Painelaitehitsauksen laadunhallintajärjestelmän kehittäminen voimalaitosten kunnossapitotöissä

Diplomityössä tarkastellaan paineenalaisten laitteiden hitsaukseen liittyviä laadullisia asioita voimalaitosten kunnossapitotöissä. Työssä selvitetään hitsauksen laadunhallinnan on-gelmakohtia ja niiden aiheuttajia sekä tutustutaan erilaisiin toimintaa helpottaviin laadun-hallinnan työkaluihin. Teoriaosuus koostuu erilaisiin laatutyökaluihin, kuten ISO 9001- ja ISO 3834 -standardeihin, Total Welding Managementiin ja Benchmarkingiin tutustumisesta sekä hit-sauksen laatukäsitteen tarkentamisesta. Osaa näistä laadunhallinnan työkaluista käytettiin parantamaan painelaitehitsauksen laatujärjestelmää voimalaitosten kunnossapitotöissä. Laadunhallinnan kannalta korjaus- ja kunnossapitotyöt ovat haastavia, koska ne ovat todel-la monipuolisia ja lähes aina erilaisia. Hitsaustyöt ovat usein toisistaan poikkeavia, eikä valmistavaa hitsaustuotantoa suoriteta kuin harvoissa tapauksissa. Havaittuja ongelmakoh-tia olivat tiedonkulun puutteet suunnittelun ja työn toteutuksen välillä sekä painelaitteiden hitsaustöistä vaadittavien dokumenttien laadinnan ja tiedonjaon hitaus. Helsingin Energian painelaitehitsauksen laatujärjestelmän päivityksen yhteydessä huomat-tiin, että uusien tiedonjakojärjestelmien käyttöönotto helpottaa dokumenttien saatavuutta ja pienentää huomattavasti henkilöstön työtaakkaa laadittaessa painelaitteiden vaatimusten-mukaisuusvakuutuksia ja muita vaadittavia dokumentaatioita.

Lakisääteiset hitsaustyöt ja niiden laadunhallinta

Tässä diplomityössä selvitettiin UPM Kaukaan tehtailla esiintyviin lakisääteisiin hitsauskohteisiin liittyvää lainsäädäntöä ja lainsäädännön vaikutusta hitsaukselle. Lakisääteisiä hitsauskohteita ovat räjähdysvaaralliset tilat, painelaitteet, kemikaaliputkistot, kemikaalisäiliöt, maakaasulaitteet sekä kantavat teräsrakenteet. Diplomityössä selvitettiin lisäksi hitsauksen laadunhallintaa huomioiden korjaushitsaustyöt sekä uuden rakentaminen. Lakisääteet tuovat hitsauksen suorittamiselle usein tarkasti määritellyt velvoitteet koskien esimerkiksi dokumentointia, hitsaushenkilöstön pätevyyksiä, materiaaleja ja niin edelleen. Lakisääteet lisääntyvät jatkuvasti ja soveltamisalueet laajenevat, jolloin asioiden ylläpitäminen vaatii jatkuvaa seurantaa. Työssä luotiin ohjeistus koskien yleisesti hitsausta ja lisäksi käyttäjän ja omistajan velvoitteita koskevat ohjeet painelaitteista, maakaasulaitteista ja kemikaalilaitteista. Hitsauksen yleisohje koskee jokaista hitsaustapahtumaa korjaushitsauksesta uuden rakentamiseen. Ohje soveltuu lisäksi sopimusliitteeksi hitsaustyön tilauksissa.

