Konstruktér a svařování I.

Úvod do současného stavu v oblasti navrhování svařovaných konstrukcí

V současné době (2016) není v české odborné literatuře s problematikou svařování pro konstruktéry a v oblasti navrhování svařovaných konstrukcí dostupná aktuální a moderní literatura. Tuto situaci plně reflektuje současné vysokoškolské studium, které převážně odkazuje na tituly z období let 1960 až 1989 a jen pozvolna vznikají zpravidla skromné učební texty a vysokoškolská skripta pro oblast navrhování svařovaných konstrukcí a technologii svařování - témata, která spolu úzce souvisí a musí být chápána komplexně.

Situace je o to složitější, že od poloviny devadesátých let je ČR zapojena do postupného přechodu na normativní základnu EU. Původní normy ČSN, ČSN-SEVT musí být všude, kde jsou v konfliktu s přejímanými standardy EN, zrušeny. Ani samotné normy EN nejsou stabilní oblastí a dochází k jejich vývoji a změnám. Z počátku přechodu na normativní bázi EU byly přejímány normy evropské jako ČSN EN, výjimečně přímo normy mezinárodní ČSN EN ISO nebo některé normy ČSN dokonce byly revidovány ve snaze učinit je kompatibilní s EN – ty jsou označovány původním ČSN. V posledním období se však přechází v mnoha oblastech z již převzatých norem EN na normy mezinárodní (EN ISO).

Pro zajímavost dodejme, že v oblasti navrhování svařovaných konstrukcí a komponent, od ocelových stavebních konstrukcí (ČSN EN 1990), přes kovová potrubí (ČSN EN 13480) po tlakové nádoby (např. ČSN EN 13445) a kotle (např. ČSN EN 12952, 12953) však mezinárodní normy zpravidla nejsou.  Uvedený stav včetně faktu, že řada evropských norem je nově vypracovávána a kompilována z různých národních norem a předpisů a obsahuje mnohdy ve svých prvních vydáních mnoho chyb, nepřesností, rozporů a nedostatků (o kterých se veřejně mnoho či spíše vůbec nemluví) rozpoutává potřebu rozsáhlých revizí již vydaných norem a stav je v plném a neustálém proudu změn, revizí a nových vydání, mnohdy vydaných v ČR jen v původním anglickém jazyce. V takovémto prostředí se pak jakákoliv odborná literatura stává velmi rychle zastaralou, pokud bude obsahem konkrétní způsob navrhování dle platných norem v době vydání literatury.

Je tedy obtížné zpracovat dokument nebo odbornou literaturu, která by byla dobrým základem pro vzdělávání současných projektantů, konstruktérů a technologů v ČR, uvedou-li se informace a odkazy na aktuálně platné normy, neboť jeho aktuálnost nebude dlouhodobá. V souvislosti s až hektickým obdobím, které Evropa zažívá v oblasti normalizace jsou ustanovována různá přechodná období po která platí původní normy, popřípadě jsou či byla období, kdy platily staré i nové normy současně (při zavádění předběžných Eurokódů v ČR). Přechodná období musí být jasně definovaná, aby výrobce mohl zvolit správné normy, má – li dosáhnout prohlášení o shodě výrobku s platnými technickými předpisy.

S ohledem na výše popsanou situaci tak dostupnost moderní odborné literatury o projektování a navrhování svařovaných konstrukcí v českém jazyce není optimální, řečeno mírným jazykem. V zahraničí je tato situace o poznání lepší. I přes průběžné změny evropských technických norem je vydávána literatura s problematikou navrhování svařovaných ocelových konstrukcí či tlakových nádob dle tzv. Eurokódů a literatura z oblasti metalurgie svařování apod.

K oblasti technické normalizace se přidává ještě oblast legislativní, která je oblasti technické normalizace nadřazena (např. bývalá směrnice PED, která od roku 2016 má již nové přepracované vydání včetně nového označení). Konstruktér/projektant si musí být těchto stále probíhajících změn plně vědom při zpracovávání projektové dokumentace a zpracovávání technických specifikací či technických podmínek na zařízení, jejich komponenty a hutní polotovary. Technické normy jsou na obecné úrovni sice nezávazné, nicméně právě legislativa některé z nich „zazávazňuje“. Další technické normy pak stanovuje zpravidla projektant v úvodním či prováděcím projektu. Takto stanovenými normami je následně nutné se řídit a dodržet je v etapě tvorby konstrukční dokumentace a technické přípravy výroby/montáže.

