для швов 1−6, 1−7, 1−8.

Длина шва — 1363 мм Толщина привариваемой детали — 50 мм.

Разделка шва — K образная под 45є

Площадь сечения шва — 790 мм²

Коэффициент наплавки — 16,1 г / Ач.

Сила тока — 900 А.

Полярность — АС Масса шва — 8,45 кг Рассчитаем время горения дуги по формуле 2.2.

ч.

Рассчитаем время сварки, которое понадобится сварщику для выполнения данного шва по формуле 2.3.

ч.

Так как швов данной длины имеется два полученное время умножаем на 2.

ч.

Общая трудоемкость сварки швов 1, 1−1, 1−2, 1−3, 1−4, 1−5, 1−6, 1−7, 1−8, 1−9 при данном методе составляет 31,3 часа.

Из рассмотренных видов сварки наиболее подходящим способом является сварка под флюсом, она же является и более производительной. Однако все данные методы сварки предусматривают предварительную сварку корня шва полуавтоматом в защитных газах, это делается для обеспечения надежности сплавления корня шва.

3. Постановка задачи

Для выполнения годовой производственной программы по изготовлению корпуса механизма компенсации бура 256 шт. в год рис. 3.1 необходимо увеличить производительность и снизить себестоимость сварочных работ.

Самую большую трудоемкость имеют швы под номерами 1, 1−1, 1−2, 1−3, 1−4, 1−5, 1−6, 1−7, 1−8, 1−9 чертеж А1, вследствие этого для снижения трудоемкости необходимо механизировать или автоматизировать сварку данных швов.

Необходимо выбрать оптимально подходящий для нас метод сварки, сварочное оборудование, разработать технологию сварки, сделать аттестацию сварочных процедур, если это необходимо и предоставить технико-экономическое обоснование выбора того или иного метода сварки. При выборе оборудование и метода сварки необходимо учитывать стесненные условия для сварки между деталями изделия.

4. Расчет режимов сварки

Новая технология сварки подразумевает под собой комбинированное заполнение К образной разделки с применением полуавтоматической сварки в защитных газах с использованием меаллопорошковой проволоки и сварки под флюсом.

Расчет режима сварки корня шва полуавтоматом металлопрошковой проволокой диаметром 1.2 мм в защитных газах.

Сварка корня шва рис. 4.2, состоит из трех проходов. Первый и второй проход выполняются на съемной керамической подкладке, далее следует подрубка корня шва и сварка третьего прохода.

Так как имеется возможность сварки в лодочку, то порядок наложения валиков и расчёт режимов выполняется по схеме многопроходных стыковых соединений с разделкой кромок. Сварка первого прохода выполняется на съемной керамической подкладке. При этом глубина проплавления h_пр выбирается по аналогии со сваркой односторонних швов, а притупление приравнивается к толщине свариваемых элементов. Ширина валика первого прохода е_ш зависит от вида разделки, угла раскрытия кромок и ориентировочно равна (2…4 мм).

Глубина проплавления заполняющих валиков должна обеспечивать перекрытие предыдущих, а площадь наплавленного металла должна составлять 20…30 мм², что обеспечивается значением сварочного тока в 1,5…2 раза большим, чем при выполнении первого прохода.

Приближённое значение сварочного тока при сварке в защитных газах определяется по формуле 4.1.

(А) (4.1)

где - диаметр электрода, мм; - сила тока, А.

134 (А)

По формуле 4.2 определяем необходимую глубину проплавление первого валика.

(мм) (4.3)

где - толщина притупления, мм.

(мм)

По найденному значению тока и данному диаметру электродной проволоки по формуле 4.3 рассчитывается напряжение дуги:

(В) (4.3)

где - диаметр электрода, мм; - сила тока, А.

(В)

После этого производится уточненный расчёт величины сварочного тока, по формуле 4.4:

(А) (4.4)

где - диаметр электрода, мм; - сила тока, А; - ширина валика, мм; - глубина проплавления, мм; - напряжение дуги, В.

(А)

Производим уточненный расчет для напряжения дуги по формуле 4.3.

(В)

Скорость сварки рассчитываем по формуле 4.4:

(м/ч) (4.4)

где e_ш — ширина валика, мм; I_св — сила тока, А; - напряжение дуги, В; - глубина проплавления, мм.

(м/ч)

Далее по формуле 4.5 определяем площадь наплавленного металла F_нм:

(см²) (4.5)

где V_св — скорость сварки, см/ч; I_св — сила тока, А; б_н — коэффициент наплавки, г / Ач; с — плотность металла, г/см³.

