Od 70 lat do systemów rur stosowanych w instalacjach ciśnieniowych dostępne są łączniki wykonywane fabrycznie i przeznaczone do spawania czołowego. Kształt tych łączników jest określony przez normę ASME B 16.9. Jednak w ostatnich latach nowe technologie formowania metali umożliwiły rozwój tychże łączników.
W 1996 r. łączniki zostały ujednolicone w „MSS Standard Practice SP-119, Bellem End Socjet Welding Fittings, Stainless Steel and Copper Nikel” – bardziej znany jako „Bellem-end pipe fittings”. Kształty nowych łączników są zasadniczo takie same jak tych wg norm ASME B16.9. Jednakże umiejętności spawalnicze, materiały oraz pracochłonność wykorzystywane do ich połączenia są znacznie mniejsze.
Według raportu ogłoszonego w maju 2002 r. przez American Welding Society (Amerykańskie Towarzystwo Spawalnicze) i Bureau of Export Administration (Urząd Administracji Eksportu) i zatytułowanego Welding Related Expenditures, Investments and Productivity Measurement in U.S. Manufacturing, Construction and Miting Industries, robocizna zazwyczaj stanowi 76% całkowitych kosztów spawania. Biorąc pod uwagę ilość i zakres spawania w typowym systemie rurowym, uproszczenie procesu prowadzi do znacznych oszczędności.
Takie uproszczenie systemu łączników może zaoszczędzić od 50% do 70% czasu pracy potrzebnego na przygotowanie połączeń i spawanie. Kiedy pomnożymy to przez każde połączenie w takim systemie, otrzymamy wówczas ogromne oszczędności w budżecie firmy. Pomimo że zalety ekonomiczne takiego systemu są widoczne i docenione, to jednak nie dzieje się już nic więcej w tym zakresie, choć w kilku przypadkach system został ulepszony.
Lepsze warunki dla pasowania i spawania
Formowane na zimno stalowe łączniki kołnierzowe mają rozszerzone końce, tworząc gniazdo dla połączenia z rurą. Taki projekt pozwala na łączenie za pomocą spoin pachwinowych, a nie przy użyciu spoin czołowych stosowanych do połączenia łączników tradycyjnych. Zarówno sposób spawania, jak i kształt elementów ułatwiają spawanie i poprawiają jego jakość.
Spawanie pachwinowe może być wykonywane od czterech do siedmiu razy szybciej i wymaga mniej kroków niż spawanie czołowe. Złącza pachwinowe są znacznie łatwiejsze do przygotowania i nie wymagają obróbki mechanicznej w celu dopasowania elementów. Połączenia czołowe wymagają, aby łączone elementy były odpowiednio nastawione w miejscu instalacji w celu precyzyjnego dopasowania.
Czas potrzebny na dopasowanie elementów jest w rzeczywistości znacznie skrócony przez zastosowanie łączników z kołnierzami, natomiast do spawania czołowego ustawienie elementów zajmuje dużo więcej czasu. Łączniki z kołnierzami w połączeniu ze spoinami pachwinowymi są bardziej elastyczne, np., gdy kształt i ustawienie względem siebie dwóch elementów różni się nieznacznie, to spawy mogą ciągle być wykonane poprawnie. W przypadku spoin czołowych takie sytuacje mogą powodować problemy w osiągnięciu dobrego spawu.
Czasem podczas spawania czołowego może być potrzebna podkładka pierścieniowa w celu podparcia spoiny i zapewnienia dobrej powierzchni, na której spawa się dwa elementy. Podkładka pierścieniowa jest osadzana na miejscu, a następnie spoina jest wykonywana w rowku utworzonym przez dwa odpowiednio obrobione elementy. Jeżeli podkładka nie jest używana, wówczas elementy spawane muszą zostać osadzone w specjalnym narzędziu i zespawane spoinami sczepnymi, zanim zostaną ostatecznie pospawane w miejscu zainstalowania. Spawanie łączników z kołnierzami spoinami pachwinowymi eliminuje te wstępne kroki. Dodatkowo dla spawów czołowych często wymagane jest spawanie łukowe w osłonie z gazów szlachetnych, w przeciwieństwie do spawów nasadowych.
Możliwość zastosowania spawów pachwinowych zamiast spawów czołowych w połączeniach „na zakładkę” zmniejsza także ryzyko przepalenia. Przepalenie może powodować powstawanie kraterów, szczelin i sopli powodujących spowolnienie procesu. Spoiny pachwinowe są łatwiejsze do wykonania i mniej kosztowne jest ich sprawdzenie. Większość spoin pachwinowych jest wykonywanych jednym ściegiem podstawowym i jednym ściegiem końcowym. Podobny spaw czołowy wymaga wielokrotnych ściegów. Spoiny pachwinowe są sprawdzane wizualnie pod kątem kształtu i kąta pochylenia spoiny, natomiast spoiny czołowe są kontrolowane radiograficznie w celu upewnienia się, że połączenie oraz przetop są wykonane poprawnie.
Wykonawstwo łączników kołnierzowych
Obecnie ASME B31.3 – podstawowa norma dla projektantów systemów rurowych, uznaje MSS SP119 – łączniki do spawów pachwinowych jako alternatywę dla droższych łączników do spawania czołowego. Aktualna edycja ASME B31 dotycząca przepisów ciśnieniowych systemów rurowych podaje wymagania projektowe pozwalające na projektowanie efektywnych, bezpiecznych i niezawodnych systemów. Kodeks B31.3 Process Piping dotyczy systemów, które zazwyczaj można znaleźć w rafineriach, w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, włókienniczym, papierowym, przy produkcji półprzewodników, w zakładach wykorzystujących niskie temperatury oraz w firmach o podobnej specyfice produkcji.