Terästankkien valmistusvaiheen kustannus- ja aikataulurakenteen määrittäminen

Diplomityössä tutkittiin erilaisilla loppuasennusmenetelmillä toimitettujen terästank-kien kustannus- ja aikataulurakennetta. Usein terästankit valmistetaan valmiiksi muotoon valssatuista levyistä työmaalla kasaanhitsaamalla. Tämä ei ole ainoa terästankin valmistusvaihtoehto, myös ruuvaus, niittaus, kiilaliitos ja konepajalla suuremmiksi kappaleiksi hitsaus ovat yleisesti käytössä. Terästankkien valmistuskustannuksiin vaikuttavat materiaali, esivalmisteiden työstäminen, kuljetus ja loppuasennus. Tankin valmistusmenetelmä ei merkittävästi vaikuta tankin materiaalikustannuksiin. Materiaalikustannuksiin vaikuttavat eniten käytettävä materiaali ja tankin geometriset ominaisuudet. Tankin esivalmisteiden valmistusaika määräytyy loppuasennusmenetelmästä. Pidempi esivalmistusaika lyhentää loppu-asennusaikaa. Kokonaisena toimitetussa tankissa esivalmistuksen osuus on suurempi kuin hitsatussa tankissa, mutta loppuasennusaika on vain murto-osa hitsattavan tankin loppuasennusajasta. Ruuvattavassa tankissa laippojen hitsaus levyihin lisää esivalmistusaikaa, kun rullattavassa tankissa aikaa vievät vaippalevyjen kasaanhitsaaminen ja rullaaminen. Tankin loppuasennustapa voidaan, etenkin halkaisijaltaan noin 10 m:llä tankeilla, valita kohdemaan mukaan, koska erot valmistuskustannuksissa ovat pieniä eri toimitusmuotojen välillä. Tosin kokonaisen 10 m halkaisijaltaan olevan tankin kuljettaminen ei aina ole mahdollista eikä kannattavaa. Sen sijaan halkaisijaltaan 5 m:llä tankeilla kokonaisena toimittaminen on varteenotettava vaihtoehto. Sopivin tankkivaihtoehto, kokonainen, hitsattava, ruuvattava tai rullattava, tulee miettiä aina tapauskohtaisesti, kohdemaan, hitsausosaamisen, kuljetusmahdollisuuksien ja loppuasennuspaikan mukaan.

Ruostumattoman teräksen käyttö ja käyttövaatimukset LNG:n varasto- ja kuljetusjärjestelmissä

On arvioitu, että koko maailmaa kattava energiantarve nousee 1,2 % vuosinopeudella. Asiaa ei kaunista se tosiasia, että valtaosa tänä päivänä tuotetusta energiasta (85 %) on lähtöisin fossiilisista polttoaineista. Päästöjen on arvioitu lisääntyvän 2005 – 2030 välisenä aikana noin 30 %, vaikka uusiutuvaa energiaa käytettäisiin ja prosessien hyötysuhteet paranisivat. Vuonna 2015 voimaan tuleva rikkidirektiivi on pakottanut asiantuntijat löytämään korvaavan energialähteen, joka vähentäisi päästöjen määrää, ja jota esiintyisi suurissa määrissä. Nesteytetty maakaasu, LNG, toteuttaa edellä mainitut ehdot. Tässä diplomityössä perehdytään LNG-teollisuuden arvoketjuun Suomessa sekä muualla maailmassa. Työssä pääpainona on selvittää ruostumattoman teräksen käyttömahdollisuuksia nykyisessä LNG-teollisuuden arvoketjussa sekä selvittää sen uusia sovelluskohteita LNG-alalla tulevaisuudessa. Diplomityössä on tehty laaja kirjallisuuskatsaus LNG:n arvoketjuun ja uuden EN 1.4420 ruostumattoman teräksen soveltuvuuteen kryogeenisissä lämpötiloissa. Työn aikana on myös tehty useita haastatteluja LNG-teollisuudessa toimivien henkilöiden kanssa. Menetelmäkokeita ja koehitsauksia on suoritettu näiden haastattelujen perusteella.

