Ventil 3 / 2020 • Letnik 26 180 u porabnost vodotopnega papirja za zaščito Korena zvara Matej Pleterski, Domen Zorko, Damjan Klobčar VARJENJE CEVOVODOV Izvleček: Poleg ustreznih varilnih parametrov je pri varjenju nerjavnih cevovodov bistveno, da zagotovimo primerne varilne pogoje tudi znotraj cevovoda, kjer izdelamo koren zvara. Ta mora biti po mehanskih kakor tudi fizikalno-kemičnih lastnostih sprejemljiv. Koren zvara zaščitimo z vpihavanjem zaščitnega plina v cevovod, ki mu omejimo volumen z uporabo barier, med katere spada tudi vodotopni papir. Ta tip barier se upo- rablja v cevovodih, v katere po končanem varjenju ne moremo več posegati. Neugodne razmere, kot je denimo sprememba tlaka v cevovodu, močno vplivajo na pogoje vzpostavitve primerne atmosfere znotraj cevovoda. Z vodotopnim papirjem je mogoče zagotoviti primerno atmosfero le pri atmosferskem tlaku. Če temu ni tako, je uporaba vodotopnega papirja neprimerna in je potrebno poiskati drugo rešitev. Ključne besede: varjenje cevi, nerjavno jeklo, zaščita korena, vodotopni papir 1 Uvod Zaradi vse večjih zahtev po kakovosti zvarnih spojev moramo pri varjenju cevovodov iz avstenitnih nerjav- nih jekel poleg primernih varilnih pogojev zagotoviti primerno zaščito tudi znotraj cevovoda. Saj le v tem primeru dobimo primerne mehanske in fizikalno-ke- mične lastnosti celotnega zvara. Primerno zaščito zagotavljamo tako, da v cevovod vpihujemo zaščitni plin. Običajno uporabljamo dva načina vpihavanja za- ščitnega plina. Pri dimenzijsko manjših cevovodih npr. zapolnimo kar celoten sistem. Pri dimenzijsko večjih in kompleksnejših cevovodih pa uporabimo bariere za omejevanje volumna, saj na ta način zmanjšamo pora- bo zaščitnega plina ter izničimo vpliv nepredvidljivih pogojev znotraj cevovoda na zvarno mesto [1, 2]. Omejevalne bariere lahko v grobem delimo na dva tipa [3]. Prvi tip so tiste, ki jih po končanem varje- nju izvlečemo iz sistema in so običajno narejene iz polimera (diski, komore ...) [4]. Drugi tip barier so tiste, ki jih po končanem varjenju ni potrebno od- straniti in se z obtekanjem medija razgradijo. Med slednje denimo spada vodotopni papir, ki se zaradi svoje kemične sestave prične razkrajati ob kontak- tu z vodo [5]. Na zanesljivost uporabe takih barier bistveno vplivajo nepredvidljivi pogoji, ki so lahko v cevovodu. Med najvplivnejšimi pogoji je spremem- ba tlaka (npr. dimniški efekt) [2]. V nadaljevanju je predstavljena raziskava, kako sprememba tlaka in hrapavost površine vplivata na zanesljivost zagotavljanja zaščitne atmosfere z uporabo vodotopne bariere. 2 Metodologija raziskave 2.1 Uporabljeni materiali Za raziskavo smo uporabili dva tipa vodotopnih pa- pirjev. Medsebojno se razlikujeta zgolj po obliki in posebnem nanosu na čelni strani papirja. a) Krojena vodotopna bariera je tovarniško krojena bariera [6], ki je namensko narejena glede na zahte- van premer cevi. Na čelni strani bariere je nanos, ki bistveno zniža prepustnost ter tako zmanjša prehod zraka skozi bariero oz. zaščitnega plina iz nje. La- Doc. dr. Matej Pleterski, univ. dipl. inž., Domen Zorko, dipl. inž., oba Numip, d. o. o., Ljubljana; Izr. prof. dr. Damjan Klobčar, univ. dipl. inž., Uni- verza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo Preglednica 1 : Lastnosti uporabljenih vodotopnih