(см²)

Рассчитаем значение тока для второго и третьего проходов по формуле 4.6:

(А) (4.6)

где V_св — скорость сварки, см/ч; I_св — сила тока, А; б_н — коэффициент наплавки, г / Ач; с — плотность металла, г/см³.

(А)

Далее по формуле 4.3 рассчитаем напряжение дуги для сварки второго и третьего проходов:

(В)

Далее произведем расчет для сварки под флюсом с использованием двух проволок диаметром 2,4 мм и одного источника питания в 1000 А.

Так как необходимо добиться наибольшей производительности сварки под флюсом и нет опасности прожога, так как корневой проход уже заварен при помощи полуавтоматической сварки, для расчета возьмем ток 450 А для каждой проволоки, в процессе расчета это значение можно подкорректировать при необходимости.

Для начала рассчитаем коэффициент расплавления б_н при сварке на переменном токе по формуле 4.7:

(г / Ач) (4.7)

где I_св — сила тока, А; б_р — коэффициент расплавления, г / Ач; d_э — диаметр электрода, мм.

16,7 (г / Ач)

При механизированных способах сварки под флюсом б_р примерно равен б_н.

Зная допустимую площадь наплавленного металла за один проход для сварки под флюсом 30…50 мм² рассчитаем нужную скорость сварки по формуле 4.8:

(м/ч) (4.8)

где V_св — скорость сварки, см/ч; I_св — сила тока, А; б_н — коэффициент наплавки, г / Ач; с — плотность металла, г/см³; F_н — площадь наплавленного металла за один проход, мм².

38,5 (м/ч)

По формуле 4.3 произведем расчет напряжения сварочной дуги.

(В)

Далее в соответствии со стандартом ISO EN 1011 рассчитаем допустимую погонную энергию и необходимость подогрева перед сваркой.

Так как может прийти сталь с различным содержанием химических элементов, необходимо узнать максимально допустимый эквивалент углерода для стали S355J2. В соответствии со стандартом EN 10 025 — 2 максимальный эквивалент углерода для толщин от 30 мм до 150 мм составляет 0,47%. Стандарт HLA-4A ограничивает использование стали с содержанием эквивалента свыше 0,45%.

В случае необходимости для конкретной стали можно рассчитать эквивалент углерода по формуле 4.9 в соответствии с ISO EN 1011 — 2:

(%) (4.9)

Комбинированная толщина равняется:

50 + 50 + 50 = 150 мм

Все применяемые сварочные материалы содержат водорода до 5 мл на 100 г., следовательно, относятся к группе D, однако для сварки под флюсом рекомендуется при определении предварительного подогрева использовать группу С, для перестраховки.

Далее определяем тепловложение Q по формуле 4.10 согласно ISO EN 1011−1:

(кДж/мм) (4.10)

где V_св — скорость сварки, мм/с; I_св — сила тока, А; U_д — напряжение сварочной дуги, В; k — коэффициент тепловой эффективности, для сварки под флюсом 1, для сварки в защитных газах плавящимся электродом 0,8.

Рассчитаем тепловложение для полуавтоматической сварки в защитных газах плавящимся электродом.

Для первого прохода:

(КДж/мм)

Для второго и третьего проходов:

(кДж/мм)

Рассчитаем тепловложение для сварки под флюсом:

(кДж/мм)

Зная тепловпложение, комбинированную толщину соединения, эквивалент углерода для свариваемой стали и содержание водорода в наплавленном металле, определяем необходимую величину предварительного подогрева для сварки в защитных газах плавящимся электродом в соответствии с стандарта ISO EN 1011−2.

Рекомендуется предварительный подогрев примерно 50 ч 70 Сє.

Далее по диаграмме 4.2 определяем необходимый подогрев для сварки под флюсом.

Рекомендуемый подогрев не менее 20 Сє.

5. Выбор сварочного оборудования и материалов

5.1 Выбор сварочного оборудования и сварочных материалов для сварки в защитных газах плавящимся электродом

Для сварки корня шва будем использовать сварочный полуавтомат FRONIUS TPS 5000, данный сварочный аппарат имеется в наличии на заводе.

