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Aug 15, 2023

シールドガス消費効率

Nota dell'editore: questo è il primo di un articolo in due parti che parla dello scudo.

編集者注: これは、シールド ガスの効率について説明する 2 部構成の記事の最初の記事です。 後半部分は thefabricator.com にも掲載されています。

アルゴンはソリッド ワイヤ電極用途で最も一般的に使用されるシールド ガスですが、多くの管理者や溶接工は、この不活性ガスとそのコストについてほとんど理解していません。 ほとんどの溶接工は、アルゴンは滑らかな溶接をし、フラックスを残さず、高価で、密閉された環境では窒息を引き起こす可能性があると言われています。 また、ほとんどの従業員は、休憩中、昼食中、勤務終了時にガス タングステン アーク溶接 (GTAW) トーチのガスを遮断して、このガスを節約するように言われています。

アルゴンは通常、センチキュービック フィート (CCF) という用語で定量化されます。 アルゴンの 1 CCF は、100 立方フィートのアルゴン ガスに相当します。これは、4 フィート×7-3/4 インチの箱を満たすのに必要な量です。

アルゴンのコストが CCF あたり 2.50 ドルの場合、海抜ゼロメートルでボックスをアルゴンで満たすのにかかるコストはわずか 2.50 ドルです。 ボックスを毎時 45 立方フィート (CFH) のアルゴンで満たすには、2 時間 13 分かかります。 ほとんどのガスメタル アーク溶接 (GMAW) 用途には 30 ～ 45 CFH の流量が適切であるため、2 時間 13 分の連続溶接で 2.50 ドルは大した金額ではないと言う人もいるかもしれません。 完璧な世界では、これは 100 パーセントのアーク時間で 8 時間のシフトあたり、溶接ステーションあたり約 9.00 ドルのガスコストに相当します。

ほとんどの手動溶接ステーションの実際のアーク時間が 100% ではなく 15 ～ 30% であると仮定すると、コストは 8 時間のシフトあたり 1.35 ～ 2.70 ドルに削減されます。 これは大したことではないように思えますが、これらの数字は、1 日の勤務中に溶接ステーションが 1 つだけ、勤務シフトが 1 つだけという完璧な環境を表しています。 他の状況を考慮すると、135 ～ 270 ペニーは急速に増加する可能性があります。

たとえば、30 パーセントのアーク時間で 100 パーセントの効率、1 日あたり 3 シフト、年間 312 日で稼働する 300 の溶接ステーションは、年間 758,160 ドル相当のアルゴンを使用します。 しかし、ほとんどのプラントは 50% 未満の効率で稼働しており、前の例では、溶接ガスに年間 150 万ドル以上を費やしていることになります。

一部の工場では、消費量が年ごとにあまり変化せず、生産レベルが一定であるため、効率が維持されていると誤って思い込みます。 結局のところ、ガスコストは最終製品のコストに組み込まれています。 これは非常に高価な仮定になる可能性があります。

ほとんどの溶接技術者は、アルゴン ガス (または混合ガス) が唯一の選択肢であることに同意しているようです。 ただし、多くの利点があるにもかかわらず、アルゴンは賢明に使用しないと、急速に諸刃の剣になる可能性があります。

アルゴンやその他のガスを液体状態で大量に購入すると、CCF あたりの単価が下がります。 一般的な 336 立方フィートの鋼製シリンダーと比較して、バルク システム用のガスは CCF あたり約半分の価格で購入できます。 さらに、シリンダーを操作する必要がなくなり、シリンダーを交換するための生産のダウンタイムがなくなることで労力が節約され、バルクシステムの設置コストをかなり早く支払うのに役立ちます。

プラントがバルクシステムを使用している場合、ガス消費量を削減できる可能性があります。 多くの工場では、一連の保守的な対策を講じることで、1 年間で消費量を 50 ～ 80 パーセント以上削減できます。 単一の解決策はありません。 ただし、利点としては、複数の対策を講じた場合でも、そのメリットに比べて特に高価なものはないということです。 投資収益率は通常、月や年ではなく、日単位で測定できます。

