„Technologie budoucnosti“ již byla implementována Dr. Ing Andreas Rischem, vedoucím oddělení svařování v německé společnosti BORSIG  GmbH a Bengt Ekelöfem, Senior project managerem ze sekce Svařovací zařízení ve společnosti ESAB ve Švédsku.

Poprvé publikováno: Svetsaren 1-2/1999
Klíčová slova: SAW, řezání plamenem, tlakové nádoby, výměníky tepla, ABW, multifunkční portál.
Segment: Výrobní průmysl
Shrnutí: BORSIG (součást společnosti Babcock – Borsig AG) je známým dodavatelem tlakových nádob a výměníků tepla pro chemický a petrochemický průmysl. Tato společnost optimalizovala své svařovací a řezací výrobní procesy implementací plně automatizovaných systémů pro svařování pod tavidlem (SAW) a
řezání plamenem.

Ve firmě BORSIG používají na tupé sváry do hloubky 120 mm spoje, pokročilý, plně adaptivní proces SAW. Vícevrstvý tandemový proces SAW je kontrolován inteligentním softwarem. Tento software provádí během celého svařovacího procesu svá vlastní rozhodnutí.

Otvory pro křížení trysek v plášti tlakové nádoby jsou vyřezávány průmyslovým robotem. Offline programování pro vyřezávání otvorů s konstantním úhlem úkosu nebo konstantním objemem spoje se děje za použití různých maker.

Pokročilé svařovací a řezací systémy jsou upevněny na multifunkčním portálu, který pojíždí po kolejích. Portál pracuje ve spojení se dvěma  stanicemi kladkových polohovadel se zarážkami proti nechtěnému pohybu, viz obr.1.  Společnost ESAB vyvinula tento typ instalace speciálně  pro potřeby sortimentu firmy BORSIG.

Produkty BORSIG
Jako jeden z vedoucích dodavatelů systémů pro rekuperaci odpadového plynového tepla  a rychle chladících systémů pro chemický a petrochemický průmysl, navrhuje a vyrábí firma BORSIG různé typy výměníků tepla a tlakových nádob.

Výkonné výměníky se používají pro rychlé ochlazení plynu unikajícího z krakovacích pecí v etylenových provozech. Hlavními aplikacemi pro systémy rekuperace odpadového plynového tepla jsou amoniakové, metanolové, vodíkové a zplyňovací aparáty.

Mezi komponenty těchto systémů, vyráběné firmou BORSIG patří:
§ Kotle zpracovávající odpadové plynové teplo
§ HP parní přehříváky
§ HT ohřívací průběžné kotle na odpad
§ Předehříváky
§ Výměníky tepla plyn/plyn
§ Synloop Kotle odpadového tepla
§ Parní válce

Obr. 2 ukazuje typickou konfiguraci pro kombinovaný reformovaný a syntézní systém pro rekuperaci odpadového plynového tepla. Téměř každá tlaková nádoba nebo výměník tepla je unikátní aplikací, navrženou podle požadavků specifického postupu nebo dle limitů klienta.

Všechny tyto aplikace zahrnují vysoké teploty přívodu plynu ( až 1200°C), často je provází vysoký tlak výrobního plynu – až 300 barů, stejně jako vytváření vysokotlaké páry (až 140 barů).

Nároky na kvalitu
Konstrukce a výroba vysokotlakého zařízení je přísně regulována celosvětovými normami o tlakových nádobách, jakými jsou např. AD, ASME, BS, Raccolta, Codap, Stoomwezen, IBR, JS, AS atd. Kvalita výroby a kvalita svařovaných spojení obzvláště, je s ohledem na kritické provozní podmínky tlakových nádob velmi důležitá. Nedokonalosti ve svařované zóně jsou omezeny na absolutní minimum (většinou min. Skupina B podle ISO 5817 nebo lepší).

