Tehollisen lovijännityksen menetelmän käytettävyys ultralujien terästen korkealaatuisten hitsien väsymismitoituksessa

Tässä diplomityössä on tutkittu tehollisen lovijännityksen menetelmän soveltuvuutta ultralujien terästen korkealaatuisten hitsien väsymismitoitukseen. International Institute of Welding suosittelee käyttämään elementtimenetelmässä hitsin rajaviivoilla sekä juuressa fiktiivistä 1 mm pyöristystä, jonka avulla tehollinen lovijännitys määritetään. Kaikille liitostyypeille sovelletaan samaa, kaltevuudeltaan m = 3 olevaa SN-käyrää, jolloin maksimipääjännitystä vastaava väsymisluokka FAT saa arvon 225. Nykyisiä mitoitusohjeita on pidetty kuitenkin liian konservatiivisina, etenkin jos kyseessä on suurilujuuksisesta teräksestä valmistettu korkealaatuinen hitsi. Rajaviivalla vaikuttavaa lovijännitystä on tutkittu mallintamalla liitokset FEMAP – elementtimenetelmäohjelmalla varioimalla rajaviivan pyöristystä. Elementtimenetelmän tuloksia on verrattu analyyttisiin loven muotoluvun laskentakaavoihin. Tutkittavana on ollut Ruukin Optim 960 QC sekä Optim 1100 QC – teräksistä valmistettuja koesauvoja. Koesauvat on valmistettu sekä koestettu pääasiassa Lappeenrannan teknillisen yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa. Tutkittavat koesauvat ovat olleet kuormaa kantamattomia ristiliitoksia sekä päittäisliitoksia. Suurin osa koesauvoista on väsytetty käyttämällä jännityssuhdetta R < 0,11. Koesauvat on jaoteltu jännityssuhteen sekä liitostyypin mukaan. Kaikkien koekappaleiden karakteristiseksi väsymisluokan arvoksi on määritetty FAT 200. Alle 0,11 jännityssuhteella väsytettyjen koekappaleiden karakteristinen väsymisluokka on FAT 230 ja isoilla jännityssuhteilla väsytettyjen FAT 126. Tulosten perusteella nykyiset mitoitusohjeet eivät ole liian konservatiivisia. Väsymisluokkaa FAT 225 voidaan käyttää väsymislaskennassa, mikäli rakenteen kuormitusten suhde on alle 0,1. Isoilla jännityssuhteilla koestettujen koekappaleiden lukumäärä on ollut pieni, joten niiden mitoitukselle ei voida antaa tarkkoja ohjeita.

Rivan kärjen jännityskomponentit

Tässä kandidaatin työssä on tutkitti miten eri jännityskomponentit käyttäytyvät rivan kärjen läheisyydessä. Työssä tutkittiin kahta eri mallia, rivallista levyä ja rivallista levyä hitsauksesta johtuvalla kulmavetäymällä. Tutkimus suoritettiin FEA-analyysin avulla. Komponenttien käyttäytymistä tutkittiin sekä veto- että taivutuskuormituksella. Tuloksissa on verrattu miten kulmavetäymä vaikuttaa komponenttien syntyyn ja miten eri kuormituksilla saadut tulokset poikkeavat toisistaan.

Optimization of strength and toughness on the effect of the weldable high strength steels (hss) used in offshore structures

Optimization of high strength and toughness combination on the effect of weldability is very vital to be considered in offshore oil and gas industries. Having a balanced and improved high strength and toughness is very much recommended in offshore structures for an effective production and viable exploration of hydrocarbons. This thesis aims to investigate the possibilities to improve the toughness of high strength steel. High carbon contents induce hardness and needs to be reduced for increasing toughness. The rare combination of high strength with high toughness possibilities was examined by determining the following toughening mechanism of: Heat treatment and optimal microstructure, Thermomechanical processing, Effect of welding parameters on toughness and weldability of steel. The implementation of weldability of steels to attain high toughness for high strength in offshore structures is mostly in shipbuilding, offshore platforms, and pipelines for high operating pressures. As a result, the toughening mechanisms suggested have benefits to the aims of the effect of high strength to high toughness of steel for efficiency, production and cost reduction.