多くの場合、最初のステップは従業員に会社の年間消費コストを認識させることです。 このデータは、ガス使用量に直接比例する他の消耗品 (主にワイヤー) と比較できます。 これは、プラントまたはプラントエリアの平均ワイヤ速度 (GMAW アプリケーションの場合) を決定することによって実現できます。 このワイヤ速度を使用して、トーチ先端で所定のガス流量で 1 ポンドのワイヤを燃焼させるのに必要なシールド ガスの量を計算できます。 たとえば、直径 0.045 インチの軟鋼ワイヤが、平均ワイヤ速度 300 インチ/分 (IPM) およびシールド ガス流量 35 CFH で使用されると仮定します。 直径 0.045 インチの軟鋼線約 2,210 インチを 1 ポンドに等しくする必要がある場合、以下が適用されます。

(300) (60) / 2,210 = 1 時間あたり 8.14 ポンドの軟鋼線

ガス流量が 35 CFH であるため、ガス対ワイヤの比率は 35 を 8.14 で割った値、つまり 4.29 CFH のガスと 1 ポンドのワイヤ (4.29-1) になります。したがって、プラントの年間ワイヤ消費量が 500,000 ポンドの場合、年間シールドガス消費量は約 2,149,500 立方フィートになるはずです。

このシナリオは 100% の消費効率を表しており、必ずしも現実世界の環境を表しているわけではないことに注意してください。 この比較方法には、次のようないくつかの要因が影響する可能性があります。

同じ軟鋼製品を一貫して製造するほとんどの工場は、ワイヤの速度とサイズがかなり一致しています。 これらのプラントは通常、消費データを検証でき、検証すべき溶接以外の消費は廃棄物だけです。 このため、このタイプの比較を行う際に最も一般的な要素は項目 2 (大きな流量変動) になります。

この種のプラントでは、ほとんどの溶接技術者やその他の当分野の専門家は、前の例 (4.29-1) で示した比率の 2 倍以上であっても、10-1 以下の比率が許容されることに同意しています。 彼らのデータによれば、一部の工場では、最初の比率は最高で 55 対 1、最低では 7 対 1 になります。 多くのプラントでは、後のセクションで説明するように、一見小さな問題に対処することで、比率を 18 対 1 から 30 対 1 の範囲まで、9 対 1 から 14 対 1 の範囲まで下げることができます。

適切に設計、設置、メンテナンスされれば、バルク システムは従来のシリンダーと比較してコストと生産性において多くの利点をもたらします。

バルク システムは、いくつかの点を念頭に置いて設計、設計、構築する必要があります。 まず、システム圧力とシステム全体にわたる圧力降下を最小限に抑えて、現在および将来のすべての流量要件に対応できる閉ループ設計である必要があります。 システムは、ホースの要件を最小限に抑え、外部の衝撃から最大限の保護を提供しながら、検査、変更、修理のために簡単にアクセスできるように設計する必要があります。 構築材料は、システムのアプリケーションの各領域に応じて変化する必要があります。

銀とリンの接合部を備えた銅パイプは、ほとんどの用途に適しています。 ただし、環境の厳しさに応じて、ねじ継手と溶接継手の両方を備えた鋼管も一部のシステムでは適切に機能します。 溶接継手が使用される場合、ほとんどのメンテナンス部門には改造や修理を行うための資格のあるオープンバットパイプ溶接工がいないため、一般にソケット溶接タイプの方が適しています。 あらゆる形式の PVC パイプは可能な限り避けるべきです。

システムの落下はヘッダーの上部から発生し、その真上に隔離ボールバルブが配置された小さなマニホールドまで流れ落ちます。 これらの隔離バルブは、バルブ ハンドルにかかるあらゆる種類の重力によってバルブが閉じるように取り付ける必要があります。 各ドロップには、適切な数の出口と付属の遮断バルブが付属している必要があります。 未使用の出口バルブはすべて閉じ、栓をする必要があります。

これらのドロップにはアクセスできる必要がありますが、必ずしも便利であるとは限りません。 従業員はコートを掛けたり、シールド、帽子、ホースを研削するためにそれらをよく使用します。 これにより、シールドガスが不注意で放出され、長期間検出されない可能性があります。 このような理由およびその他の理由から、ドロップヘッダーまたはマニホールドは通常、ドロップ供給ラインよりも大きなサイズのパイプで構成する必要があり、可能であれば、真鍮、鋼、または乱用による変形に耐えるその他の硬い材料で構築する必要があります。