Každá tlaková nádoba obsahující podélné či obvodové spoje v plášti nebo vstupních a výstupních sekcích podléhá úplnému nedestruktivnímu přezkoušení. Těmito testy jsou: magnetická metoda zjišťování vad nebo kapilární metoda zjišťování vad barevnou indikací, stejně jako 100% rentgenové (RT) a/nebo ultrazvukové (UT) testy.
Tryskové svary se obvykle kompletně přezkušují ultrazvukovým testem.

Před výrobou svaru je nutné provést test kvalifikace procesu (PQR), včetně intenzivního nedestruktivního a mechanického testování, aby se ověřilo, že vlastnosti všech svarů dostojí všem požadavkům specifikovaným v příslušných normách a základních materiálech. Co se týče skupiny základního materiálu, rozsahu tloušťky, vneseného tepla (PWHT), rozmezí svařovacích parametrů (tzn. – teplota předehřátí, svařovací rychlost, voltáž, intenzita proudu, interpass teplota atd.), je proces, který se ve výrobě použije, omezen na kompetentní spektrum PQR.

Materiály a svařovací technologie
Vzhledem k provozním podmínkám zařízení, které bude vyrobeno, se k výrobě tlakových nádob a výměníků tepla používá mnoha různých ocelí. Následující materiály jsou příklady pro hlavní části plášťů výše zmíněných tlakových nádob.
- C ocele vysoké pevnosti (tzn. SA 516 Gr.70) pro pláště parních válců a výměníky odpadního tepla
- C-0.5% Mo ocele (tzn. 15Mo3) pro pláště a trysky parních válců a výkonné výměníky
- Ocele vysoké pevnosti a odolnosti vůči teplotě (tzn. 15 NiCuMoNb 5 nebo SA 302 Gr.B/ Gr.C) pro pláště a trysky parních válců, výměníky odpadního tepla procesních plynů a výměníky odpadního tepla Synloop (parní strana)
- Ocele C-1.25% Cr-0.5% Mo  (tzn. 13 CrMo 4-5) pro pláště výměníků odpadního tepla (parní strana) a pro vstupní a výstupní plynové sekce, trubkovnice nebo kované prstence pro výměníky odpadního tepla procesních plynů (plynová strana)
- Ocele C-2.25%Cr-1%Mo (tzn. 10 CrMo 9-10) a ocele C-3%Cr-1%Mo (10 CrMo 9-10 mod.) pro vstupní plynové sekce, plášť, trubkovnice a trysky ve výměnících odpadního tepla Synloop (plynová strana)

Výše zmíněné či srovnatelné ocele byly svařeny k sobě (tzn. plášť-plášť) nebo byly zkombinovány jedna s druhou (tzn. plášť-trubkovnice). Tloušťka plášťů pro parní válce a výměníky odpadního tepla (parní strana) se pohybuje v rozpětí 40 až 120 mm, pro vstupní sekce plynu ve výměnících odpadního tepla Synloop  narůstá  i na 250 mm. Průměr nádob se může pohybovat od cca 1000 mm (tzn. Výkonné výměníky) do 3000 mm (tzn. výměníky odpadního tepla).Typické aplikace jsou znázorněny na obr. 3 a 4.

Vzhledem k tloušťkám stěn a nutnosti dostát mechanicko-technologickým vlastnostem, vyžaduje většina aplikací, obzvláště vysoce legované ocele, předehřátí během svařování a řezání, stejně jako kontrolovaný příkon energie a omezené interpass teploty během svařování.

Aby se zabránilo trhlinám za studena, je nutné ocele vysoké pevnosti předehřát na teplotu 150°- 250°C. Ocele C-1.25%-Cr-1%Mo- a C-2.25%Cr-1%Mo také vyžadují předehřátí: 200-250°a 250-300°C.