V situaci popsané výše jsou příspěvky jen pouhým úvodním seznámením se s problematikou navrhování svařovaných konstrukcí, stavící na dodnes kvalitní odborné české literatuře doplněná o soudobou rozsáhlou zahraniční literaturu a samozřejmě na osobní zkušenosti z navrhování a výroby svařovaných SKK (systémů, konstrukcí, komponent).

Samostatnou kapitolou je aplikace moderní výpočetní techniky při řešení svařovaných konstrukcí, která je intenzívně nasazována do všech etap životního cyklu svařovaných konstrukcí od prvopočátečních návrhů a studií až po výrobu, montáž, provoz a servis a která mění do nedávna zažité způsoby navrhování i výroby.

Přístup konstruktéra k svařování, technicko – ekonomický ukazatel, moderní znalosti.

Konstruktér již při prvních návrzích se musí zaměřit na takovou konstrukci svařované konstrukce, která přinese maximální úsporu materiálu a bude rovněž možné minimalizovat náklady. Konstrukce se řeší na základě předběžného technicko - ekonomického zhodnocení a volí se optimální varianty.

Maximální ekonomický efekt má náhrada odlitků a výkovků svařenci, zvláště v kusové a malosériové výrobě – kde volba např. odlitků a výkovků pro malé série je ekonomicky v podstatě nereálná. Současně se bez procesu svařování nelze obejít v oblast sériové a masové výroby, kde je proces doprovázen vysokým stupněm robotizace, umožněným jednak větším rozšířením a dostupností průmyslových robotů ale současně i prudkým rozvojem v oblasti „staronových“ procesů svařování.

Mezi takové metody svařování patří např. svařování laserovým paprskem či plazmou, dále u „konvenčních“ metod, zejména svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře aktivních či neaktivních plynů (metoda MIG/MAG), popřípadě trubičkovým drátem s nebo bez ochrany plynů – doplněné popřípadě o synergické linie a různé varianty pulzního svařování. Vrcholem nabídky moderních metod svařování v současnosti je využití moderních elektronických svařovacích zdrojů využívajících invertorové technologie a procesorem řízené charakteristiky svařovacího oblouku. Na druhou stranu nejmodernější konstrukční řešení zejména dynamicky namáhaných náročných konstrukcí v letectví, energetice, dopravě aj. se snaží minimalizovat počty svarových spojů, zbytková pnutí a jakékoliv materiálové nehomogenity. Eliminace počtu svarových spojů na kritických komponentech namáhaných tlakem anebo dynamicky má výrazný bezpečnostní efekt spojený s výrazným ekonomickým efektem, zejména v oblasti kontrol při provozu zařízení. Je tedy nutné, aby pracovníci v etapě projektování/konstruování svařovaných konstrukcí měli rozsáhlé znalosti současného stavu v oblasti rozvoje technologie svařování, v oblasti navrhování svarových spojů, v oblasti materiálového inženýrství, fyzikální metalurgie a mezních stavů materiálu, v oblasti korozního inženýrství, a v neposlední řadě měli zkušenosti z výrobní praxe - aspektu důležitého leč dnes široce opomíjeného.