Pituussuunnassa hitsatun rakenneputken väsymislujuus HF –hitsausta käytettäessä

Tässä diplomityössä määritettiin pituussuunnassa hitsatun rakenneputken väsymislujuus HF –hitsausta käytettäessä. Työn tavoitteena oli vertailla eri jälkikäsittelyjen ja kahden eri materiaalin vaikutusta väsymislujuuteen. Materiaaleina kokeissa oli Ruukki double grade ja Optim 700 Plus MH. Eurokoodi 3 ja IIW määrittelee kiinnityshitseille väsymiskestävyysluokaksi 125-140, kun SN -käyrän kaltevuus, m = 3. Koetuloksia vertailtiin näihin valmiiksi määriteltyihin väsymiskestävyysluokkiin. Ruukki Metals Oy toimitti koemateriaalin kahdenlaisia väsytyskokeita varten, joiden avulla väsymislujuus voitiin määrittää. Ensimmäinen koe suoritettiin värähtelyllä hyödyntäen rakenneputken ominaistaajuutta, jolloin kuormituksen rajajännityssuhde on -1. Toinen väsytyskoe suoritettiin rakenneputkista leikatuille väsytyssauvoille, missä pituussuuntainen HF –hitsi on keskellä sauvaa. Tämä väsytyskoe suoritettiin vetotykytyksellä rajajännityssuhteella 0,1. Väsytyskokeissa havaittiin, että kiinnityshitsi täyttää sille asetetut vaatimukset, koska murtumat tapahtuivat perusaineesta. Tällöin koetuloksia vertaillaan Eurokoodi 3:n perusaineen väsymisluokkaan 160, SN -käyrän kaltevuudella m = 5. Kaikkien koetulosten väsymiskestävyysluokan keskiarvoksi saatiin 185 95 %:n todennäköisyydellä. Tutkimuksessa saatiin arvokasta tietoa kahden eri materiaalin väsymislujuudesta. Materiaalilla ei kuitenkaan havaittu vaikutusta lujuuteen. Eri jälkikäsittelyt eli juuren puolen metallipurseen höyläys tai pituussuuntaisen hitsisauman hehkutus eivät vaikuttaneet väsymislujuuteen. Kokeissa väsymismurtuma ydintyi rakenneputken pinnalta olevista alkuvioista, joten putkien käsittelyä valmistuksen jälkeen voitaisiin parantaa.

Hitsattavan konstruktion laadun ja rakenteen kehittäminen lyöntipaalutuskoneessa

Työn tavoitteena oli Junttan Oy:n valmistaman lyöntipaalutuskoneeseen kuuluvan tärkeän konstruktion, peruskeilin, laadun ja rakenteen kehittäminen. Työ tehtiin osana Tekesin ja usean yrityksen rahoittamaa HitNet-projektia (Hitsaavan teollisuuden hankintatoimen ja toimitusketjun tehostaminen). Peruskeiliä tutkittiin seuraamalla sen valmistusta Junttan Oy:n omassa tuotannossa sekä alihankintayrityksissä. Ongelmana peruskeilin suunnittelussa ja valmistuksessa olivat hyvin tarkat toleranssirajat sen liukupinnoille. Suurimmat ongelmat syntyivät hitsaamisen tuoman suuren lämmöntuonnin aiheuttamien muodonmuutosten ja särmäyksestä johtuvan takaisinjouston yhteydessä. Näihin ongelmiin pyrittiin kehittämään ratkaisuja peruskeilin rakennetta muuttamalla, Total Welding Management -laatutyökalua hyödyntämällä sekä hitsaustoimintaa ja särmäystä kehittämällä. Peruskeilin suunnittelussa ja valmistuksessa havaittujen ongelmien perusteella kehitettiin useita ratkaisuja, joista yksi otettiin käyttöön ja siitä valmistetaan prototyyppi Junttan Oy:n omassa tuotannossa. Uuden mallin valmistuessa päätetään tuleeko siitä korvaaja edeltäjälleen vai testataanko vielä muita kehitysideoita.