materialov [5, 6] Naziv Krojena bariera Nekrojena bariera Sestava C 8 H 15 NaO 8 + lesna kaša + premaz C 8 H 15 NaO 8 + lesna kaša Dimenzije ∅ 305 mm 395 mm × 560 mm × 0,195 mm Gostota ( ρ) 60 kg/m 3 59,88 kg/m 3 Masa na en. površine (m) 0,120 kg/m 2 0,116 kg/m 2 Permeabilnost zraka ( Φ) < 0,005 l/min 2,24 l/min Ventil 3 / 2020 • Letnik 26 stnosti krojenega papirja so podane v preglednici 1. b) Nekrojena vodotopna bariera je nekrojena ba- riera, ki jo od proizvajalca dobimo v obliki lista ve- likosti 395 mm × 560 mm × 0,195 mm (D × Š × V). Kemična sestava je enaka kot pri krojeni vodotopni barieri. Bistvena razlika med njima je, da je to bari- ero potrebno krojiti glede na premer cevi, kar pred- stavlja izgubo časa. Poleg tega je tudi prepustnost materiala v primerjavi s krojeno bariero mnogo viš- ja (≈450 %). Lastnosti nekrojenega papirja so poda- ne v preglednici 1. c) Zaščitni/polnilni plin, ki smo ga uporabljali, je žlahtni plin argon (Ar 4.6). 2.2 Zasnova preizkuševališča Za potrebe raziskave smo izdelali maketo cevo- voda zunanjega premera 323 mm, s katero je mo- goče ustvarjati nepredvidljive pogoje, ki se lahko potencialno pojavijo v realnosti. Maketa cevovo- da je zasnovana do te mere, da lahko kontrolirano zagotavljamo želeno tlačno razliko v njej glede na atmosferski tlak. Vgrajeni so bili priključki, preko ka- terih lahko dosegamo nadtlak/podtlak in izvajamo meritve. Nadtlak/podtlak ustvarimo z dovajanjem kompri- miranega zraka skozi priključke, direktno za nadtlak ali preko injektorja, če želimo ustvariti podtlak. Tlak oz. podtlak merimo z merilnikom tlaka TSI veloci- calc 9565-P, in sicer v prostoru za zaščitno barie- VARJENJE CEVOVODOV 181 Slika 1 : a) Krojena vodotopna bariera; b) nekrojena vodotopna bariera 2 Slika 2 : a) 3D model preizkuševališča; b) dejanski posnetek preizkuševališča Ventil 3 / 2020 • Letnik 26 182 VARJENJE CEVOVODOV ro, medtem ko je predel z zvarom (pred bariero) pod atmosferskim tlakom. Vsebnost kisika znotraj komore merimo z merilnikom koncentracije kisika Pro2 plus. Za lažjo predstavo je na sliki 2a prikazan 3D model cevovoda in na sliki 2b dejanski model cevovoda. Vodotopno bariero postavimo približno 250 mm od zvarne reže, s čimer preprečimo vpliv toplote na bariero, ki se ji lahko zaradi povišane temperature znižajo adhezijske sposobnosti. Kro- jena bariera ima tovarniški nanos lepila na straneh, zato jo je dokaj enostavno namestiti. V naslednjem koraku lepljeni spoj oblepimo z vodotopnim lepil- nim trakom in s tem preprečimo prehod zraka skozi reže na robovih bariere. Nekrojeno bariero moramo predhodno skrojiti, kar je izredno zamudno opravilo. Ko jo skrojimo, je po- stopek namestitve enak kot pri tovarniško krojeni barieri. Meritve so se opravljale na pripravljenem V- -zvaru s širino zvarne reže 4 mm. V nadaljevanju pre- izkušanja smo znižali hrapavost površine na mestu postavitve bariere, in sicer s hrapavosti Ra=3,67 µm na Ra=1,17 µm. Poleg omenjenih spremenljivk (material bariere in hrapavost površine) smo pri preizkusih variirali še dve bistveni spremenljivki, podani v preglednici 2. Poudariti je potrebno, da pri preizkušanju nismo dejansko varili, temveč smo zgolj opazovali in bele- žili pogoje, ki bi bili primerni za varjenje. Preglednica 2 : Spremenljivke Tlačna razlika ∆p [Pa] –30, –20, –10, –5, 0, 5, 10, 20, 30 Pretok V [l/min] 10, 20, 30 Pri vseh preizkusih je uporabljen zaščitni/polnilni plin Ar 4.6. 