Rundnähte für den Kesselbau

Beim Bau von Kesseln für Wärmekraftanlagen wird ein großer Teil der zu verarbeitenden Rohre während der Vorfertigung zusammengeschweißt. Die Länge der Durchlaufzeit der Vorfertigungsteile hängt dabei stark von der Leistungsfähigkeit der am Anfang der Produktionslinie eingesetzten Rundnaht-Schweißmaschine ab. Die größte Flexibilität bieten hier moderne ‚Straight Tube Welder’, bei denen ohne größere Umrüstarbeiten MIG/MAG-, WIG-Heißdraht- oder -Kaltdraht-geschweißt werden kann.

Der Bau von Kesseln für Energieerzeugungsanlagen unterteilt sich in drei große Bereiche: die Bereitstellung passender Rohre, das Ablängen, Fügen und Biegen der Rohre in der Vorfertigung sowie die Endmontage der vorgefertigten Baugruppen vor Ort auf der Baustelle. Bei der Vormontage werden zwei grundsätzlich verschiedene Arten angewendet – mit sehr unterschiedlichen Strukturen bezüglich der Arbeitsorganisation und der Fertigungseinrichtungen.

Bei der ersten Art der Vormontage werden mehrere Rohrstücke zu Rohrsträngen passender Länge zusammengeschweißt, das endgültige Vorfertigungsteil erhält seine Gestalt dann durch das Verbinden der Rohrstränge mit angeschweißten Bögen und Formstücken.

Schweißen mit drehendem Rohr

Bei dieser Art der Vorfertigung werden die rotationssymmetrischen Rohrstücke in den meisten Fällen mit drehendem Rohr geschweißt. Die üblicherweise verwendete Rundnaht-Schweißmaschine (Tube Welder) erlaubt das Spannen und Zentrieren der Rohre, sie werden dann in eine der Schweißgeschwindigkeit entsprechende Drehbewegung versetzt. Der eigentliche Schweißvorgang erfolgt mit Hilfe eines feststehenden Brenners.

Die Rohrstränge verlassen nun die Rundnaht-Schweißmaschine und werden nach der Prüfung der Schweißnähte und einer eventuell erforderlichen Wärmbehandlung montiert und durch entsprechend geformte Passstücke und Rohrbögen verbunden. Hierbei muss eine Vielzahl von Schweißnähten gelegt werden, was manuell oder mechanisiert (Orbitalschweißen) erfolgen kann. Da an mehreren Stellen der Baugruppe gleichzeitig gearbeitet werden kann, ist die Anzahl der in diesem Fertigungsschritt zur Verfügung stehenden Schweißanlagen und Schweißer ausschlaggebend für die Länge der Durchlaufzeit des Vorfertigungsteils.

Bei der zweiten Art der Vorfertigung werden zuerst sehr viele Rohrstücke zusammengeschweißt, so dass ein langer Rohrstrang entsteht. Seine Gesamtlänge entspricht der benötigten Länge für das Vorfertigungsteil und kann bis zu 100 Meter betragen. Die Formgebung erfolgt dann durch Biegen des entstandenen Rohrstranges. Bei dieser Art der Vorfertigung werden praktisch alle Schweißnähte nacheinander mit der Rundnaht-Schweißmaschine (Tube Welder) am Anfang der Fertigungslinie erzeugt, deren Kapazität hat daher einen starken Einfluss auf die Länge der Durchlaufzeit des gesamten Vorfertigungsteils.

Wegen der zentralen Bedeutung des ‚Tube Welders’ sind die Konstruktionen im Laufe der Zeit immer weiter vervollkommnet und bezüglich der spezifischen Anforderungen optimiert worden. Zugleich wurden die Schweißungen immer anspruchsvoller, denn zur Erzielung besserer Wirkungsgrade der Kraftwerke müssen die Prozesstemperaturen erhöht werden, was nur durch die Entwicklung und den Einsatz neuer Werkstoffe möglich war.