すべての継手はネジ山付き、300# 定格 (またはそれ以上) の鍛造鋼でなければなりません。 ドロップマニホールドはしっかりと取り付けられ、ブローダウン目的で取り外すことができ、システム全体をシャットダウンせずに将来のヘッダーの変更に備えた手段を提供するために、最小 6 インチのドリップレッグを装備する必要があります。 ドロップヘッダー出口の Y 継手も避けるべきです。

多くの場合、古いプラントでは、既存のシールドガス配管と分配システムが当初の設計の目標を超えています。 これは主に、プラントの拡張、内部改造、使用されるシールドガスの変更などが原因です。

あらゆるシステムで流れ解析を行うには、すべての配管の正確な文書化が必要です。 この文書には、すべてのバルブの位置と種類、パイプ サイズの変更、圧力調整器、および対応するすべての寸法測定値が含まれている必要があります。 ほとんどの場合、システムを標準レベルに引き上げるのに大幅な変更は必要ありません。

各溶接ステーションへの流れを調整するために使用すべき装置の種類は、かなりの議論の余地がある分野です。 調整可能な流量装置またはローターメーターを使用するプラントでは、溶接手順に必要な流量供給速度が妥当な範囲内に収まるようにする必要があります。 これは、非バルク システムではさらに重要です。 流量調整にローターメーターを使用している数百のプラントを検査したところ、適切な流量供給率に設定されているプラ​​ントは 20% 未満であることが判明しました。

通常、このタイプのメーターは全開位置またはそれに近い位置で最大 450 CFH を供給します (モデルとシステム圧力に応じて)。 インジケーターがサイトグラスの上部に達したからといって、バルブをさらに開くと流量の増加が止まるわけではありません。

8 時間シフトあたり 2.70 ドル (45 CFH で) というパーフェクトワールド シールド ガスのコストに関する前述の例では、現在のコストは 1 シフトあたり 11.25 ドルになります。 1 シフト操作の場合でも、年間シールド ガスのコストは溶接ステーションあたり 842.40 ドルから 3,510.00 ドルに増加します。 毎年、プラントのアルゴン消費量は 252,720 ドルから 100 万ドル以上に膨れ上がります。 調整可能な流量計を最大開位置またはその近くに設定すると、プラントのシールドガス消費量が 10 倍に増加する可能性があります。

これらのローターメーターが完全に開いていることが多い理由はさまざまです。 夏の間、溶接担当者は換気量を増やしたり、ファンに直接風を当てたりすることが多く、シールド ガスのパージを維持するために流量を増やします。 寒さが到来すると、ファンは停止しますが、流量計の設定は変わりません。

溶接工の中には、「少しでも良いなら、たくさんあればさらに良い」と考える人もいます。 これは必ずしも真実ではありません。 トーチとワークの角度によっては、このシールド ガスの高速噴射が実際に溶接溜まりの大気汚染を引き起こし、解決されるよりもさらに多くの溶接汚染問題を引き起こす可能性があります。 また、無駄です。

ローターメーターは常に、各溶接ステーションにある硬い配管ドロップに取り付ける必要があります。 ワイヤ送給装置につながる一般的な 1/4 インチのホースの長さを考慮する必要があります。 ホースは一般に、その内部構成により摩擦係数が高くなります。 さらに、ホースは通常、上下および周囲全体に配線されるため、ガスの流れが制限されます。 直線でない限り、ホースの長さは 25 ～ 30 フィートを超えてはなりません。

ローターメーターをワイヤ送給装置またはその近くに取り付ける場合、取り付け位置は堅固で直立し、邪魔にならない場所にする必要があります。 ローターメーターは耐衝撃性があまり高くないため、この方法で取り付けると漏れの原因となり、ガス汚染を引き起こす可能性があります。

ワイヤ送給装置に取り付けられたローター流量計に関連するもう 1 つのリスクは、漏れの深刻さです。 ホースは、完全に開いた位置であっても、ローターメーターが通過できる流量よりもはるかに高い合計流量により、メーターの上流で漏れを発生させる可能性があります。 流量計が落下点に取り付けられており、ホースに漏れが発生した場合、流量計が流量を制限し、トーチへのガス供給が減少し、オペレータにはそれが明らかになるでしょう。