Käsinhitsauksen mekanisointiratkaisujen kehittäminen

Työn tavoitteena on kehittää asiakkaiden käsinhitsausta kartoittamalla heidän hitsaavaa tuotantoa, sekä sen mahdollisia ongelmia. Järjestettävän hitsauskokeen avulla mitataan mekanisoidun hitsauksen tuottavuutta, laatua ja työergonomiaa. Työ sisältää teoreettisen ja käytännöllisen osuuden. Teoreettinen osuus pohjautuu kirjallisuuteen ja käytännöllinen osuus eri yrityksien kyselyihin ja haastatteluihin sekä hitsauskokeeseen. Teoreettinen osuus käsittelee käsinhitsausta ja siihen liittyviä mekanisointiratkaisuja. Käsinhitsauksessa käsitellään yleisimmät käsinhitsausprosessit, käsinhitsattava tuote ja tuotanto sekä sen tuottavuutta. Mekanisointiratkaisuissa käsitellään yleisimmät mekanisointiratkaisut ja laitteet sekä käytännön toteutusta. Käytännöllisessä osuudessa yritykset pitivät nykyisin hitsauksessa tärkeimpänä hitsaajien ammattitaitoa, tuottavuutta, työn mielekkyyttä, laatua sekä työturvallisuutta. Yrityksien tulisi tarkastella tuotannossaan hitsaussolujen sisältöä, sisäistä logistiikkaa ja kappaleiden kiinnitystä. Kappaleenkäsittelijään yrityksiltä tuli paljon kehitysideoita, kuten kiinnitykseen valmiita ratkaisuja sekä pöytälevyyn erilaisia vaihtoehtoja. Hitsauskokeen perusteella kappaleenkäsittelijällä työaika oli 29,4 % pienempi kuin työpöydällä. Laadullisesti koe antoi myös positiivisia tuloksia, käsittelypöydässä hitsattuja rakenteita ei tarvinnut korjata, mutta normaalissa työpöydässä piti, jotta C –luokan vaatimukset täyttyivät. Työturvallisuuden ja ergonomian kannalta suurimmat hyödyt olivat hyvä työasento, huurujen ja kurkottelun vähentyminen, mahdollisten palovammojen vähentyminen sekä vähemmän vaaraa osien putoamisesta.

Flexible multibody dynamics and intelligent control of a hydraulically driven hybrid redundant robot machine

The assembly and maintenance of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) vacuum vessel (VV) is highly challenging since the tasks performed by the robot involve welding, material handling, and machine cutting from inside the VV. The VV is made of stainless steel, which has poor machinability and tends to work harden very rapidly, and all the machining operations need to be carried out from inside of the ITER VV. A general industrial robot cannot be used due to its poor stiffness in the heavy duty machining process, and this will cause many problems, such as poor surface quality, tool damage, low accuracy. Therefore, one of the most suitable options should be a light weight mobile robot which is able to move around inside of the VV and perform different machining tasks by replacing different cutting tools. Reducing the mass of the robot manipulators offers many advantages: reduced material costs, reduced power consumption, the possibility of using smaller actuators, and a higher payload-to-robot weight ratio. Offsetting these advantages, the lighter weight robot is more flexible, which makes it more difficult to control. To achieve good machining surface quality, the tracking of the end effector must be accurate, and an accurate model for a more flexible robot must be constructed. This thesis studies the dynamics and control of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant hybrid robot (4-DOF serial mechanism and 6-DOF 6-UPS hexapod parallel mechanisms) hydraulically driven with flexible rods under the influence of machining forces. Firstly, the flexibility of the bodies is described using the floating frame of reference method (FFRF). A finite element model (FEM) provided the Craig-Bampton (CB) modes needed for the FFRF. A dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using the constrained Lagrange equations and the Lagrange multiplier method. Subsequently, the reaction forces between the parallel and serial parts were used to study the dynamics of the serial robot. A PID control based on position predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders of the robot. Secondly, in machining, to achieve greater end effector trajectory tracking accuracy for surface quality, a robust control of the actuators for the flexible link has to be deduced. This thesis investigates the intelligent control of a hydraulically driven parallel robot part based on the dynamic model and two schemes of intelligent control for a hydraulically driven parallel mechanism based on the dynamic model: (1) a fuzzy-PID self-tuning controller composed of the conventional PID control and with fuzzy logic, and (2) adaptive neuro-fuzzy inference system-PID (ANFIS-PID) self-tuning of the gains of the PID controller, which are implemented independently to control each hydraulic cylinder of the parallel mechanism based on rod length predictions. The serial component of the hybrid robot can be analyzed using the equilibrium of reaction forces at the universal joint connections of the hexa-element. To achieve precise positional control of the end effector for maximum precision machining, the hydraulic cylinder should be controlled to hold the hexa-element. Thirdly, a finite element approach of multibody systems using the Special Euclidean group SE(3) framework is presented for a parallel mechanism with flexible piston rods under the influence of machining forces. The flexibility of the bodies is described using the nonlinear interpolation method with an exponential map. The equations of motion take the form of a differential algebraic equation on a Lie group, which is solved using a Lie group time integration scheme. The method relies on the local description of motions, so that it provides a singularity-free formulation, and no parameterization of the nodal variables needs to be introduced. The flexible slider constraint is formulated using a Lie group and used for modeling a flexible rod sliding inside a cylinder. The dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using Hamilton’s principle and the Lagrange multiplier method. A linearized hydraulic control system based on rod length predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders. Consequently, the results of the simulations demonstrating the behavior of the robot machine are presented for each case study. In conclusion, this thesis studies the dynamic analysis of a special hybrid (serialparallel) robot for the above-mentioned special task involving the ITER and investigates different control algorithms that can significantly improve machining performance. These analyses and results provide valuable insight into the design and control of the parallel robot with flexible rods.