2.3 Definicija primernih pogojev za var- jenje Primerne pogoje za varjenje smo določili glede na zahtevo o obarvanosti toplotno vplivanega obmo- čja, in sicer stopnja 9 po lestvici obarvanosti AWS D18.2 [7]. Kot zgornjo dopustno vrednost vsebnosti kisika iz- beremo 10 000 ppm, kar je ekvivalentno 1 % kon- centracije kisika. Spodnjo mejno vrednost določimo 500 ppm, kar je ekvivalentno 0,05 % koncentracije kisika. Slednja vrednost nam opredeljuje mejo, pri kateri bi začeli variti. 3 Rezultati in diskusija Rezultati so v našem primeru zadovoljivi, kadar koncentracija kisika pade pod 500 ppm v času, krajšem od 20 min, čas, potreben za dvig koncen- tracije nad 10 000 ppm, pa je daljši od 40 s. Za- dovoljivi rezultati so tudi tisti, kadar koncentracija kisika pade pod mejo 10 000 ppm v času, krajšem od 20 min, in ob hkratnem pogoju, da čas, potre- ben za dvig koncentracije nad mejo 10 000 ppm, presega 40 s. Izvedenih je bilo več preizkusov pri različnih konfi- guracijah spremenljivk. Izpostavimo lahko sledeče preizkuse: Slika 3 : Krivulje dviga koncentracije kisika pri krojeni barieri in nebrušeni cevi Ventil 3 / 2020 • Letnik 26 VARJENJE CEVOVODOV 183 a) Krojena bariera, nebrušena cev Z grafa na sliki 3 lahko povzamemo, da je zanesljive pogoje za varjenje mogoče dobiti v tlačnem obmo- čju ∆p = 0 Pa ter pri pretoku plinov 20 in 30 l/min. V tem območju koncentracija po preteku 10 min še vedno ne preseže zgornje mejne vrednosti. Pri vpi- havanju Ar s 30 l/min pa eventualno še v podtlač- nem območju do –10 Pa. b) Nekrojena bariera (5 slojev), nebrušena cev Če graf s slike 4 primerjamo z grafom s slike 3, lah- ko vidimo, da so rezultati kljub uporabi petih slojev nekrojenih barier bistveno slabši kot pri enem sloju krojene bariere. V tem primeru uspemo sprejemlji- ve pogoje vzpostaviti samo pri pretoku plina 30 l/ min in tlačni razliki ∆p = 0 Pa. Slika 4 : Krivulje dviga koncentracije kisika pri nekrojeni barieri in nebrušeni cevi Slika 5 : Krivulje padca koncentracije kisika pri primerjavi hrapavosti cevovoda Ventil 3 / 2020 • Letnik 26 184 VARJENJE CEVOVODOV c) Krojena bariera, različne hrapavosti Glede na zgornji graf (slika 5) lahko vidimo, da na padec koncentracije vpliva tudi nižja hrapavost ce- vovoda. Pri pretoku plina 20 l/min smo z nižjo hra- pavostjo cevovoda uspeli zagotoviti sprejemljive pogoje na tlačnem intervalu –30 Pa < ∆p < 5 Pa, pri pretoku 30 l/min pa na intervalu –30 Pa < ∆p < 15 Pa. V primerjavi s prejšnjim grafom padca koncentraci- je lahko na podlagi zgornjega grafa (slika 6) povza- memo, da bistvene razlike pri dvigu koncentracije ni, kar se tiče nižje hrapavosti cevovoda. Na tlač- nem intervalu –10 Pa < ∆p < 5 Pa so rezultati pri višji hrapavosti celo boljši. 