Praxe z výroby a znalosti technologie výroby jsou nutným předpokladem pro projektanty/konstruktéry, mají-li jimi navržené výrobky být vyrobitelné s rozumnou výší nákladů a požadovanou funkcí a bezpečností svařovaného výrobku. Bohužel dnes běžný je případ, kdy projektanti/ konstruktéři jsou zaměstnanci jedné firmy a výrobu zajišťuje jiná, cizí firma a možnosti získávání zkušeností jsou tak pro projektanty/ konstruktéry ztížené a na druhou stranu přicházejí do výroby výrobní dokumenty s mnoha nedostatky z pohledu stanovení a následné zajištění všech požadavků na svařované konstrukce včetně klíčového propracování technologičnosti konstrukce. V lepším případě zkušený výrobce zasupluje méně zkušené projektanty/ konstruktéry a rozpracuje technologičnost a upraví konstrukční řešení ve vlastní výrobní dokumentaci. Takové řešení ja však spíše vzácnou výjímkou, neboť se s ním zpravidla nepočítá v rozpočtu daného projektu. Hrozí tak, že se vyrábí dle neúplné výrobní dokumentace nebo dle neúplné projektové dokumentace jak je zvyklostí u stavebních konstrukcí. Nejčastějšími chybami jsou: nezatřídění SKK, neuvedení stupňů jakosti svarových spojů, neoznačení nosných svarů, neuvedení rozsahu a druhů NDT, nedostatečné prokótování a uvedení tolerancí, nezakótované svarové spje, nepropracovaná technologičnost konstrukce, neuvedení druhu základních materiálů a hutních polotovarů, neuvedení požadavků na zajištění jakosti včetně svařování atd.

Současná úroveň znalostí v oblasti metalurgie svarových spojů, chování materiálů a rozvoj svařovací techniky umožňuje ekonomicky svařovat velkou část používaných kovových materiálů ve stavbě strojů a zařízení. Na základě dlouhého vývoje poznatků vědy a techniky a nových technologií svařování je běžně možné dosáhnout rovnocenných mechanických a speciálních vlastností svarového spoje a základního materiálu, které jsou rozhodující pro posouzení způsobilosti a spolehlivosti vyráběné svařované konstrukce-svařence. Ať již se jedná o „konvenční“ vlastnosti pevnosti a vrubové houževnatosti, nebo materiálové charakteristiky lomového chování materiálů, korozní odolnost, odolnost creepovému namáhání atd. V oblasti zařízení pracujících pod zvýšeným tlakem a za zvýšených teplot má toto stěžejní význam, jak dále bude upřesněno v části o strukturní stabilitě svarových spojů.

Jedním ze základních ukazatelů při volbě a optimalizaci svařovacího procesu musí být zohlednění zpravidla výrazného negativního dopadu vlivu technologie svařování a použitého svařovacího materiálu (je-li použit) do strukturní homogenity v oblasti svaru a teplem ovlivněné oblasti (TOO) a strukturní stálosti svaru a TOO během provozu a kde naopak platí pravidlo svarové spoje minimalizovat. Záleží vždy na charakteru konstrukce a tzv.vhodnosti pro daný účel. Není např. vhodné snažit se eliminovat svarové spoje u běžných ocelových konstrukcí „za každou cenu“, je však nutné si uvědomovat jejich rizika a vlastnosti. V dnešní době je technologie svařování výrazně zastoupena mezi výrobními technologiemi a neustále toto zastoupení roste. Svarové spoje se staly výrazným konstrukčním nástrojem ekonomického konstruování a nacházejí stále větší uplatnění ve strojírenství.

Maximální ekonomický efekt má náhrada odlitků a výkovků svařenci, zvláště v kusové a malosériové výrobě – kde volba např. odlitků a výkovků pro malé série je ekonomicky v podstatě nereálná. Současně se bez procesu svařování nelze obejít v oblast sériové a masové výroby, kde je proces doprovázen vysokým stupněm robotizace, umožněným jednak větším rozšířením a dostupností průmyslových robotů ale současně i prudkým rozvojem v oblasti „staronových“ procesů svařování.

Etapy výrobního procesu svařované konstrukce

Celý výrobní proces svařované konstrukce od jejího vzniku v projekci až po předání výrobní dokumentace do výroby a montážní dokumentace do montáže lze rozdělit dle charakteristického druhu práce do etap. Tyto etapy mají různý vliv na efektivnost výroby, technickou úroveň a parametry svařence, úsporu materiálu a výrobních nákladů. Budeme-li se držet zvyklostí v ČR, můžeme rozdělit tyto etapy na etapu úvodního projektu, etapu prováděcího projektu a etapu technické přípravy dodavatelů (technická příprava výroby/montáže).