Lujien painelaiteterästen hitsaus

Työn tavoitteena oli tutkia lujan nuorrutetun painelaiteteräksen P500QL2 hitsattavuutta ja koehitsausten avulla löytää optimaaliset hitsausparametrit ja lämmöntuonti teräksen hitsaukseen. Työn tavoitteena oli myös selvittää ja käsitellä kaikkien painelaiteterässtandardissa esitettyjen lujien painelaiteterästen hitsauksessa huomioon otettavia asioita. Työn teoriaosuudessa käsitellään lujien painelaiteterästen hitsauksessa huomioitavia erityispiirteitä, kuten lämmöntuontia, jäähtymisaikaa, esilämmitystä sekä hitsausaineiden valintaa. Lisäksi teoriaosuudessa käsitellään painelaitteiden valmistusta, painelaiteterässtandardiin kuuluvia lujia painelaiteteräksiä sekä keinoja lujien terästen hitsattavuuden arviointiin. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin aineenvahvuudeltaan 50 mm paksun P500QL2-teräksen päittäisliitoksen mekaanisia ominaisuuksia eri lämmöntuonneilla hitsattuna. Kokeellisessa osassa tutkittiin myös myöstön poisjättämisen vaikutuksia liitoksen mekaanisiin ominaisuuksiin. Mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin toteuttamalla koekappaleiden aineenkoetus menetelmäkoestandardin vaatimuksia soveltaen. Tutkimuksessa käytettyjä testausmenetelmiä olivat silmämääräinen tarkastus, magneettijauhetarkastus, ultraäänitarkastus, mikro- ja makrorakennetarkastelu, kovuuskokeet, vetokokeeet ja iskukokeet. Testauksessa saatujen tulosten avulla lujan painelaiteteräksen P500QL2 hitsaukseen laadittiin alustava hitsausohje. Hitsausliitosten testauksessa saatujen tulosten perusteella havaittiin hitsien lujuuden ja kovuuden laskevan lämmöntuonnin kasvaessa. Hitsausliitosten iskusitkeysominaisuudet olivat erinomaiset vielä suurellakin lämmöntuonnilla, mutta liitosten murtovenymäarvot laskivat lämmöntuonnin kasvaessa. Myöstön havaittiin parantavan hitsin mekaanisia ominaisuuksia huomattavasti. Tutkimuksen tulosten perusteella painelaiteteräs P500QL2 on hitsattavissa suurella lämmöntuonnilla ja suurella tuottavuudella liitoksen täyttäessä painelaitevalmistuksen edellyttämät vaatimukset.

