Czwartek, 05 kwiecień 2018

Przemysł stoczniowy i offshore ważnym rynkiem dla automatyki przemysłowej

Tytułowe gałęzie przemysłu obejmują działalność w zakresie budowy i napraw statków oraz wytwarzania energii na morzu, przykładowo w elektrowniach wiatrowych, ale także związane są z wydobywaniem gazu, ropy naftowej oraz minerałów - zobaczmy jakie są możliwości ich automatyzacji. Przemysł stoczniowy oraz offshore to strategiczne gałęzie gospodarek krajowych, które zapewniają środki do transportu dla międzynarodowego handlu, a także wpływają na sytuację na światowym rynku surowców energetycznych. Są to również istotne rynki dla dostawców automatyki przemysłowej i elektrotechniki - m.in. urządzeń zasilających, obudów, kabli i złączy oraz rozwiązań komunikacyjnych. W artykule omawiamy wszystkie te tematy, a także przedstawiamy sposoby produkcji statków i możliwości robotyzacji tych procesów.

Przemysł stoczniowy i offshore ważnym rynkiem dla automatyki przemysłowej

Na wstępie krótko charakteryzujemy najważniejsze etapy w produkcji kadłubów, co odbywa się typowo w stoczniach, gdzie też montowana jest reszta wyposażenia. Chociaż w przeciwieństwie do innych branż - na przykład motoryzacyjnej, gdzie produkcja odbywa się na masową skalę, statki budowane są na podstawie jednostkowych projektów, konstrukcja kadłuba jest w nich często bardzo podobna, a różnice dotyczą zwykle tylko wymiarów.

PRZYGOTOWANIE STALI

Rys. 1. Niezoptymalizowane rozmieszczenie kształtów

Podstawowy materiał, z którego budowany jest kadłub to stal (patrz ramka). Zanim płyty z niej wykonane zostaną połączone przechodzą obróbkę składającą się z kilku etapów. Jednym z nich jest prostowanie, które usuwa odkształcenia powstałe podczas transportu. W tym celu płyty poddawane są wielokrotnym cyklom gięcia przez rolki. Ich liczbę dobiera się w zależności od grubości płyt. Prostowanie zmniejsza również powstałe w czasie obróbki stali w hucie naprężenia szczątkowe, które pogarszają wytrzymałość kadłuba.

Następnie usuwa się zgorzelinę, czyli warstwę tlenków metali. Jest to konieczne z kilku powodów. Zgorzelina zmniejsza wytrzymałość stali oraz przyczepność farby, która później może wraz z nią odpadać, narażając materiał na korozyjne działanie wody morskiej. Ponadto osad zanieczyszcza spawy, pogarszając jakość tych połączeń. Zgorzelinę usuwa się na kilka sposobów.

Jej samoistnemu, choć nierównomiernemu, odpadaniu sprzyja ustawianie płyt w pionie. Ponieważ zgorzelina ma inny współczynnik rozszerzalności cieplnej niż stal podgrzanie także spowoduje jej odłupanie się. Następny sposób to piaskowanie. Żeby było skuteczne i nie uszkodziło czyszczonej powierzchni trzeba kontrolować rozmiar drobin ściernych i szybkość, z jaką uderzają w płytę.

Po usunięciu zgorzeliny sprawdza się chropowatość. W tym zakresie stal do budowy statków musi spełniać odpowiednie normy, gdy bowiem jest zbyt gładka trudno ją pomalować, natomiast zbyt szorstką trudno spawać. Płyty, które pozytywnie przeszły kontrolę jakości są gruntowane środkiem na bazie cynku o właściwościach antykorozyjnych, a potem suszone.

PLANOWANIE CIĘCIA

Rys. 2. Rozplanowanie rozkładu kształtów zmniejsza straty materiału

Kolejnym etapem jest pocięcie stalowych arkuszy na części, z których zostanie złożony kadłub oraz inne komponenty statku. Niestety rzadko płyta ma rozmiar dokładnie taki, jak kształt który trzeba z niej wyciąć. Dlatego po jego wykrojeniu przeważnie zostaje trochę materiału, który jeżeli nie uda się go inaczej zagospodarować, trzeba spisać na straty. Choć tych ostatnich nie można całkowicie wyeliminować, próbuje się je minimalizować.