EN 1090-laatuvaatimusten kartoitus ja hallinta hitsauksen laatujärjestelmän avulla

Diplomityössä tarkastellaan standardin EN 1090 vaikutuksia Bilfinger Industrial Services Finland Oy:n toimintaympäristössä ja kuinka niitä voidaan hallita hitsauksen laatujärjestelmän avulla. Työssä on myös käsitelty yrityksen pääasiallisen tuotannon eli metallisten teollisuusputkistojen valmistusta sekä laadunhallintaa yleisellä tasolla ja erityisesti hitsauksessa. Rakennustuoteasetuksen mukaisen yhdenmukaistetun standardin EN 1090-1:n siirtymäaika päättyy 1.7.2014 ja se asettaa uudenlaisia vaatimuksia teräsrakentamiseen. Rakennustuotteiden CE-merkintä ja sertifioidun laadunhallinnan järjestäminen vaikuttaa hyvin laajasti suomalaiseen metalliteollisuuteen. Työssä selvitettiin yrityksen nykyiset menettelyt ja kuinka niitä tulisi kehittää uusien vaatimusten mukaiseksi. Tietoa hankittiin keskustelemalla yrityksen henkilöstön kanssa ja tutustumalla sen toimintaperiaatteisiin. Selvitystyötä helpotti jo valmiiksi suhteellisen korkea hitsaustoiminnan laatutaso, joka johtuu vaativien asiakkaiden velvoittamasta laatutyöstä. Työn tuloksena yrityksellä on selkeä kuva miten toimintaa tulee kehittää EN 1090 vaatimusten täyttämiseksi. ISO 3834-2:n soveltaminen paineenalaisten putkistojen valmistuksessa tulee ulottaa myös teräsrakenteiden valmistukseen. Myös vaatimusten mukaisen dokumentaation luomista ja hallintaa tulee kehittää, jotta siitä ei tule liian raskasta henkilöstölle.

Scalable algorithms for height field illumination

Global illumination algorithms are at the center of realistic image synthesis and account for non-trivial light transport and occlusion within scenes, such as indirect illumination, ambient occlusion, and environment lighting. Their computationally most difficult part is determining light source visibility at each visible scene point. Height fields, on the other hand, constitute an important special case of geometry and are mainly used to describe certain types of objects such as terrains and to map detailed geometry onto object surfaces. The geometry of an entire scene can also be approximated by treating the distance values of its camera projection as a screen-space height field. In order to shadow height fields from environment lights a horizon map is usually used to occlude incident light. We reduce the per-receiver time complexity of generating the horizon map on N N height fields from O(N) of the previous work to O(1) by using an algorithm that incrementally traverses the height field and reuses the information already gathered along the path of traversal. We also propose an accurate method to integrate the incident light within the limits given by the horizon map. Indirect illumination in height fields requires information about which other points are visible to each height field point. We present an algorithm to determine this intervisibility in a time complexity that matches the space complexity of the produced visibility information, which is in contrast to previous methods which scale in the height field size. As a result the amount of computation is reduced by two orders of magnitude in common use cases. Screen-space ambient obscurance methods approximate ambient obscurance from the depth bu er geometry and have been widely adopted by contemporary real-time applications. They work by sampling the screen-space geometry around each receiver point but have been previously limited to near- field effects because sampling a large radius quickly exceeds the render time budget. We present an algorithm that reduces the quadratic per-pixel complexity of previous methods to a linear complexity by line sweeping over the depth bu er and maintaining an internal representation of the processed geometry from which occluders can be efficiently queried. Another algorithm is presented to determine ambient obscurance from the entire depth bu er at each screen pixel. The algorithm scans the depth bu er in a quick pre-pass and locates important features in it, which are then used to evaluate the ambient obscurance integral accurately. We also propose an evaluation of the integral such that results within a few percent of the ray traced screen-space reference are obtained at real-time render times.

RFID-tekniikan mahdollisuudet hitsaavassa tuotannossa

Tämän työn tarkoituksena on tutustuttaa lukija RFID-tekniikan perusteisiin ja pohtia kuinka RFID-tekniikkaa voidaan hyödyntää hitsaavassa tuotannossa. Työssä selvitetään lyhyesti RFID-tekniikan historia, mistä RFID-laitteisto koostuu, mikä RFID-tekniikalle on olennaista ja mitä käyttömahdollisuuksia RFID-tekniikalla on osana hitsaavaa tuotantoa.

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.