Сварочный аппарат FRONIUS TPS 5000 имеет ПВ 100% при 320 А, дополнительной удобной функцией является сварочная горелка с возможностью дистанционного изменения режимов сварки рис. 5.1.2, это дает возможность сварщику менять режимы сварки не бегая каждый раз к полуавтомату. Особенно это хорошо в нашем случае, так как сварщику придется производить сварку в стесненных условиях и для корректировки сварочных параметров не будет необходимости вылезать из конструкции лишний раз.

Сварочная проволока в соответствии со стандартом HLA-4A должна быть аккредитована DNV и отвечать требованиям стандарта, предъявляемым к ударной вязкости при — 20C є для нашей конструкции.

Для сварки корня шва применяется металлопорошковая сварочная проволока STEIN MEGAFIL 710M EN ISO 17 632-A T 46 6 M M 1 H5 таблица 4.1. Данная проволока имеет аккредитацию DNV, ударная вязкость отвечает требованиям при -60 Cє, имеет коэффициент наплавки 20 г. / Ач и содержит диффузионного водорода 5 мл на 100 г. наплавленного металла.

Защитный газ, рекомендуемый производителем данной проволоки является M21, в соответствии со стандартом EN 14 771 данный газ состоит из 82% Ar + 18% CO₂.

5.2 Выбор сварочного оборудования и сварочных материалов для сварки под флюсом

Для сварки под флюсом совместно с фирмой PEMA было разработано техническое решение с применением сварочной консоли и позиционера для сварки корпуса. Данная сварочная консоль позволяет варить двумя проволоками диаметром 2,4 мм с использованием одного сварочного источника питания в 1000 А.

Главным преимущество использования позиционера является возможность установки свариваемых деталей в наилучшее положение для сварки. Для нашей конструкции выбираем позиционер грузоподъемностью 25 тонн.

После проработки чертежей совместно с представителями фирмы PEMA была выбрана сварочная консоль MD 5×5, с техническими характеристиками можно ознакомиться.

Стандартная сварочная головка не подходила для сварки корпуса, так как ее габариты не позволяли варить внутри корпуса. Стандартную сварочную головку пришлось заменить на другую, которая позволяет осуществлять сварку внутри корпуса.

В процессе испытаний непосредственно на заводе фирмы PEMA были внесены изменения в конструкцию сварочной головки для удобства произведения сварочных работ и уменьшения ее габаритов, в итоге был выбран вариант, который можно видеть на фото.

Был изменен подвод флюса, трубка проходила сбоку, в окончательной версии трубка проходит снизу, что позволило уменьшить ширину сварочной головки. Заменена балка, к которой крепилась сварочная головка на балку меньшего сечения. Была устранена система слежения шва, так как не нашла в испытаниях реального применения.

При выборе диаметра сварочной проволоки остановились на проволоке диаметром 2,4 мм, так как магистраль подачи проволоки длинная и имеет поворот на 90 градусов, по такой магистрали проволока большего диаметра идет очень туго и при выходе из токосъемника проволока загибается.

Для управления сварочной консолью и непосредственной сварочным процессом используется пульт дистанционного управления и жидкокристаллический монитор.

Прилагается очень удобный и простой интерфейс фото для управления и отслеживания сварочных параметров. Данное программное обеспечение подсчитывает тепловложение во время сварки, показывает режимы сварки и сохраняет все сварочные режимы, на которых производилась сварка с отметкой даты, времени и именем оператора.

Источник питания для сварки под флюсом был выбран фирмы Lincoln, так как данная фирма работает совместно с фирмой PEMA и на сварочное оборудование этой фирмы делается скидка.

Данный источник питания имеет 100% ПВ при 1000А, позволяет производить сварку на постоянном токе прямой полярности, обратной полярности, переменном сбалансированном токе и настраиваемом переменном токе.

В стандартной комплектации сварочной консоли для крепления двух катушек со сварочной проволокой по 25 кг каждая использовалось приспособление. Так как производительность сварочной консоли для сварки под флюсом большая приходилось часто менять проволоку, что влияло на производительность, для решения данной проблемы были установлена две катушки со сварочной проволокой массой 250 кг каждая.

Флюс и проволока были выбраны фирмы Oerlikon, выбор пал на этого производителя, так как цена была наиболее выгодной. Выбрано сочетание проволоки и флюса OE-SD3 / OP — 121 TT данная проволока и флюс имеют аккредитацию DNV, которая требуется по стандарту HLA — 4A. Флюс содержит диффузионного водорода 5 мл на 100 г. наплавленного металла.