Arktisissa olosuhteissa käytettäville materiaaleille ja hitsatuille rakenteille asetetut vaatimukset

Diplomityössä tarkastellaan kohdeyrityksen hitsatuille teräsrakenteille asetettuja vaatimuksia Norjan ja Venäjän arktisilla alueilla. Teknisten vaatimusten lisäksi tutkitaan terästen kylmäkäyttäytymistä ja hitsaustuotannolle kohdistettuja vaatimuksia. Tutkimuksen lopussa käsitellään Venäjän ja Norjan markkinoiden erityispiirteitä ja keinoja markkinoille pääsemiseksi. Tutkimuksen perusteella havaitaan, että kohdeyritys voi suunnitella ja valmistaa sekä Norjan että Venäjän vaatimusten mukaisia rakenteita ilman suuria muutoksia rakenteisiin tai hitsaustuotantoon. Materiaalien ja valmistuksen laadun sekä niiden valvonnan merkitys korostuu arktisissa hankkeissa. Yrityksellä on käytössään standardit EN 1090, ISO 9001, ISO 3834 ja ISO 14122, jotka edesauttavat yrityksen kansainvälistymistä. Hitsattujen rakenteiden haurasmurtumariski kasvaa kylmissä olosuhteissa. Haurasmurtuman ydintymistä edesauttavat tekijät täytyy tunnistaa ja niitä on vältettävä suunnittelussa ja valmistuksessa. Lujempien ja sitkeämpien terästen käyttäminen kylmissä olosuhteissa on perusteltua, mutta ne asettavat omat haasteensa hitsaukselle.

Hitsauslankojen kallistuskulmien vaikutus hitsausliitoksen ominaisuuksiin S355-rakenneteräksen tandem-MAG-pienahitsauksessa

Tämä kandidaatintyö on tutkimus hitsauslankojen kallistuskulmien vaikutuksesta hitsausliitoksen ominaisuuksiin tandem-MAG-pienahitsauksessa S355-rakenneteräkselle. Kokeellinen osuus suoritettiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston hitsaustekniikan laboratoriossa jatkotutkimuksena Binbin Yanin diplomityölle ”Influence of wire configurations of welding S355 structural steel with tandem GMAW”. Tutkimuksen tavoitteena on määrittää tandem-MAG-hitsauksessa käytettyjen hitsauslankojen kallistuskulmien vaikutus hitsausliitoksen ominaisuuksiin. Teoriaosuuden tavoitteena on selvittää myös muiden hitsausparametrien vaikutus hitsausliitoksen ominaisuuksiin sekä perehtyä hitsisulan käyttäytymiseen terästen tandem-MAG-hitsauksessa.

Putkimaisten kappaleiden hitsausautomaatioratkaisun kehittäminen

Putkipalkkiliitosten käyttäminen offshore-teollisuuden rakennusten tukirakenteissa on erittäin yleistä. Liitosten valmistaminen on hankalaa ja hidasta. Hyvin usein tukirakenteiden putkipalkkiliitokset joudutaan hitsaamaan manuaalisesti tukirakenteen suuren koon vuoksi. Tukirakenteen uudella valmistustavalla, jossa rakenne kootaan pienemmistä osista, voidaan putkipalkkiliitosten valmistaminen ja hitsaaminen automatisoida. Robottihitsausasema sekä sen käyttöliittymä ja ohjelmisto todettiin toimivaksi ratkaisuksi putkipalkkiliitosten hitsaamiseen. Automaatiosuunnitteluun liittyy monia eri vaiheita, joiden huolellinen läpikäynti takaa todenmukaisemman konseptiratkaisun. Konseptiratkaisu kehittyy samalla, kun laitteistoja ja layoutia muokataan valmiimmiksi. Automaatiosuunnittelun aikana pyritään löytämään oikea taso automaatiolle. Valittu automaation taso vaikuttaa tuotannon tuottavuuteen, läpimenoaikaan ja joustavuuteen. Automaation määrällä vaikutetaan myös ihmisen tekemän työn määrään ja työnkuvaan. Tässä diplomityössä kehitettiin Pemamek Oy:lle hitsausautomaatioratkaisuja putkimaisille kappaleille. Putkiston osia valmistavan tehtaan hitsaus- ja tuotantoautomaation konseptiratkaisua tarkasteltiin esimerkkitapauksen muodossa, jolla kuvattiin, kuinka automaatiojärjestelmä voidaan suunnitella konseptitasolle. Toinen hitsausautomaatioratkaisu, joka tässä työssä kehitettiin, on robottihitsausasema käyttöliittymineen putkipalkkiliitoksen hitsaamiseen.

