DD150860A5

DD150860A5 - Verfahren zum explosionsschweissen

Info

Publication number: DD150860A5
Application number: DD80221276A
Authority: DD
Inventors: Stephen M Istvanffy; Vonne D Linse
Original assignee: Canadian Ind
Priority date: 1979-05-21
Filing date: 1980-05-21
Publication date: 1981-09-23
Also published as: ES491646A0; EP0019482B1; AU533972B2; EP0019482A1; CA1114657A; AU5801680A; JPS55158892A; KR830002570A; NO150550C; BR8003120A; KR840000392B1; ZA802963B; NO801394L; NO150550B; YU135680A; PL224365A1; SU1311608A3; HU180138B; AR230206A1; MX153016A

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Verbinden zweier Rohrabschnitte aus Metall mit groszem Durchmesser, wie sie zum Bau von groszen Oel- und Gaspipelines verwendet werden, durch Explosionsschweiszen. Bei diesem Verfahren wird eine innere und eine aeuszere bandfoermige Ladung eines Schweiszsprengstoffs gleichzeitig in der Nachbarschaft der sich ueberlappenden und teleskopierenden Rohrenden zur Detonation gebracht. Die Schweiszladungen werden gleichzeitig mit Hilfe von Initiierungssprengstoffladungen mit sehr hoher Detonationsgeschwindigkeit, die am seitlichen Rand einer jeden Sprengstoffschweiszladung befestigt sind, detonieren gelassen. Die Initiierungssprengstoffladungen werden mit einem einzigen Detonator gezuendet. Die Detonationsgeschwindigkeit des Initiierungssprengstoffs wird so gewaehlt, dasz die Schweiszladungen gleichzeitig rund um die Rohre zur Detonation gebracht werden, wobei die Detonationsfronten uebereinander und in einem groszen Winkel zur Rohrachse gehalten werden. Hierdurch werden unausgewogene Kraefte auf den Rohren vermieden und die Staerke des Zusammenpralls der um den Umfang herumlaufenden Schockwellen verringert, wodurch Schaedigungen des Rohrs und schlechte Schweiszungen vermieden werden.

Description

Berlin, den 12.11.1980 57 586/17

Verfahren zum Explosionsschvveißen Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Technik des Metallschweißens mit Sprengstoffen (Explosionsschweißen)· Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Verbinden von Stahlrohrabschnitten mit großem Durchmesser durch das Explosionsschweißen, wie sie beispielsweise zum Bau von größeren Dl- und Gaspipelines verwendet werden«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Seit den Veröffentlichungen durch Philipchuk und Bois in der US-PS 3 024 526 und durch Cowan und Holtzmann in der US-PS 3 137 937 über das Verbinden von auf einem Träger befindlichen Metallschichten durch die Zündung einer benachbarten Sprengstoffladung haben die Fachleute auf diesem Gebiet beträchtliche Anstrengungen unternommen, diese Technik auf das Zusammenschweißen von Metallrohrabschnitten anzupassen. Eine große Anzahl von entsprechenden Patenten beweist diese Anstrengungen, Eine kurze Obersicht über einige dieser Patente soll den Stand auf dem Gebiet dieser Technik darlegen, der zur vorliegenden Erfindung geführt hat«

In der US-PS 3 140 537 (Popoff) ist das Verbinden der äußeren Wandung eines Metallrohrs mit der inneren Wandung eines zweiten Metallrohrs beschrieben, beispielsweise zum Auskleiden von Rohren, Popoff fügt die Rohre konzentrisch ineinander, ordnet eine Sprengstoffladung über die gesamte

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Länge in den Rohren an und bringt den Sprengstoff zur Detonation. Die Detonationsenergie verbindet die Rohre miteinander. Bei diesem Verfahren wird um das äußere Rohr ein Träger angeordnet, um eine Beschädigung oder ein Verbeulen im Bereich der Verbindung zu vermeiden. In der US-PS 3 263 323 (Mäher u, a.) ist ein Verfahren zur Herstellung einer umlaufenden Explosionsschweißverbindung an zwei teleskopartig ineinander eingeführten Rohren beschrieben. Mager und Mitarbeiter erweitern ein Ende eines Rohrs unter einem spitzen Winkel und führen das gerade Ende eines weiteren Rohrs in die Aufweitung bis zur Berührung mit dem ersten Rohr ein« Hierauf wird eine durchgehende Sprengstoffschicht um die Erweiterung angeordnet, und ein fester Träger wird in der Nachbarschaft des Sprengstoffs in die Rohre eingeführt. Durch Detonation des Sprengstoffs wird die Erweiterung gegen das anstoßende Rohr getrieben und damit verschweißt, worauf der Träger herausgezogen wird. Alternativ kann ein nach innen verjüngter Abschnitt des inneren Rohrs eines zusammenpassenden Rohrpaars hergestellt werden. In diesem Fall wird ein inneres Band aus Sprengstoff und ein äußerer Träger verwendet. In dem von Mäher und Mitarbeiter angegebenen Beispiel wurde ein Rohr mit nur verhältnismäßig kleinem Durchmesser von 24,1 cm geschweißt, aber Mäher und Mitarbeiter erkennen bereits das Problem möglicher Beschädigungen am Treffpunkt der um den Umfang herumlaufenden Schockwellen, der sich in einem V/inkel von 180 von der Stelle der Zündung des Sprengstoffs befindet. Mäher und Mitarbeiter empfehlen eine zusätzliche Schicht von verstärkendem Metall an diesem Punkt. In der US-PS 3 455 017 (Zondag) ist das Schweißen von sowohl aufgeweiteten Rohrenden als auch von aneinanderstoßenden und mit einer Hülse versehenen Rohrenden be-