Pro obvodové spoje je obvykle používána U příprava o svařovacím úhlu úkosu 8°. Kužely jsou svařovány do válcovitých částí za použití přípravy V-spoje (úplný úhel otevření 50°). Tryskové svary (vsazená tryska) byly provedeny přípravou poloviční V (svařovací úhel úkosu 30 – 40%). Hlavními svařovacími technologiemi byly GTAW a SMAW pro kořenové svary a SAW pro výplňové a krycí vrstvy a oboustranné svařování.
Za účelem optimalizace kvality výroby a efektivnosti svařovací operace začlenila společnost BORSIG do výrobního procesu značný počet automatických svařovacích a řezacích procesů.
Mezi ně patří plně automatizované svařování trubka - trubkovnice pro výměníky tepla s počítačově řízenými orbitálními svařovacími stroji GTAW (vícevrstvá technologie TIG s výplňovým drátem), automatizované GTAW navařování horkým drátem pro mezní heterogenní spoje, robotické svařování GMAW dvojtrubkových výkonných výměníkových elementů, robotické svařování speciálních výztuhových systémů k tenké trubkovnici a CNC plazma nebo řezání plechů plamenem za použití CAD data a makra-programujících systémů.

Kritéria společnosti BORSIG pro výběr pokročilých svařovacích a řezacích systémů
Do konce roku 1997 bylo svařování obvodových a podélných spojů pod tavidlem, stejně jako vyřezávání otvorů pro trysky do plášťů a do plynových sekcí vstup/výstup, prováděno pouze svařovacím a řezacím zařízením kontrolovaným operátorem. Kvalita operací byla proto nutně ovlivněna znalostmi a zkušenostmi operátorů.

Používání strojů kontrolovaných CNC, které vyžadují absolutní naprogramování není vhodné, protože vlastní geometrie neodpovídá vždy geometrii nominální ( tloušťka základového materiálu, stav spoje, přesnost plášťů, vychýlení atd.) Navíc, předprogramování umístění předcházející vrstvy pro víceprůchodové sekvence vede k redukci efektivity díky nárůstu prostojů.
Takže efektivnější automatizace si vyžádala implementaci inteligentního a adaptovaného softwaru, který je schopen činit vlastní rozhodnutí po celou dobu operace. Toto bylo ověřeno v roce 1997 instalací svařovacího portálu, včetně pokročilé technologie EASB ABW pro procesy SAW a robotické řezací systémy, které lze programovat offline na bázi maker. Pouze vybraný typ softwaru garantuje flexibilitu, která je nutná při výrobě tlakových nádob specializovaných na řešení projektovaná klientovi namíru.

Systém
Plně automatický multifunkční portál  byl vyvinut společností ESAB a projekt byl realizován v těsné spolupráci s inženýry firmy BORSIG. Všechny prvky a programovací jednotky byly navrženy především s orientací na uživatele.

Portál je vybaven plně automatickým, laserem podporovaným, systémem ESAB ABW pro svařování pod tavidlem (viz obr.5), který pracuje ve spojení s se dvěma  150 t stanicemi kladkových polohovadel se zarážkami proti nežádoucím pohybům. To umožňuje svařování podélných švů až do délky 4200 mm a obvodových švů s průměrem až do 3500 mm.

Speciální úzký design kladkového polohovadla umožňuje rotaci nádob s připevněnými tryskami nebo přírubami s maximálním průmětem 750 mm a minimální vzdáleností 500 mm mezi dvěma tryskami a připevněných částí, samostatně.

 Při tloušťce stěny do 120 mm, což platí pro 90% aplikací firmy BORSIG, lze provádět plně automatizované adaptivní tandemové svařování. Při tloušťce stěny do 135 mm je možné mechanizované tandemové svařování s hlavou ESAB ABW. V případě větší tloušťky stěny – až do 250 mm lze použít druhou konvenční jednodrátovou svařovací hlavu.

Ve všech případech, byly všechny automatické nebo poloautomatické operace kontrolovány hlavním kontrolním počítačem, obr.6. Dva 250 l tlakové tanky, umístěné u základny portálu, automaticky dodávají integrovanému systému průběžné obnovy tavidla nové tavidlo.

Alternativně lze v závislosti na proceduře dodávat jiná tavidla z tlakových nádrží u základny. Systém tavidel je vybaven zabudovanými elektrickými ohřivači. Minimální spotřeba tavidla je garantována integrálním tavidlovým odsáváním a cirkulací.