6. Выбор (разработка) вспомогательного оборудования и приспособлений

Для крепления данной рамы к позиционеру предусмотрены отверстия под болты М24 и для крепления корпуса к раме предусмотрены отверстия под болты М24.

Данная рама изготовлена из двутавра HEB 140 DIN 1025, сталь S355 EN 10 025−2, масса данной рамы 496 кг.

Данное оборудование имеет возможность программирования цикла термообработки, скорости нагрева, времени выдержки и времени охлаждения, все параметры термообработки записываются при помощи регистратора в виде графика. Измерение температуры производится при помощи термопары, которая крепится к изделию.

Так как сварщику в процессе сварки корпуса при помощи сварочной консоли приходится варить швы, находящиеся от пола на расстоянии более чем 2000 мм была сделана подставка для сварщика.

7. Разработка технологического процесса сборки и сварки изделия

7.1 Технология сборки и сварки

Производство корпуса начинается с изготовления деталей поз. 1, 2, 3, 4 и 5. чертеж А1. Данные детали изготовляются по субподряду. Субподрядчик вырезает детали, производит рихтовку и грунтовку деталей. Грунтовка деталей дает впоследствии возможность получения более качественной покраски. После субподрядчика детали приходят на завод и на заготовительном участке снимают фаски на деталях. Далее детали поступают на сборочно-сварочный участок.

Сборка корпуса начинается с поз. 5 и 1. Между собой детали скрепляются при помощи книц и двух распорок, в начале и в конце шва устанавливаются выводные пластины длиной 100 мм.

Далее устанавливается полученное соединение для проведения сварки на позиционер.

Сварка выполняется обратноступенчатым способом рис. 7.4 с использованием полуавтоматической сварки в защитных газах и металлопорошковой проволоки, шов разбивается на участки длиной примерно 400 ч 450 мм, расстояние между кницами. Сварка корневого шва производится с использованием съемной керамической подкладки. Перед сваркой необходим предварительный подогрев минимум 50єС.

Сварку начинают со стороны, на которой установлены кницы, так как с обратной стороны будет удобнее производить подрубку корня шва, вся сварка выполняется в нижнем положении.

Сначала производится сварка корня шва на остающейся керамической подкладке, после этого следует переворот изделия. Далее производится удаление съемной керамической подкладки и при необходимости подрубка корневого шва, разделка заполняется на 1/3, после этого следует переворот изделия. Далее заваривают 2/3 разделки, после этого следует переворот изделия. После этого с внутренней стороны заполняют разделку до конца, после этого следует переворот изделия.

После сварки необходимо выждать 24 часа в соответствии с требованиями стандарта HLA-4A и провести неразрушающий контроль соединения при помощи ультразвука.

Далее полученное соединение собирается совместно с деталями поз. 2, 3 и 4 чертеж А1. Между деталями устанавливаем распорки рис. 7.6 для снижения послесварочных деформаций, все детали крепятся к уголку при помощи книц рис. 7.6, кницы устанавливаются с обратной стороны корневого прохода, таким образом, что они не мешают сварщику варить корневой проход. В начале шва устанавливаются выводные пластины. Корпус крепят к позиционеру. Сварку производят согласно WPS 056.01 приложение 2. Перед сваркой необходим предварительный подогрев минимум 50єС.

Корневой проход варится полуавтоматической сваркой в защитном газе с использованием металлопорошковой проволоки. Подготовка соединения под сварку см. рис. 7.2 Сварка корневого прохода выполняется на съемной керамической подкладке. С одной стороны выполняется два прохода на съемной подкладке. Далее следует переворот изделия, при необходимости подрубка корня шва, после производится сварка одного прохода. Сварка корня шва на этом считается выполненной, далее следует заполнение разделки.

Заполнение разделки происходит с использованием сварочной консоли под флюсом. Сварка начинается с заполнения швов под номерами 1, 1−1, 1−2, 1−3, 1−4 чертеж А1.

Далее заполняются швы под номерами 1−5, 1−6, 1−7, 1−8, 1−9 чертеж А1. Заполняется одна сторона данных швов см. рис. 7.9а, далее следует переворот и заполнение второй стороны до конца см. рис. 7.9б.

По окончанию сварки необходимо срезать выводные пластины см. рис. 7.7, после 24 часов произвести неразрушающий контроль швов: визуальный 100%, магнитопорошковый 100% и ультразвуковой 100%. Далее удаляют распорки.