Co przemawia za wykonawstwem? Spoiny pachwinowe są trwałymi i niezawodnymi łączeniami. Wykorzystanie łączników kołnierzowych w systemach rurowych spełnia, a nawet przewyższa standardy. Łączniki kołnierzowe zapewniają takie same wartości ciśnienia i temperatury jak łączniki do spawania czołowego. Testy rozrywające potwierdzają, że łączniki kołnierzowe wg MSS-SP119 mają wytrzymałość odpowiadającą łącznikom do spawania czołowego wykonanym wg ASME B16.9.
Połączenie spawem pachwinowym jest mocniejsze niż sama rura. Formowane na zimno łączniki dopasowują się także lepiej do różnej grubości ścianek w systemach rurowych w porównaniu z odlewami lub odkuwkami, które mogą okazać się za sztywne lub przewymiarowane. To właściwie pozwala systemom z łącznikami kołnierzowymi na bardziej jednolite gięcia, rozprowadzając naprężenia bardziej na ścianki boczne niż na łączenia. To powoduje przedłużenie żywotności systemów szczególnie narażonych na pęknięcia.
Testy łączników przeprowadzone przez Marynarkę Wojenną Stanów Zjednoczonych wykazały, że łączniki kołnierzowe znacznie wzmocniły łączniki kolankowe. W testach zmęczeniowych na przesunięcia kątowe, które były wystarczająco duże, aby na 1000 cykli spowodować uszkodzenia w kolankach B16.9. Łączniki kołnierzowe wytrzymywały od dwóch do czterech razy dłużej.
Łączniki kołnierzowe mają kod rozpoznawczy (Piping Code). Norma B31.3 powołuje się na przepisy MSS SP-119 – kody dla systemów rurowych stosowanych w przemyśle chemicznym (Code for Chemical Piping). Przepisy SP-119 są obecnie weryfikowane po to, aby łączniki kołnierzowe mogły być stosowane w większej ilości materiałów i z grubszymi ściankami, rozszerzając możliwości ich zastosowania.
Łączniki kołnierzowe mogą być używane z rurami standardowymi i cienkościennymi, i zwykle są dostarczane w kilku rodzajach stopów ze stali nierdzewnej: miedziane, niklowe, tytanowe i aluminiowe. We współczesnej gospodarce koszty robocizny przewyższają koszty materiałowe; nawet tam, gdzie używane są specjalne materiały, zagadnienia instalacji i wykonawstwa stawiają na pierwszym miejscu wybór łączników kołnierzowych.
Wzgląd na wymagania procesu spawania podczas projektowania systemu rurowego może przynieść zaskakujące rezultaty. Użycie łączników kołnierzowych może pomóc firmie w zaoszczędzeniu na kosztach spawania, kosztach kontroli, kosztach poprawek oraz w budowaniu mocniejszych konstrukcji rurowych.
Wykorzystanie łączników może pomóc w zniwelowaniu strat związanych z odchodzeniem wykwalifikowanych spawaczy
Wybór kołnierzowych łączników rurowych może pomóc firmom w rozwiązaniu głównego problemu dzisiejszego przemysłu: brakiem wysoko wykwalifikowanych spawaczy. Poza umożliwieniem szybszego wytwarzania dobrej jakości połączeń, łączniki kołnierzowe ułatwiają pracę działom technicznym, ponieważ wymagane są mniejsze umiejętności spawalnicze w porównaniu z systemami spawania czołowego.
Wraz z odchodzącymi na emeryturę (lub emigrującymi – przyp. red.) spawaczami odchodzi również ich ogromna wiedza. Młodzi ludzie nie wykazują dużego zainteresowania spawaniem, podczas gdy technologia tworzy wiele nowych możliwości dla tej dziedziny. W maju 2002 r. została przeprowadzona ankieta przez Amerykańskie Towarzystwo Spawalnicze i Urząd Administracji Eksportu, według której 50% firm stwierdziło, że liczba instruktorów spawania nie była wystarczająca, aby nauczyć zawodu nowych pracowników. Ponad 40% firm reprezentujących przemysł ciężki wskazało, że niedobór wykwalifikowanych spawaczy wpływa na produktywność zarówno „umiarkowanie” jak i „szeroko”. Badanie pokazało, że około 30% tych firm z obszaru motoryzacji i maszyn wskazało na podobne wskaźniki.
Brak spawaczy może także hamować plany rozwoju produkcji, co ogólnie ma wpływ na gospodarkę.
Spawacze z wysokimi umiejętnościami domagają się wysokich stawek. Według raportu Wall Street Journal z sierpnia 2006 r., absolwent kursu spawania może zarabiać rocznie ponad 50 tys. USD. Poprzez zastosowanie łączników kołnierzowych produktywność wykwalifikowanych spawaczy, zarówno tych zatrudnionych na stałe czy tych z zewnątrz może zostać zwiększona, a koszty zminimalizowane.
Ray Stubbs Jr.
Ray Stubbs pracuje w przemyśle spawalniczym od ponad 30 lat, karierę zaczynał jako jeden z założycieli i wiceprezes ds. sprzedaży w firmie Bestweld Inc.– producenta stali nierdzewnej i łączników ze stopów wysoko niklowych do zastosowania w systemach ciśnieniowych, wysoko temperaturowych oraz dla surowych środowisk z wysokim współczynnikiem występowania korozji.
Artykuł pod redakcją Marka Olszewika