Průmyslový robot typu ABB IRB 2400/S4, vybavený systémem pro řezání plamenem, je upevněn na podvozku instalovaném kolmo na další vozík u hlavního horizontálního výložníku portálu, obr.7.  Oba podvozky jsou instalovány jako lineární robotické osy, které jsou použity k uvedení robota do správné polohy a, pokud si toho situace vyžádá, jako přídavné robotické osy během řezacích operací. Vyřezávání otvorů pro trysky, programovaných offline, na bázi maker, je možné při tloušťce stěn nepřesahující 150 mm.
Systém umožňuje vyřezávání otvorů s průměrem nepřesahujícím 1500 mm. Maximální poměr výřezu a průměru je 0,68. Takže průměr pláště musí být minimálně 2500 mm, chceme-li vyřezat 1500 mm otvor.

Navíc lze portál využít jako multifunkční platformu pro upevňování a svařování trysek a dalšího příslušenství tlakových nádob. Pro tyto účely lze platformu flexibilně modifikovat vyměnitelnými, izolovanými základovými deskami. Celý portál a systémy kladkových polohovadel mohou být volně umístěny na kolejnicích přes 45 m dlouhých. Všechny hlavní energetické a datové kabely byly naistalovány pod pohlahu, v kabelových řetězcích pokrytých odstranitelnými základovými deskami.

Adaptivní program ESAB ABW pro výplň spojů 
Adaptivní tandemový svařovací systém ESAB ABW je připevněn na portálu. Plně automatizovaným postupem výplně spojů se vypořádá s obvodovým a podélným svařováním. To je možné díky inteligentnímu softwaru uvnitř jeho systému.

Skutečná vyměřovací data spojovaného profilu, měřená optickým senzorem během svařování, určují jak požadovanou průběžnou úroveň svařovacích parametrů, tak umístění souvisejících os pro směrovou stabilitu a formování mezivrstev.

To znamená, že velikost svaru a jeho umístění jsou kontrolovány systémovým softwarem autoadaptivním způsobem pro všechny výplňové vrstvy včetně krycích.

Systémový software ovlivňuje následující čtyři výplňové parametry:
§ Svařovací rychlost
§ Proud
§ Umístění svaru
§ Počet svarů ve výplňových a krycích vrstvách

Tato unikátní vlastnost umožňuje ABW adaptovat parametry tak, aby odpovídaly ochylkám v oblasti příčného řezu a geometrii podél linie celého spoje.

Každý ze čtyř výplňových parametrů, ovlivněný systémovým softwarem ESAB ABW, plní v adaptivním procesu výplně svarů ABW odlišné úkoly.
§ Svařovací rychlost kontroluje množství svarového kovu nanesené v různých oblastech podél linie svaru.
§ Proud kontroluje jak výšku svaru, tak množství svarového kovu naneseného v různých oblastech spoje
§ Umístění svaru ovlivňuje vzorec meziběhové formace v různých oblastech spoje.
§ Vybraný počet svarů v každé vrstvě určuje meziběhovou penetraci, tvar spodní části spoje a stupeň výplně svaru.

Unikátní svařovací technologie ESAB ABW je navržena tak, aby poskytla výrobcům zabývajícími se tupými svary vysoké kvality 100% automatizovanou vícevrstvou technologii a tím jim umožnila vyrobit bezkazovou výplň svaru, dokonce i v případě, že geometrie spoje se odchyluje od nominální konfigurace.

Konfigurace systému ESAB ABW byla speciálně modifikována podle požadavků firmy BORSIG. Modifikovaný systém může také přeměřovat spoje mezi  plášti a tlustšími obrubami , stejně jako spoje mezi plášti a kužely, s automatickým vytvářením hladké přechodové kontury mezi dvěma částmi.

Registrace a dokumentace ke svařovací operaci
Kontinuální, plně automatické, víceprůchodové tandemové svařování po mnoho hodin vyžaduje nejen výbornou komunikaci člověk-stroj (MMC) během operace vyplňování svaru, ale také referenční systém, který objasní, jak bylo cíle dosaženo.