7.2 Аттестация сварочной процедуры

Для проведения сварочных работ необходима аттестованная сварочная технология WPQR (welding procedures qualification record). В соответствии с HLA-4A аттестация сварочной процедуры производится по стандарту DNV — OS — C401.

Для образцов использовалась сталь S355J2 по стандарту EN 10 025.

Размеры образцов:

l мин. = 400 мм;

L мин. = 1000 мм;

t = 40 мм.

Корень образца был заварен металлопрошковой проволокой с использованием сварочного полуавтомата, защитный газ Ar 82% + CO₂ 20%, заполнение разделки осуществлялось сваркой под флюсом.

8. Контроль качества материалов и качества изготовления изделия

Контроль качества основных, расходных материалов и контроль производственного процесса являются важными составляющей для получения в конечном итоге качественной продукции.

Приём материалов, контроль и маркировка.

Предварительную проверку товара осуществляет работник склада в соответствии со схемой проверки товара. О выявленном браке у изделия работник склада фиксирует в накладную, маркирует товар с протоколом несоответствия, информирует контролера качества и передает информацию также специалисту по поставкам. Маркировка материалов производится поставщиком или работником склада при приме на склад. После распилки или резки маркировку осуществляет производственный рабочий, когда образуется новая деталь.

Проверка документации на материалы.

Приложенные к сопроводительным документам сертификаты работник склада передаёт специалисту по поставкам для проверки их соответствия заказу и соответствие материалов техническим требованиям заказчика в течение 1 рабочего дня. Специалист по поставкам фиксирует проведённый контроль с персональным штампом на сертификате. Сертификаты основных материалов хранятся вместе с документацией проекта. Сертификаты сварочных материалов хранит работник склада. Дополнительное испытание основных материалов организует отдел закупки, и дополнительное испытание сварочных материалов организует координатор сварочных работ.

Складирование товара.

Работник склада маркирует товар номером проекта и принимает меры, гарантирующие сохранность качества товара. Необходимые для сохранности материалов условия окружающей среды измеряются работником склада, который фиксирует их в регистре слежения за условиями окружающей среды. Отпуск со склада расходных материалов регистрирует работник склада расходных материалов в регистре выдачи расходных материалов.

Сварочный персонал.

Все сварщики должны быть аттестованы в соответствии с предъявляемыми требованиями стандартов, по которым изготавливается продукция. Ответственным за это является координатор по сварочным работам.

Сварочные процедуры.

Все сварочные работы должны производиться на основе аттестованных сварочных процедурах. Ответственным является инженер по сварке.

Проверка и тестирование.

За организацию контроля качества отвечает менеджер по качеству. За осуществление контроля качества отвечает контролер качества. За составление плана по обеспечению качества проекта и по контролю качества (QA & ITP Plan), а также за слежением о его выполнении и об информировании руководителя проекта отвечает специалист по качеству. За проведение заключительных испытаний и информирование третьих сторон о необходимости контроля отвечает специалист по качеству.

Планирование контроля качества В начале каждого проекта специалист по качеству в сотрудничестве с руководителем проекта и ответственным технологом составляет план по обеспечению качества и по контролю качества в соответствии с представленным заказом и требованиями стандартов. QA & ITP Plan должен быть составлен в течение 14 дней после получения заказа и представлен руководителю проекта. Специалист по качеству просматривает наличие процедур NDT и их пригодность к конкретному проекту, в начале каждого проекта составляет NDT заказ для осуществления контроля, принимая за основу требования, приведенные в QA & ITP Plan проекта. Каждую неделю специалист по качеству на основании существующего положения вещей по части проектов составляет Еженедельный план контроля качества (Weekly Inspection and Test Plan) для контролера качества, третьих сторон и при необходимости для представителя клиента и передает его по условленным каналам электронная почта, бумажные носители.

Контроль качества в ходе производственного процесса.

Контроль качества осуществляется контролером качества в соответствии с касающимися контроля пунктами процедуры производства и в соответствии с QA & ITP Plan проекта. Для осуществления контроля бригадир представляет контролеру качества письменную заявку на проведение контроля. Кроме того, контролер качества может во время производства проводить выборочные проверки.

В конце предыдущего рабочего дня мастер составляет ежедневный план по контролю NDT. Утром следующего дня план NDT передается оператору NDT контроля, на его основании осуществляется контроль. Мастер производства может в соответствии с производственной необходимостью менять очередность контроля NDT. Мастер должен организовывать работу так, чтобы оператор NDT мог осуществлять контроль NDT.