流量計がワイヤ送給装置に取り付けられている場合、リークには常にライン圧力がかかり、流量はリーク開口部のサイズと動作圧力によってのみ制限されます。 この構成では上流流量の兆候が得られないため、通常はオペレータがメーターの流量を増やすことで補正することになります。

このシナリオでは、一定期間にわたって大気汚染がシステムに導入されます。 発生数が増加すると、元の設計パラメータに過大な負荷がかかり、システム全体の圧力損失が大きくなります。 これにより、通常、より高い圧力降下を相殺するためにシステム全体の圧力が増加します。 この動作により、システム全体の圧力降下がさらに増加し​​、システム全体の漏れやその他の損失の深刻さが増大します。

取り付け位置に関係なく、ローターメータータイプの流量計は読み取り可能な状態に維持され、適切に校正された圧力を受ける必要があります。 60 PSIG で動作するシステムに、20 ポンド/平方インチ ゲージ (PSIG) 用に校正された流量計が取り付けられているのは珍しいことではありません。 これにより、流量計の目盛りで示される吐出流量よりも 15 ～ 18 パーセントも高い吐出流量が発生する可能性があります。 工場全体でこの方法を実践すると、非常に費用がかかる可能性があります。

ワイヤ送給装置のソレノイドバルブが作動したときにトーチ先端で発生する初期流量サージも考慮する必要があります。 この流量サージは通常、システムのドロップに取り付けられた流量装置、および/または流量計量装置とワイヤ送給装置のソレノイドバルブの間に大量のホースまたはその他の配管が使用されている場合に発生します。 ワイヤ送給装置が使用されていないときは、このより大きな内部容積にメインシステムの圧力がかかります。

ワイヤ送給装置が作動すると、蓄積された圧力がトーチ先端から急速に放出され、流量装置によって設定された量まで徐々に減少します。 フローデバイスがトーチチップ（ワイヤ送給装置）の近くに取り付けられている場合、この内部容積は最小化され、フローが設定流量に達するまでに必要な時間が短縮されます。 これにより、瞬間的な過剰流またはオーバーフローによって浪費されるガスの量が減少します。 一部のロボットやその他の高サイクル レートのアプリケーション (仮付け溶接など) では、このオーバーフローが大幅に増加する可能性があります。

たとえば、フロー装置がメインシステムのドロップオフに配置され、内径 1/4 インチ (ID) の 15 フィートのホースがワイヤ送給装置に接続されていると仮定します。 ワイヤ送給装置が使用されていないときは、ホース内の圧力が急速に高まり、たとえば 30 PSIG のシステム圧力に達します。 ワイヤ送給装置が作動すると、ホース圧力はほとんどゼロまで低下します (ソレノイドバルブの接続に応じて)。 これにより、安定した流れが確立されるまで、約 0.01 立方フィートのシールド ガスが過剰ガスとして無駄になります。 前述のプラントの例に基づくと、この廃棄物は発生ごとに 1 ペニーの約 3/100 のコストがかかります。

ここで、ホースの長さが 25 フィートから 75 フィートに増加すると仮定します。 このオーバーフローの値は、各ワイヤ フィーダが作動するたびに 1 ペニーの 14/100 に等しくなります。 繰り返しますが、この種の損失は、発生ごとにはそれほど多くないように見えますが、工場全体のワイヤ送給装置の数と、各ワイヤ送給装置が毎日作動するサイクル レートまたは回数を掛け合わせると、非常に急速に非常に重大なものになる可能性があります。 。

簡単にするために丸い数字を使用し、サンプル プラントの各ワイヤ フィーダが 1 分ごとに起動されると仮定します。 これは、工場全体のシフトあたり 8 (時間) 60 (分) 300 (溶接工)、または 144,000 回のアクティベーションに相当します。 発生ごとのコストは 100 分の 14 で、3 交代勤務の場合、総コストは 1 日あたり約 540 ドル、年間では 168,000 ドル以上になります。

シールド ガスの 1 回の損失はわずかであるように見えますが、長期にわたって損失が発生すると、そのコストは多額になる可能性があります。