Suurien ainevahvuuksien esilämmittämisen ja hitsaamisen energiatehokkuus

Abstract

Tuulivoimaloiden runkoja ja meriperustuksia valmistetaan usein hitsaamalla suuria lieriöitä yhteen. Teräksen ainevahvuus näissä lieriöissä on usein merkittävän suuri. Koko ainevahvuuden läpäisevän tunkeuman saavuttamiseksi, on liitoskohtaan työstettävä lähes koko materiaalin läpi leikkaava hitsausrailo. Hitsauslaadun varmistamiseksi hitsausrailo tulee ennen täyteen hitsaamista esilämmittää noin 70–120°C lämpötilaan. Yksittäisen lieriömäisen kappaleen koko piirin kattavan hitsausrailon täyttöhitsaamisessa hitsausmatkaa kertyy useita kilometrejä. Tässä diplomityössä keskityttiin tutkimaan tällaisten hitsausrailojen esilämmittämisen ja hitsaamisen energiatehokkuuksia.

Diplomityön tutkimusaineiston keräämiseksi suoritettiin kenttätutkimuksia, joissa teräskappale lämmitettiin 100°C lämpötilaan eri lämmitysmenetelmillä. Tutkitut lämmitysmenetelmät olivat happi-asetyleeniliekki ja induktiolämmitys. Maakaasun käyttöä polttokaasuna tutkittiin myös eri tapaustutkimusten avulla. Polttokaasukäyttöisten polttimien käyttäminen edustaa yleisintä lämmitysmenetelmää suurien ainevahvuuksien esilämmittämisessä. Induktiolämmitys on uudempi menetelmä, jonka energiatehokkuutta haluttiin tutkia perinteisiin polttokaasuihin verrattuna. Diplomityössä tutkittiin myös hitsaamisen energiatehokkuutta tuottavuuden kontekstissa, eli kulutetun energian suhdetta tuotetun hitsin kilomäärään.

Tutkimusaineiston perusteella induktiomenetelmän laskettiin olevan menetelmistä energiatehokkain. Kulutus oli 25 % happi-asetyleeniä ja 84 % maakaasua pienempi. Hitsaustesteissä pitkällä vapaalangalla saavutettiin 51 % enemmän lisäaineentuottoa tavanomaiseen hitsauspolttimeen verrattuna lähes samalla energiankulutuksella. Energiansäästöpotentiaali laskettiin myös yksittäisen monopile-perustuksen osalta. Tehokkaimman lämmitys-hitsausyhdistelmän laskettiin kuluttavan 71 % vähemmän energiaa eniten kuluttavaan yhdistelmään verrattuna. Kokonaisen monopile-perustuksen kokoonpanossa tämä merkitsisi 278 MWh säästöä energiankulutuksissa.

Wind turbine frames and offshore foundations are often manufactured by welding large cylinders together. Material thickness of steel is usually substantially high in these cylinders. A groove needs to be machined for the welding joint to achieve complete welding penetration throughout the material thickness. Before filling the groove by welding it needs to be pre-heated to a temperature of approximately 70–120°C to ensure welding quality. Filling a single cylinder’s circumferential groove by welding accounts for several kilometres of welding. This thesis focuses on studying the energy efficiency of preheating and welding such grooves with different methods.

Field studies with different heating methods were conducted to gather research data. In these studies, a solid steel piece was heated to a 100° temperature. The studied methods were an open flame with oxygen-acetylene and induction. Using natural gas as a fuel was also studied by utilizing different case studies as a reference. Open flame represents the most common method in preheating high material thicknesses. Induction heating depicts a more modern method and its energy efficiency was compared to open flame. Deposit of welding and its relation to energy consumption was seen as energy efficiency of welding.

Induction was rated as the most energy efficient heating method based on the research data. The consumption of induction was 25 % smaller compared to oxygen-acetylene and 84 % smaller compared to natural gas. 51 % increase in welding deposit was achieved with almost equal energy consumption by using a long stick out welding torch compared to a traditional one. Energy saving potential was also calculated for a single offshore foundation assembly. The most energy efficient heating-welding combination was calculated to consume 71 % less energy compared to the most consumptive combination. In case of a single monopile assembly this accounts for 278 MWh savings in energy consumptions.