Контроль третьей стороны заказывает контролер качества и фиксирует это в формуляре Inspection Report, где третья сторона регистрирует результаты своей проверки. После осуществления контроля третья сторона передает результаты специалист по качеству. В случае возникновения замечаний специалист по качеству информирует руководителя проекта, и при необходимости принимаются корректирующие меры.

Фиксация измерений.

Контроль размеров осуществляет контролер качества в соответствии с касающимися контроля пунктами процедуры производства и процедуры осуществления замеров, а позже фиксирует результаты в протоколе замеров и / или в Dimensional Control Report.

Заключительный контроль внутри предприятия.

Специалист по качеству проводит действия заключительного контроля изделия в сотрудничестве с контролером качества и фиксирует результаты контроля в протоколе заключительного контроля. Изделие считается принятым, если испытание или контроль дает удовлетворительные результаты, соответствует приведенным в заказе чертежам, спецификациям и произведено в соответствии с требуемыми стандартами, и если документация на изделие проверена и акцептирована.

Если в ходе заключительного контроля выявляются несоответствия, специалист по качеству сразу информирует об этом руководителя проекта, вместе с которым принимает решение об устранении несоответствия.

Если результаты заключительного контроля изделия удовлетворительные, то специалист по контролю предоставляет изделие клиенту для заключительного контроля с его стороны, или в случае отсутствия клиента — менеджеру по качеству для принятия решения о выпуске изделия.

Журнал регистрации производственного процесса.

В конце проекта составляется ЖРПП, который содержит данные о качестве изготовленного изделия. ЖРПП должен содержать следующие документы:

1. Рабочие чертежи.

2. Документы проверки материалов и / или сертификаты.

3. Документы проверки сварочных материалов.

4. Спецификации сварочных процедур.

5. Данные о техническом уходе за оборудованием.

6. Протоколы квалификации сварочной процедуры.

7. Свидетельства о проведении аттестации сварщиков.

8. Данные термообработки (в том числе данные о последующей сварке термообработки).

9. Сертификаты лиц, проводящих неразрушающий контроль.

10. Спецификации и данные процедуры термообработки.

11. Протоколы проверки размеров.

12. Данные о ремонтных работах и отчёты о несоответствии.

13. При необходимости прочие документы.

Данные документы хранятся пят лет, если нет прочих специальных предписаний.

Заключение

В данной работе были определены сварочные швы при изготовлении изделия, которые являются наиболее трудоемкими. Рассмотрены три возможных варианта сварки данных швов, из возможных способов сварки была выбрана автоматическая колонна для сварки под флюсом фирмы PEMA. Для облегчения работы и возможности изменения положения изделия в пространстве был выбран позиционер фирмы PEMA, для крепления изделия к позиционеру разработана оснастка.

Расчет трудоемкости при использовании новой технологии сварки показал, что нам необходимо две сварочных консоли и два позицинера для выполнения годовой производственной программы. Загрузка оборудования составит 80% при двухсменной работе.

Для экономической целесообразности инвестиций в данное оборудование был проведен экономический анализ, который показал, что окупаемость оборудования при стоимости 420 000 евро составит 2,8 года.

Данное оборудование было закуплено и успешно внедрено на производстве фирмы E-Profiil.

1. Offshore standard DNV-OS-E101, Drilling Plant, October 2009.

2. Technical specification for fabrication, assembly and completion of equipment packages, HLA-4A rev.8.

3. DNV-OS-C401, Fabrication and testing of offshore structures, October 2010.

4. EVS — EN 1011, Welding — Recommendations for welding of metallic materials — Part 1: General guidance for arc welding.

5. EVS — EN 1011, Welding — Recommendations for welding of metallic materials — Part 2: Arc welding of ferritic steels.

6. Расчет режимов механизированных способов сварки, методические указания, СЗТУ, СПб 2007. — 17 с.

7. Акулов А. И. Технология и оборудование сварки плавлением. — М.: Машиностроение, 1977, — 432 с.

8. Каталог оборудования фирмы Lincoln Electric, Digital Submerged Arc Welding Systems. http://www.lincolnelectric.com/assets/global/Products/K2803−1/e9181.pdf

9. Каталог оборудования фирмы Pema, Positioners.

10. Каталог оборудования фирмы Pema, Welding column and booms.

11. Каталог сварочных материалов фирмы Oerlikon.

12. Каталог сварочного оборудования фирмы KOWELD.