W tym celu cięcie poprzedza się nestingiem, czyli rozplanowaniem rozłożenia kształtów w obrębie arkusza w taki sposób, by przy ich wykrajaniu zmarnowało się jak najmniej materiału i można było jak najefektywniej wykorzystać możliwości maszyny tnącej. Najlepiej wyjaśnić to przykładzie.

Na rysunku 1 przedstawiono niezoptymalizowany rozkład części w kształcie litery L. Po ich wycięciu zmarnowałaby się duża ilość stali, a z arkusza można by wykroić tylko osiem takich kształtów. Jeżeli części rozmieści się jak na rysunku 2, z tej samej płyty będzie można wyciąć dwanaście elementów, marnując dzięki temu znacznie mniej stali. Jeśli z tego samego materiału trzeba wykroić również inne kształty, można go wykorzystać jeszcze efektywniej (rys. 3).

ZALETY NESTINGU

Rys. 3. Nesting zapobiega marnowaniu materiału

Kształty przedstawione na rysunkach od 1 do 3 są stosunkowo proste. W praktyce dzięki oprogramowaniu do nestingu można oszczędnie rozplanować rozmieszczenie części o nieregularnych i bardzo skomplikowanych obrysach. Aplikacje tego typu nie tylko w optymalny sposób dzielą arkusze, ale także uwzględniają możliwości i ograniczenia maszyn tnących oraz właściwości materiału.

Mniejsze marnotrawstwo materiału to podstawowa zaleta nestingu, która pociąga za sobą kolejne. Oszczędne wykorzystywanie materiału pozwala na zakupienie go w mniejszej ilości, co zmniejsza koszty początkowe, koszty magazynowania, a w przypadku materiałów, których nie można poddać recyklingowi, wydatki na ich zniszczenie. Zoptymalizowany podział arkusza pozwala efektywniej i krócej używać maszyny tnącej, dzięki czemu maleją koszty jej eksploatacji, a wydajność produkcji się zwiększa.

Warto podkreślić, że nesting w praktyce może być efektywny na tyle, na ile pozwala na to projekt. Dlatego w ramce przedstawiamy kilka uniwersalnych zaleceń, przydatnych w projektowaniu nie tylko kadłubów statków.

Co wyróżnia stal okrętową?

W przemyśle stoczniowym używa się przede wszystkim stali okrętowej, która jest produkowana zgodnie z wymogami organizacji branżowych i pod ich nadzorem. Kadłuby statków zwykle budowane są ze stali stopowych. Do cech, którymi powinny się charakteryzować te materiały, zalicza się: odpowiednią granicę plastyczności, odporność na pękanie w niskich temperaturach, dobrą spawalność różnymi metodami, możliwość obróbki na zimno bez obaw o pogorszenie się właściwości użytkowych oraz odporność na korozję powodowaną przez kontakt z wodą morską, a niekiedy również z przewożonym ładunkiem o właściwościach korozyjnych.

PRZEGLĄD METOD CIĘCIA

Odcięcie części stalowej płyty następuje, gdy siła tnąca do niej przyłożona przekracza wartość graniczną. Oddziaływanie to może być wywierane przez dwa narzędzia, jedno nad, drugie pod arkuszem, na przykład górne i dolne ostrze, zazwyczaj nieruchome. Pomiędzy ich krawędziami zachowany jest odstęp, ułatwiający rozcięcie materiału, szeroki na 5-10% grubości arkusza. Zaletą tej metody jest możliwość rozcięcia arkusza wzdłuż długiego odcinka jednym uderzeniem ostrza, bez termicznych odkształceń i naprężenia. W ten sposób wycina się głównie proste kształty.

Przykładem metody bezdotykowej jest cięcie laserem, którego promień jest kierowany i skupiany przez układ luster oraz soczewek na powierzchni arkusza. Tam, gdzie pada wiązka, metal się topi i odparowuje. Jego resztki są zdmuchiwane przez strumień gazu, tlenu lub azotu.

Głowica lasera jest ruchoma i przemieszcza się nad arkuszem albo pozostaje nieruchoma, a cięty materiał znajduje się na obrotowym stole. Brak kontaktu z materiałem sprawia, że jego krawędzie są gładsze. Ponadto mało się odkształca i w niewielkim stopniu i w wąskim obszarze nagrzewa. Zaletą wycinarek laserowych jest też duża precyzja.