4 Zaključek Zaključimo lahko, da so pogoji v podtlačnem obmo- čju ugodnejši kakor v nadtlačnem območju. Podtlak namreč omogoča »izsesavanje« zraka iz komore in s tem pospešuje polnjenje zaščitnega plina vanjo. Na zanesljivost bariere ima velik vpliv tudi prepustnost materiala, višja, kot je ta vrednost, tem težje je za- gotavljati primerne pogoje za varjenje (potrebujemo višji pretok plina oz. vpihujemo dalj časa). Delni vpliv ima tudi hrapavost površine. Pri nižji hrapavosti je padec koncentracije hitrejši, medtem ko pri dvigu koncentracije ni bistvene razlike. Kljub omenjenemu zgoraj je uporaba tovrstnih ba- rier nezanesljiva pri tlakih v notranjosti cevovoda, ki so različni od tlaka okolice. V primerih, kjer se pri- čakujejo podobni pogoji, ki jih ni mogoče nadzoro- vati, je tako primerneje uporabiti klasične bariere, ki izolirajo mesto varjenja. V tem primeru je potrebno predhodno preveriti geometrijsko zahtevnost ce- vovoda in eventualno prilagoditi sekvence montaže predvsem z vidika lokacije zaključnih zvarov. Viri [1] J. Tušek, B. Zorc, M. Uran, A. Lešnjak, L. Kosec, D. Klobčar: Varjenje in sorodne tehnike spa- janja materialov v neločljivo zvezo. Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 2014. [2] L. Jeffus: Welding : Principles And Applica- tions. Delmar, Cengage Learning, New York, 2012. [3] Pipe purging. Dostopno na: http://www. alruqee.com/userfiles/file/RIM/pipe%20 purge/Pipe%20Purging%20Booklet.pdf. [4] Pipe purging. Dostopno na: http://www.tag- pipe.com/Products/Pipe-Purging-Equip- ment/Double-Seal-System. [5] Water soluble paper. Dostopno na: https:// www.aquasolwelding.com/aquasol-wa- ter-soluble-paper-tape. [6] EZ Purge. Dostopno na: https://www.aq- uasolwelding.com/ez-purge. [7] K. Kimbrel: ˝Determining acceptable levels of weld discoloration on mechanically polished and electropolished stainless steel surfaces˝, pharmaceutical engineering, november/de- cember 2011, Vol. 31, No. 6. Slika 6 : Krivulje dviga koncentracije kisika pri primerjavi hrapavosti cevovoda Ventil 3 / 2020 • Letnik 26 VARJENJE CEVOVODOV Usability of water soluble paper dams for weld root purging Abstract: When welding stainless steel pipes, it is crucial to assure adequate welding conditions inside the pipe where the root is formed. The weld root characteristics need to be mechanically as well as physiochemically accep- table. Weld root protection is achieved by purging the inside of the pipeline with protective gas. The volume of the purging area is often limited with various types of barriers of which one is water-soluble paper. This type of purging barriers is usually used when there is no possibility to access the inside of the pipeline after welding. Occasional circumstances, i.e. pressure variations inside the pipeline, present a major impact on the purging atmosphere establishment. The present paper shows that the water-soluble paper dams are effec- tive only when there is an atmospheric pressure inside the pipe. Even small pressure differences make use of water-soluble paper dams inappropriate and another purging technique shall be utilized. Keywords: pipe welding, stainless steel, root purging, water soluble paper INŽENIRING MONTAŽA VZDRŽEVANJE Jedrska, farmacevtska, energetska & procesna industrija Numip d. o. o. Cvetkova ulica 27, 1000 Ljubljana, Slovenia Podružnica Krško: CKŽ 135 e, 8270 Krško Jedrska: +386 (0)7 49 12 433 Farmacevtska: +386 (0)7 49 12 451 Energetska in procesna: +386 (0)7 49 12 420 www.numip.si info@numip.si Numip d. o. o. Cvetkova ulica 27, 1000 Ljubljana, Slovenija Podružnica Krško: CKŽ 135 e, 8270 Krško www.numip.si info@numip.si Jedrska: +386 (0)7 49 12 433 Farmacevtska: +386 (0)7 49 12 451 Energetska in procesna: +386 (0)7 49 12 420 185