Gefüge nicht beeinflussen

Die erhöhte Festigkeit dieser Werkstoffe beruht auf definiert herbeigeführten Gefügeeigenschaften, die durch das Schweißen möglichst wenig beeinflusst werden sollten. Gefügeumwandlungen und Versprödung durch zu hohe Abkühlgeschwindigkeiten werden durch genau festgelegtes Vorwärmen der Werkstücke vermieden, Überhitzungen und Gefügeveränderungen als Folge zu hoher Werkstücktemperaturen während des Schweißens werden durch Begrenzen der Zwischenlagentemperatur unterbunden und durch das Schweißen auftretende Eigenspannungen können durch eine abschließende Wärmebehandlung abgebaut werden. Das Vorwärmen der Werkstücke und die Wärmebehandlungen müssen induktiv, per Widerstandsheizung oder im Ofen durchgeführt werden, Heizen mit offener Flamme ist wegen der ungenauen Temperaturführung und der Gefahr örtlicher Überhitzung bei diesen Werkstoffen untersagt.

Bezüglich der Abmessungen der zu spannenden Werkstücke müssen Tube Welder für glatte Rohre mit Durchmessern von 22 mm bis zu etwa 76 mm ausgelegt sein, bei Flossenrohren oder berippten Rohren mit außen angebrachten Wärmeleitblechen können auch Außendurchmesser von über 100 mm erreicht werden, in diesen Fällen sind allerdings besondere Spannfutter notwendig.

Als Fügeverfahren kommen WIG- und MIG/MAG-Schweißen in Frage, wobei das WIG-Schweißen trotz des Nachteils geringerer Ausbringungsraten in Europa wegen seiner besseren Schweißergebnisse bevorzugt wird. Durch einen geschickten Kunstgriff gelang es, die Schweißzeiten beim WIG-Schweißen drastisch zu verkürzen. Der WIG-Schweißbrenner wurde in der 7 Uhr Position angeordnet, dadurch konnten Rohre mit 5 mm – teilweise sogar bis zu 7 mm – Wandstärke im Stumpfstoß in einer Lage geschweißt werden.

Im Gegensatz zum MIG/MAG-Schweißen, bei dem Schweißstromstärke, Lichtbogenlänge und Drahtzufuhrgeschwindigkeit voneinander abhängig sind, ist die Drahtzufuhr beim WIG-Prozess unabhängig von Lichtbogen und Schweißstrom. Die Zündung des Lichtbogens, die Vorschmelzphase zu Beginn der Schweißung und ein perfekter Downslope am Schluss erfolgen bei diesem Verfahren ohne Drahtzufuhr, dadurch können Schweißfehler in diesen Bereichen praktisch ausgeschlossen werden.

Langer Rohrstrang bedingt hohen Invest

Der Aufbau einer Fertigungslinie für die zweite Methode, bei der das Vorfertigungsteil aus einem einzigen langen Rohrstrang gebogen wird, ist mit sehr hohen Investitionen verbunden. Benötigt wird nicht nur eine Halle, deren Grundfläche groß genug für die Biegeoperationen sein muss, sondern auch entsprechende Biegemaschinen und Einrichtungen für die Wärmebehandlung der Rohrstränge. Eine wirtschaftliche Produktion ist deshalb nur bei einer hohen Auslastung einer solchen Anlage möglich, was wiederum bedingt, dass mit ihr schnell und einfach ohne aufwändige Umrüstaktionen unterschiedliche Aufträge bearbeitet werden können.

Die jüngste Generation der ‚Straight Tube Welder’ Modelle ist daher unter dem Gesichtspunkt größtmöglicher Flexibilität entwickelt worden, ein hoher Automatisierungsgrad und die Einbindung in eine Fertigungslinie sorgen darüber hinaus für zuverlässige und reproduzierbare Schweißergebnisse.