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schrieben, wobei eine einzige, um den Umfang angeordnete äuBere Sprengstoffladung verwendet wird. Um Schwierigkeiten durch Beschädigungen zu vermeiden, die durch das Aufeinandertreffen um den Umfang herumlaufender Schockwellen entstehen, schlägt Zondag vor, die Sprengstoffschweißladung mit Hilfe eines SprengstoffStreifens langsamer Detonationsgeschwindigkeit, der in einem Winkel zum Schweißsprengstoff angeordnet ist, zu initiieren. Dies soll die Ausbreitung der Explosion entlang und nicht rund des Rohrs fördern und eine Schädigung des Rohrs vermeiden. In der US-PS 3 535 (Doherty und Knop) ist u. a. die Verwendung von gleichzeitig initiierten inneren und äußeren Sprengstoffladungen in der Nachbarschaft sich überlappender und in innigem Kontakt stehender Rohrabschnitte beschrieben. Bei diesem Verfahren werden gleich große und entgegengesetzt wirkende Sprengkräfte verwendet, um eine Unterstützung überflüssig zu machen. In der US-PS 3 744 119 (Hanson u, a.) ist ein Verfahren zum Zusammenschweißen paralleler, im Abstand angeordneter Rohrabschnitte beschrieben, wobei gleichzeitig initiierte innere und äußere Sprengstoffladungen verwendet werden» Die Sprengstoffladungen, welche die Form von Hohlzylindern aufweisen, werden an mehreren Punkten rund um den gesamten Umfang der zylindrischen Ladungen und an einem vorderen Rand derselben gezündet. Dies ermöglicht es, daß die Wellenfronten aus der Detonation der Sprengstoffe in einer Richtung hauptsächlich parallel zur Längsachse der Rohre laufen, wodurch aufeinandertreffende Schockwellenfronten vermieden werden. In der US-PS 3 819 103 (Howell u. a.) ist das Schweißen von aneinander anstoßenden Rohrabschnitten beschrieben, und zwar mit Hilfe einer darüber gelegten Metallhülse, wobei eine einzige äußere, um den Umfang herumlaufende ringförmige Sprengstoffladung und ein

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beweglicher innerer Dorn verwendet wird. Die Sprengstoffladung wird mit Hilfe einer großen Anzahl von Zündkapseln initiiert, die rund um die gesamte ringförmige Sprengstoffladung angeordnet sind und gleichzeitig zur Detonation gebracht werden. In der US-PS 3 910 478 (Howell u. a.) ist das Schweißen von aneinander stoßenden und mit einer Hülse umgebenden Rohrabschnitten beschrieben» Es wird eine einzige äußere Sprengstoffladung über einer Metallhülse zur Detonation gebracht, welche die aneinander stoßenden Rohrenden umfaßt» Außerdem wird im Bereich der Hülse ein innerer Dorn verwendet. Die Sprengstoffschvveißladung wird mit Hilfe einer zweiten ringförmigen Primärsprengstoffladung initiiert, die eine höhere Detonationsgeschwindigkeit als die Hauptschweißsprengstoffladung aufweist. Die Priraärladung Et rund um die Schweißladung in der Mitte derselben angeordnet und greift mit Vorsprüngen in diese ein. Die Initiierung der Schweißladung durch die Primärladung mit hoher Detonationsgeschvvindigkeit soll Spannungen vermeiden oder vermindern, die durch um den Umfang herumlaufende und aufeinandertreffende Schockwellen verursacht werden.

