Design guides for engineering joints in offshore conditions : bolt, weld, and interference joints

Abstract

This thesis is made for The Switch Drive Systems Oy, which makes high power convertors and electric machines for marine, wind, and other industry applications. The goal of this thesis was to investigate the best engineering principles used in bolted, welded and interference joints. The thesis is written from the point of view of the offshore applications. The aim of the research was to produce design guides for the designers that would make the daily designing process easier, quicker, and more consistent. The research was based on wide range of international standards, publications and books that are dealing with the subjects.

The joints were categorized to three different categories based on the loading and the risks in case of failure. The categories can be used with all three joint types. The design rules and calculations are structured around these three joint categories. User friendly calculation tools for joint dimensioning were also made. The bolted joints got the most new rules that also limited the available design choices. This makes the procurement easier with enabling bulk purchasing. It also speeds up the design and design verification phase. The focus of welded joints was on the correlation of quality classes and the fatigue life. On top of that, post-processing techniques were developed. Design rules were set to optimize the load bearing capacity and economic efficiency of the weld. The pre-existing calculation tool for interference joints was examined to be up to standards. There were only few design rules for interference joints as they tend to be more case-by-case designs. Based on the results of this thesis, multiple internal documents and calculation tools were updated.

Tämä opinnäytetyö on tehty The Switch Drive Systems Oy:lle, joka valmistaa suurtehomuuntimia ja sähkökoneita telakka-, tuuli- ja muihin teollisuuden sovelluksiin. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää ruuvi-, hitsaus- ja ahdistusliitoksissa käytetyt parhaat tekniset periaatteet. Opinnäytetyö on kirjoitettu meri-ilmastoon suuntautuvien sovellusten näkökulmasta. Tutkimuksen tavoitteena oli tuottaa suunnittelijoille suunnitteluoppaita, jotka helpottaisivat, nopeuttaisivat ja yhdenmukaistaisivat päivittäistä suunnitteluprosessia. Tutkimus perustui laajaan valikoimaan aiheita käsitteleviä kansainvälisiä standardeja, julkaisuja ja kirjoja.

Liitokset luokiteltiin kolmeen eri luokkaan kuormituksen ja vikatilanteiden riskien perusteella. Luokkia voidaan käyttää kaikkien kolmen eri liitostyyppien kanssa. Suunnittelusäännöt ja laskelmat koskevat näitä kolmea liitostyyppiä. Pulttiliitokset saivat eniten uusia sääntöjä, jotka myös rajoittivat käytettävissä olevia suunnitteluvaihtoehtoja. Tämä helpottaa hankintaa mahdollistamalla tuotteiden massaostamisen. Se myös nopeuttaa suunnittelua ja sen tarkastusvaihetta. Hitsattujen liitosten tutkimuksen painopiste oli laatuluokkien ja väsymisiän korrelaatiossa. Joitakin suunnittelusääntöjä asetettiin hitsin kantavuuden ja taloudellisen tehokkuuden optimoimiseksi. Aiemmin olemassa olevan ahdistusliitosten laskentatyökalun tutkittiin olevan standardien mukainen. Tämän opinnäytetyön tulosten perusteella päivitettiin useita sisäisiä dokumentteja ja laskentatyökaluja.