Operační softwarový systém ESAB ABW instalovaný ve firmě BORSIG obsahuje referenční systém, v němž jsou ve dvou oddělených souborech registrována data o poloze a svařování z celé operace  – svařovací složka a deník.

Do zprávy o svaru jsou ukládány všechny instalační parametry – typ a rozměr drátu, typ tavidla a přípustné interpass teploty, společně se specifickými parametry postupu
jakými jsou svařovací voltáž, svařovací proud a svařovací rychlosti a zpráva o nich,alarm a stop hlášení.

Do zprávy o svaru se ukládají všechny důležité události: start, konec či konce procesů, restarty, překročené parametry a varování týkající se úrovně tavidla, vysoká či nízká úroveň interpass teploty. Záznam o každé události zahrnuje datum, čas, svařovací vrstvu, svar a polohu spoje. Pokud došlo k překročení některého z parametrů, jsou parametry konkrétního kritického času uloženy také.

Do deníku se neustále (každých 20 mm) zapisují parametry postupu a polohy. Běžná deníková zpráva pro tlustostěnný svařovaný objekt by snadno zaplnila 1000 stránek.

Robotické řezání tryskových otvorů plamenem
Kvůli sedlovému profilu průsečíku trubek ve válcovém plášti je programování celé řezací operace otvorů matematicky komplikované.

Za účelem zjednodušení programového postupu je použit offline počítačový programovací systém typu ARAC.

Dvě makra ověřují kalkulaci sedlové kontury a převádějí ji na robotické koordináty. Lze provádět buď řezy s konstantním úkosem otvoru nebo řezy s konstantním objemem svaru. Operátor vkládá do makra pouze následující data:
§ Průměr pláště
§ Tloušťka stěny
§ Průměr průsečíku otvor/plášť
§ Úhel svarového úkosu
§ Řezací parametry (tzn. Předehřívací čas, parametry plynu, řezací rychlost atd.)
§ Odskokový oblouk pro polohu výřezu a šířku řezu

Po přenesení programu z offline PC do kontrolní jednotky robota a nastavení robota do řezací polohy se ještě před operací zapne speciální měřicí program.

Speciální měřicí senzor připevněný na špičce hořáku provádí v testovacím modu průběžnou kontrolu povrchu na místě výřezu.

Odchylky od optimálního válcovitého povrchu jsou opraveny v makru. Oprava se děje nastavením přídavného odskokového oblouku, aby se zajistila konstantní vzdálenost mezi špičkou hořáku a kovovým povrchem. To je životně důležitá funkce pro dobré a opakovatelné výsledky řezání.

Řezací operaci lze odstartovat speciální jednotkou dálkového ovládání, která se velmi snadno ovládá. Svařovací úkos je řezán najednou, viz obr.8. Veškeré plynové parametry všech plamenů ( předehřívací, propalovací a řezací plamen) lze díky digitálnímu systému míchání plynů přizpůsobit a změnit kdykoli během operace.

Výsledky instalace portálu ve výrobě
Okamžitě po instalaci multifunkčního portálu bylo jasné, že produktivita a úroveň kvality významně narostla. Po jednoletém úspěšném operování systému lze prokázat, že součinností mnoha faktorů se efektivnost výroby tlakových nádob zásadně zvyšuje. Protiposuvná funkce speciálně navrženého systému kladkových polohovadel poskytuje během počáteční fáze svařování a i během něj důležitou výhodu.

Jelikož všechny průmyslově vyráběné pláště, válcované z plechů, vykazují odchylky od ideálního válcovitého tvaru, je bez této funkce nemožné vyhnout se posunu nádob či jejich částí. V minulosti vyžadovalo seřízení konvenčních kladkových polohovadel ( za účelem minimalizace posunu) značné množství času (někdy i více než jednu směnu).

Díky novému systému je pouze nutné umístit nádobu na válečky, a po několika rotacích, které jsou nutné pro synchronizaci, zůstává její horizontální poloha v rozmezí ±1 mm stabilní. Speciální úzká konstrukce kladkových polohovadel v kombinaci s protiposuvným senzorickým systémem redukuje omezení spojená s polohami trysek na absolutní minimum. To umožňuje více flexibility, co se konstrukce tlakových nádob týče.