Wie bereits bemerkt wurde, beispielsweise in den US-PS 3 455 017, 3 744 119 und 3 910 478, liegt eine Hauptschwierigkeit beim Zusammenschweißen von runden Formen, wie z. B. von Tanks oder Rohren, unter Verwendung von um den Umfang herumlaufenden Sprengstoffladungen in der Beschädigung des Metalls und in der Entstehung von unzulänglichen Schweißungen als Folge des Aufeinandertreffens von um den Umfang herumlaufenden Schockwellen« Um solche Schaden zu vermeiden, ist es bekannt, die Sprengstoff schvveißladung mit Hilfe eines winkelmäßig angeordneten Streifens

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eines Sprengstoffs niedriger Detonationsgeschwindigkeit (US-PS 3 455 017) zu initiieren, das Ende oder den Rand einer bandförmigen Sprengstoffladung mit Hilfe einer großen Anzahl von Initiatoren, die rund um den Umfang der Ladung angeordnet sind und gleichzeitig zur Detonation gebracht werden, zu initiieren (US-PS 3 744 119) oder die bandförmige Sprengstoffladung mit einem Band aus Sprengstoff hoher Detonationsgeschwindigkeit zu initiieren, das Vorsprünge in eine geformte Sprengstoffladung an einer Stelle im gleichen Abstand von einem jeden Rand derselben aufweist, wobei dieser Sprengstoff hoher Detonationsgeschwindigkeit mit Hilfe von zwei oder mehr im gleichen Abstand angeordneter Detonatoren initiiert wird (US-PS 3 910 478). Insbesondere in der US-PS 3 910 478 wird festgestellt, daß die Detonationsgeschwindigkeit des Initiierungssprengstoffs ungefähr 20 bis 35 %, vorzugsweise 30 %, größer sein soll als die Detonationsgeschwindigkeit der Schweißladung, um zu verhindern, daß die um den Umfang herumlaufenden '.Vellenfronten Kopf auf Kopf aufeinandertreffen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Vorteile der bekannten Technologie übernommen, um ein verbessertes Rohrschweißverfahren zu schaffen, bei welchem die Sprengstoffschweißladungen mit Hilfe einer Initiierungsladung hoher Detonationsgeschwindigkeit erzeugt wird, die Schockfronten in den Sprengstoffschweißladungen erzeugt, die um das Rohr mit einem sehr großen Winkel zur Rohrachse herumlaufen. Am Endpunkt treffen sich die Schockfronten in einem sehr großen Winkel, und infolgedessen wird der Schädigungseffekt von um den Umfang herumlaufenden und aufeinandertreffenden Wellenfronten verringert.

Durch keine der oben erwähnten Erfindungen wurden jedoch vollständig die Probleme gelöst, die mit der Schaffung eines

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zweckmäßigen, sicheren und wirtschaftlichen Verfahrens zum Schweißen von Metallrohrabschnitten verknüpft sind, um Schweißungen herzustellen, die alle Erfordernisse der Pipeline-Industrie und der Regierungsvorschriften erfüllen, und zwar insbesondere beim Schweißen von Rohren mit großem Durchmesser von beispielsweise 61 cm oder mehr« Die praktischen Schwierigkeiten, die mit dem Explosionsschweißen von Rohren mit sehr großem Durchmesser verknüpft sind - das Verfahren muß oftmals unter erschwerten klimatischen Bedingungen, wie z, B, in arktischen Gegenden, durchgeführt werden - sind naturgemäß viel größer, als sie beim Schweißen von Rohren mit kleinem Durchmesser angetroffen werden. Zwar lassen sich viele der bisher bekannt gewordenen Verfahren zum Schweißen von kleineren Rohren verwenden, aber diese Verfahren können nicht leicht auf das Schweißen von dickwandigen Rohren mit großem Durchmesser übertragen werden. Bisher wurden Pipelineabcchnitte mit großem Durchmesser durch herkömmliche Schweißmethoden ohne Anwendung von Sprengstoff verbunden. Diese Verfahren sind jedoch sehr teuer, insbesondere wenn Pipelines in abgelegenen Gegenden, in kaltem Klima oder in rauhem Gelände gebaut werden sollen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein leicht anzuwendendes Explosionsschweißverfahren, das mit einem Minimum von Vorbereitungszeit oder Hilfsvorrichtungen durchgeführt werden kann und das einen wirtschaftlichen Bau erlaubt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine hohe Qualität des

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Schweißverfahrens zu erreichen, mindestens so hoch, wie sie mit herkömmlichen Schvveißverfahren erzielbar ist.