To odróżnia je od tych tnących plazmą. Ponadto krawędzie rozcięte przez wycinarki plazmowe są chropowate, szczególnie w przypadku grubszych płyt. Możliwość ich rozcinania jest jednak ważną zaletą tej techniki, w porównaniu z wycinarkami laserowymi. Do cięcia używa się także strumienia wody pod dużym ciśnieniem, czystej albo zmieszanej ze ścierniwem. Jakość krawędzi jest w takim przypadku zadowalająca, a cięty materiał nie jest podgrzewany.

GIĘCIE CZĘŚCI KADŁUBA

Płyty, z których buduje się kadłub, wymagają wygięcia. Jest to metoda kształtowania metalu, która zmienia jego kształt bez wpływu na grubość (zwykle) i objętość. W stoczniach do gięcia stalowych płyt używa się m.in. pras hydraulicznych. Ich zaletą jest też przystępny koszt. Niestety liczyć się trzeba z możliwością wystąpienia zjawiska sprężynowania. Aby je wyjaśnić, trzeba opisać mechanizm gięcia metalu.

Podczas wyginania płyta jest równocześnie w miejscu zgięcia ściskana do wnętrza zgięcia i rozciągana na zewnątrz zgięcia. Oddziaływania te są przeciwstawne, dlatego istnieje obszar przejściowy, w którym na materiał nie będzie wywierana żadna siła. To miejsce znajduje się dookoła osi neutralnej (obojętnej).

Trwałość zgięcia metalu gwarantuje wyłącznie jego odkształcenie plastyczne, które inaczej niż elastyczne nie ustępuje po ustaniu oddziaływania siły. Aby doszło do odkształcenia plastycznego, musi ona przekroczyć wartość progową. Ponieważ dookoła osi obojętnej nie działa żadna siła, w obszarze tym materiał odkształca się elastycznie.

Kiedy na materiał nie jest już wywierany nacisk, to właśnie ta część płyty odzyskuje swój pierwotny kształt. Zachodzi wtedy efekt sprężynowania, tzn. częściowego wyprostowania się arkusza. Aby mu zapobiec, płytę trzeba wygiąć bardziej, niż jest to wymagane dla uzyskania ostatecznego kształtu. Osiąga się go, kiedy po ustaniu nacisku prostuje się ona dokładnie tyle, o ile została nadmiernie wygięta.

W kolejnej metodzie linię gięcia ogrzewa się palnikiem. W przypadku grubych arkuszy wzdłuż tego odcinka w głębi materiału powstaje gradient temperatury. Wierzch mający styczność z płomieniem palnika ze względu na podwyższoną temperaturę rozszerza się, czemu przeciwdziała otaczająca go zimna płyta. W części, która nie jest bezpośrednio ogrzewana przez palnik, dzięki czemu ma niższą temperaturę, oddziaływanie to jest słabsze. W wyniku różnicy nacisków wywieranych od wewnątrz na wierzch i spód płyty ulega ona wygięciu.

Projektowanie pod kątem nestingu

Celem nestingu jest ograniczenie marnotrawstwa materiału, już jednak na etapie projektowania warto się zastanowić, czy nie można uzyskać pewnych oszczędności, na przykład zmniejszając rozmiar albo rezygnując ze zbędnych szczegółów w konstrukcji. Trzeba także wziąć pod uwagę rozmiar i kształt arkuszy, które będą cięte. Dobrze, jeżeli części albo ich grupy tworzą prostokąt.

Generalnie części o prostych krawędziach generują mniejsze straty materiału niż zakrzywione. Wynika to stąd, że te pierwsze łatwiej wykroić jednym cięciem, dzięki czemu można ich od siebie nie oddzielać. Jeżeli jednak odstęp jest niezbędny, powinien być odpowiedni dla danego materiału, na przykład ze względu na jego kruchość czy odkształcalność.

Powodem znaczących strat mogą się stać wszelkie błędy w projekcie, szczególnie te, które nie są widoczne na pierwszy rzut oka, jak na przykład obiekty nakładające się na siebie albo narysowane w niewłaściwej skali.

Polecane

Nowe produkty