Po minimální době nutné pro kalibraci a nastavení parametrů lze okamžitě započít svařovací proces. Operátor během svařování dohlíží pouze na odstraňování strusky a vizuálně kontroluje kvalitu svaru zespodu. Prostoj je omezen na absolutní minimum – přerušení je obvykle nutné pouze při výměně svařovacího drátu (100 kg svitek).

Nárůst kvality již tedy není ovlivněn praktickou zkušeností a znalostmi operátora.

Díky adaptivním funkcím výplně svaru v systému ESAB ABW došlo k dramatické redukci množství oprav ve srovnání s konvenčními poloautomatickými stroji SAW. Dostatečně proškolený operátor produkoval pouze bezkazové spoje.

Využití robotického systému k vyřezávání otvorů pro trysky významně snížilo počet dříve nevyhnutelných pracovních kroků.

Již není nutné označovat konturu výřezu na povrchu pláště. Prostoj vytvořený manipulací a polohováním konvenčních mechanických řezacích strojů zcela vymizel. Navíc došlo ke snížení skutečného řezacího času na polovinu, protože výřezy se provádějí v jednom kroku místo běžných dvou (rovný řez a úhlový řez jako oddělené operace).

Co se týče tloušťky stěn, v rozpětí 50 a 150 mm je řezání prováděno s vysokou přesností. Maximální odchylky průměru pro výřez jsou ±2 mm a úhel úkosu svaru se neliší o víc než ±1 °. Tato vysoká přesnost velmi pozitivně ovlivňuje nastavení trysek a následující svařovací operace prováděné za použití svařovacích strojů pro trysky SAW.

Lidský faktor je dalším, velice důležitým bodem. Operátoři a svářeči již nejsou kvůli nutnosti vysoké předehřívací teploty vystavováni vysokoteplotnímu zářeníi, jelikož všechny plně automatizované operace lze řídit z ovládacího stanoviště. Navíc, pokud je nastavení a svařování trysek, nebo i jiné operace, prováděno z pohyblivé a flexibilní platformy, jsou seřizovači i svářeči chráněni izolovanými základovými deskami.
Velmi kvalitní výsledek plně automatizované svařovací a řezací operace není odvislý od soustředění a praktických znalostí operátora. Na druhé straně se ukázalo, že pokud se systémem manipulují zkušení operátoři a řezači, přináší to jisté výhody, neboť už mají pro věc “cit”. Díky konstrukci proces kontrolujících jednotek, orientované na pohodlí uživatele, je k jejich řízení nutná pouze základní znalost PC nebo základní zkušenost s řezacími aplikacemi CNC.

Závěr
Produktivita těžkých provozů firmy BORSIG zřetelně narostla po instalaci nových technologií pro adaptivní svařování a automatické robotické řezání plamenem. Vysoká úroveň automatizace zajišťuje nejvyšší stupeň flexibility spolu s vysokou úrovní kvality. Prostoje jsou ve srovnání s jinými podobnými provozy významně omezeny, což snižuje počet hodin strávený obráběním.

Obr.1 – Multifunkční portál společnosti BORSIG v chodu.
Obr.2 – Typická konfigurace kombinovaného reformovaného a syntézního systému pro rekuperaci odpadového plynového tepla.
Obr. 3 – Kompaktní výrobní jednotka WHB/parní válec pro amoniakový provoz 1500 MTPD.
Obr. 4 – Kotel na odpadní teplo (WHB) pro elektrárnu 270 Mwe kombinovaný cyklus zplyňování uhlí.
Obr. 5 – Tandemová svařovací hlava ABW s laserovým optickým senzorem.
Obr. 6 – Hlavní počítačové kontrolní zařízení svařování.
Obr. 7 – 6ti osý robotický systém pro řezání plamenem.
Obr. 8 – Robotický systém při řezací operaci.