Die geforderte Flexibilität bezüglich des Schweißverfahrens wird durch die technische Ausstattung dieser Maschinen erfüllt, geschweißt wird wahlweise MIG/MAG, der WIG-Kaltdraht oder WIG-Heißdraht. Durch das WIG-Heißdrahtschweißen lassen sich die Schweißzeiten gegenüber dem Kaltdrahtschweißen deutlich reduzieren und erreichen fast die Werte des MIG/MAG-Schweißens, auch die Bearbeitung der Rohrenden mit einer V-Nahtvorbereitung ist bei beiden Verfahren gleich. Allerdings lassen sich beim WIG-Schweißen die Probleme zum Beginn und Ende der Schweißung wesentlich besser beherrschen, wodurch bei diesem Verfahren die Schweißfehlerquote bis auf Null Prozent gesenkt werden kann.

Die Schweißeinrichtungen für die Verfahren sind auf je einem Schlitten montiert. Der Wechsel zwischen MIG/MAG- und WIG-Schweißen erfolgt ohne Umbauarbeiten oder Umstecken von elektrischen oder pneumatischen Verbindungen durch einfaches Schieben des betreffenden Schlittens in die Arbeitsstellung. I

st das Schweißverfahren festgelegt und der entsprechende Schlitten in seiner Arbeitsposition verriegelt, kann beim MIG/MAG-Schweißen zwischen zwei Drahtsorten gewählt werden. Dazu sind zwei komplette Schweißeinheiten montiert. Welcher Brenner eingesetzt werden soll, lässt sich im Programm des Schweißzyklus festlegen.

Beim WIG-Schweißen sind drei Auswahlmöglichkeiten bezüglich des Drahtes vorgesehen: die Drahtführungsvorrichtung der benötigten Drahtvorschubeinheit wird programmgesteuert in die richtige Arbeitsposition vor dem WIG-Brenner gebracht. Die grundlegenden Positioniereinstellungen erfolgen bei allen Brennern manuell, durch entsprechendes Schwenken wird schleppendes oder stechendes Schweißen möglich, zum Einstellen der Offset-Distanz ist jeweils ein Schlitten vorgesehen.

Zur Steuerung der beim Betrieb des Tube Welders anfallenden Arbeitsabläufe stehen dem Operator drei Bedienungseinheiten zur Verfügung. Für das Handling der Rohre verfügt die Maschine über ein Bedienpult. Eine darüber angebrachte Steuerung für das MIG/MAG-Schweißen ermöglicht es, alle notwendigen Parameter einzustellen und die Schweißabläufe zu steuern. Eine Fernbedienung erlaubt die Durchführung der WIG-Schweißungen und das Korrigieren zum Beispiel der Brennerposition oder der Schweißgeschwindigkeit während des Zyklusablaufs.

Steuerung überwachst alle sicherheitsrelevanten Parameter

Die Ablaufsteuerung für alle Funktionen der Rundnaht-Schweißmaschine arbeitet mikroprozessorgestützt und ist in die Schweißstromquelle der WIG-Schweißanlage integriert. Alle sicherheitsrelevanten Parameter werden überwacht. Auch die anderen Maschinen der Fertigungslinie werden in den laufende Datenaustausch einbezogen: Während der Durchführung einer Schweißung können zum Beispiel keine Rohre zu- oder abgeführt werden; solange in der nachgeschalteten Röntgenstation eine Schweißnaht geprüft wird, sind alle Rohrbewegungen blockiert.

Die Röntgenprüfung einer Schweißnaht kann im Anschluss an jede Schweißung erfolgen. Werden dabei Schweißfehler festgestellt, die nicht reparierbar sind oder bei denen eine Reparatur zu aufwendig ist, besteht die Möglichkeit, die Schweißnaht komplett herauszutrennen und die Schweißung zu wiederholen.

Die Schweißzyklen für das WIG-Schweißen der verschiedenen Werkstücke werden mit Hilfe der leicht verständlichen Schweißsoftware POW auf Windows-Grundlage mit einem PC programmiert und dann im Speicher der Stromquelle abgelegt, alle prozessrelevanten Parameter wie Schweißstrom, Lichtbogenlänge, Schweiß- und Drahtfördergeschwindigkeit sowie Up- und Downslope lassen sich dann bei jeder Schweißung wiederholgenau reproduzieren. W

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