Charakteristické dokumenty z jednotlivých etapa (projektování, navrhování, technická příprava výroby, montáže):

  • Projekční dokumentace - dispoziční řešení, specifikace zařízení, stanovení okrajových vstupních podmínek, stanovení aplikovatelných předpisů a norem a legislativních požadavků, vypracování plánů kvality, zpracování návrhových výpočtů…
  • Konstrukční dokumentace - detailní konstrukční řešení a výrobní výkresy, montážní sestavy, podsestavy, kusovníky (rozpisky materiálu), technické zprávy, návody k obsluze
  • Technologická dokumentace - výrobní a montážní technologické postupy, plány kontrol a zkoušek
  • Technologický vývoj a kvalifikace zvláštních procesů, zkoušky tepelného zpracování, svařování, obrábění, apod.
  • Výcvik a kvalifikace výrobního a kontrolního personálu

Vlastní výrobní etapa svařovaných konstrukcí se skládá zejména z následujících technologických činností:

  • Příprava materiálu, dělení materiálu
  • Příprava svarových ploch strojním obráběním, pálením, apod.
  • Příprava sestavy svařence, ustavení do vzájemné polohy, stehování
  • Svařován
  • Kontrola před, v průběhu a po svařování

Konečná etapa výroby/montáže se skládá zejména z následujících činností:

  • Kontrola kvality svarových spojů a celé konstrukce, tlakové zkoušky, konečné zkoušky, vyhodnocení produkčních zkoušek a předvýrobních svarových spojů aj. (dle plánů kontrol, kontrola a dozor nad výrobou musí být průběžné, po celý výrobní proces a vhodně stanovené)
  • Tepelné zpracování, je-li potřeba, včetně např. zdokumentování a vyhodnocení „svědečných“ kusů
  • Finální obrobení
  • Konečné povrchové úpravy, vyšší úroveň montáže
  • Spuštění zařízení, uvedení do provozu
  • Provozní sledování a zkoušky, monitorování stárnutí zařízení (ageing management), vyhodnocování spolehlivosti konstrukce, zpětná vazba pro další vývoj konstrukce.

Rozhodující vliv na efektivnost výroby má předvýrobní etapa - technická příprava výroby či montáže. Významný vliv na kvalitu pak má dodržení technologické kázně, kvalifikovaný a proškolený personál, aj. během výroby a montáže. Na technickou přípravu navazuje a souvisí logistika, materiálové zabezpečení, operativní řízení, tvorba cen a kalkulací,

Technická příprava výroby či montáže na základě výrobních podkladů (výkresů, technologických postupů) stanovuje požadované konstrukční provedení, postup a organizaci výroby, strojní vybavení, nářadí, nástroje, měřidla, přípravky atd.

Rozsah a hloubka zpracování technické přípravy výroby svařenců závisí na charakteru výroby (kusová, malosériová) a charakteru svařované konstrukce (ocelové stavební a technologické konstrukce, dopravní technika, tlakové nádoby, potrubí, aj.). Výše těchto nákladů na technickou přípravu roste s náročností svařované konstrukce a jejím klasifikování, zatříděním do vyhrazených zařízení atd.

Obecně nároky na technickou přípravu rostou jak co do požadované kvality tak do úrovně požadovaných inženýrských znalostí. Proto je nutné snižování pracnosti aplikací automatizace, výpočetní techniky a nových poznatků vědy a techniky. V oblasti kvality zpracování podkladů k projekční dokumentaci ve všech výše zmíněných etapách musí být výrazné a neustálé zvyšování odborné kvalifikace pracovníků a maximální využívání posledních poznatků vědy a techniky. V neposlední řadě je nutné vyzdvihnout nutnost týmové práce a kvalifikovaného vedení pracovníků a týmů v oblasti projektování/konstruování svařovaných konstrukcí v úzké vazbě na profese technologů.

Výraznou roli v technicko-ekonomickém hodnocení má význam normalizace, který nejen že vede ke snížení nákladů ale v některých případech je jediným ekonomicko-technickým řešením svařované konstrukce. Není např. možné uvést na trh svařované konstrukce zařazené jako vyhrazené dle platné legislativy technických požadavků na výrobky, pokud by nebyly plně v souladu s požadovanými technickými standardy. V současnosti jde např. o směrnici PED pro tlaková zařízení (tlakové nádoby, potrubí, aj.) či legislativu v oblasti stavebních kovových konstrukcí.