Muodonmuutosten ja jäännösjännitysten hallinta kuumennettaessa

Jäännösjännitykset ja muodonmuutokset syntyvät paikallisesti lämmitettäessä tapahtuvan estetyn laajenemisen aiheuttamasta tyssääntymisestä ja jäähtymisestä aiheutuvasta kutistumisesta. Jäännösjännityksiä ja muodonmuutoksia pystytään hallitsemaan hyödyntämällä ennaltaehkäisy, vähennys- ja poistotoimenpiteitä. Mallintamisen avulla pystytään ennakoimaan tapahtuvia jäännösjännityksiä ja muodonmuutoksia. Näin ollen pystytään optimoimaan valmistusta aiheutuvien ominaisuuksien minimoimiseksi.

Tukin mittaus ja optimointi sahalinjassa

Tukin mittaus ennen sahausta ja sahausasetteen optimointi on kehittynyt paljon viimeisen 10 vuoden aikana. Sahauksen kannattavuuden huonontuessa raaka-aineen tehokas hyödyntäminen on muodostunut tärkeäksi osaksi prosessia. Mittalaitteiden tekniikan kehityttyä on ollut mahdollista mitata tukin muoto ja halkaisijat eri kohdista entistä tarkemmin. Sahausasetteen optimoinnilla pyritään raaka-aineen mahdollisimman tehokkaaseen käyttöön eli saamaan mahdollisimman hyvä saanto jokaisesta yksittäisestä sahatusta tukista. Mittaustarkkuus on suoraan kytköksissä sahausasetteen optimointi tuloksen onnistumiseen. Yleisesti tukin mittaus ennen sahausta ja sahausasetteen optimointi tulevat samalta toimittajalta. Työssä tarkasteltiin kahden eri toimittajan tukkimittareita sekä optimoinnin onnistumista sen perusteella. Käytössä oli lasikuituinen mallitukki, jota mitattiin kummankin toimittajan mittareilla. Näin voitiin suoraan vertailla mittauksen ja optimoinnin onnistumista ja verrata sitä optimaalisiin tuloksiin. Työssä käytettiin kandidaatintyössä luomaani toimintamallia tukkimittarin tarkkuuden toteamiseksi. Mittaus- ja optimointivirheistä pystyttiin laskemaan, kuinka paljon tappiota sahalaitokselle aiheutui verrattuna optimaaliseen mittaus- ja optimointitulokseen. Jo pienetkin virheet optimoinnissa ja mittauksessa vaikuttavat sahauksen kannattavuuteen, kun tarkastellaan sahalaitosta jossa sahataan 8000 – 10 000 tukkia yhden työvuoron aikana. Tulosten perusteella mittarit mittaavat hieman virheellisesti, ja kummankin mittarin mittausten perusteella saatiin eri sahausasete optimointitulokseksi. Mittavirheen takia voitiin todeta, että parantamalla mittaustarkkuutta voidaan sahauksen kannattavuutta parantaa.

Adaptiivisen hitsausvalokaaren hyödyntäminen MAG-kuumakaarihitsauksessa

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan MIG/MAG-hitsauksessa käytettävien ohjelmistoratkaisujen kuumakaarihitsaukseen tuomia etuja perinteisiin menetelmiin verrattuna. Pääpaino on hitsausnopeuden, tunkeuman ja laadun tarkastelussa. Hitsauskokeissa käytettävät menetelmät ovat perinteinen 1-MIG-kuumakaarihitsaus ja 1-MIG-kuumakaarihitsaus Kemppi WiseFusion toiminnolla.