Das erfindungsgemäße Schweißverfahren berücksichtigt die folgenden Merkmale, die für das Explosionsschweißen von Pipelineabschnitten mit großem Durchmesser unter strengen Wetter- oder Geländebedingungen als wesentlich angesehen werden:

a) Die zum Zusammenschweißen vorgesehenen Rohrabschnitte mit großem Durchmesser, die eine Länge von б m oder mehr aufweisen, müssen an der Pipeline-Baustelle in einer Form ankommen, in der sie leicht zusammengefügt werden können. Alle speziellen Formgebungen oder Oberflächenvorbehandlungen der Rohrabschnitte sollten in der Rohrfabrik durchgeführt werden, so daß keine weitere Formgebung oder andere Vorbereitung an der Baustelle erforderlich sind.

b) Die Sprengstoffladung oder -packung, die zur Herstellung oer Schweißverbindung verwendet werden soll, muß in einer gebrauchsfertigen Form vorhanden sein und sollte keine weiteren Zusammenfügungen erforderlich machen, außer die Verbindung mit einer einzigen einfachen Initiiereinrichtung. Die Sprengstoffpackung sollte billig sein.

c) Die Mittel für die Initiierung der Sprengstoffschweißladung müssen einfach, narrensicher, zuverlässig und zweckmäßig sein,

d) Die Schweißladung muß eine hohe Qualität der Schweißung erzeugen, ohne daß das Material des Rohrs beschädigt oder geschwächt wird.

Das erfindungsgemäße Schweißverfahren beinhaltet im wesentlichen die folgenden Stufen:

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a) Anordnung der Enden von zwei Metallrohrabschnitten in teleskopierender Weise, wobei das Ende des äußeren Rohrs mit einem spitzen Winkel zur Wandung des Rohrs aufgeweitet ist und das Ende des inneren Rohrs mit dem inneren Umfang des äußeren erweiterten Abschnitts in Kontakt steht;

b) Anbringen eines ersten durchgehenden Bands aus einem Schweißsprengstoff an der äußeren Oberfläche des erweiterten Abschnitts des äußeren Rohrs«

c) Anbringen eines zweiten durchgehenden Bands eines Schweißsprengstoffs an der inneren Oberfläche des Endes

des inneren Rohrs, so daß die beiden Sprengstoffbänder im wesentlichen konzentrisch und in gegenseitiger Nachbarschaft an den einander gegenüberliegenden Seiten des teleskopierenden Bereichs liegen;

d) Anbringen einer Initiiereinrichtung für die Detonation der bandförmigen Sprengstoffschweißladungen, wobei diese Initiiereinrichtung aus einer länglichen schnurartigen Ladung eines starken Sprengstoffs mit einer Detonationsgeschwindigkeit besteht, die mindestens 50 % größer ist als die Detonationsgeschwindigkeit des Schweißsprengstoffs in den bandförmigen Ladungen, und wobei die längliche Initiierungsladung aus einem starken Sprengstoff in Kontakt mit demjenigen Rand einer jeden bandförmigen Sprengstoff schvveißladung steht, der dem kleineren Durchmesser des aufgeweiteten Rohrbereichs benachbart ist; und

e) gleichzeitiges Zünden der Sprengstoffschweißladungen an einem einzigen Punkt einer jeden Ladung, wobei die Punkte benachbart sind, so daß die entstehenden Detonationsschockwellenfronten gleichzeitig paarweise rund um das Rohr an übereinanderliegenden Stellen und mit einem

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großen Winkel zur Rohrachse laufen, um den äußeren aufgeweiteten Teil und das Ende des benachbarten inneren Rohrs zusammenzutreiben, so daß eine Schweißverbindung entsteht.

Es wird bevorzugt, daß die Sprengstoffladungen mit einem Dämmaterial bedeckt sind.

Es kann von Vorteil sein, daß die innere schnurartige Initiierungsladung eine kleinere Detonationsgeschwindigkeit als die äußere schnurartige Initiierungsladung aufweist, um den geringeren inneren Umfang im Rohr auszugleichen, und um so eine simultane Zündung beider schnurartiger Ladungen herbeizuführen.

Zweckmäßig erfolgt die Aufweitung des äußeren Rohrs in einem Winkel von 5 bis 8 zur Horizontalen, wobei vorzugsweise die Aufweitung des äußeren Rohrs einen Winkel von 6 zur Horizontalen aufweist.

Die schnurartige Initiierungsladung besteht vorteilhaft aus einer Knallzündschnur sehr hoher Detonationsgeschwindigkeit und weist zweckmäßig einen hohlen Kern auf.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an Hand der beigefügten (nicht maßstabgerechten) Zeichnungen näher erläutert, es zeigen:

Fig, 1: einen Schnitt durch zwei teleskopartig ineinander geführte Rohrenden, die für das Explosionsschiveißen bereit sind;

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Fig. 2: einen Schnitt durch die Rohrenden von Fig. 1 nach dem Schweißen,

In den Zeichnungen ist 1 das an der Oberfläche gereinigte Ende eines inneren Stahlrohrabschnitts 2 von beispielsweise 122 cm Durchmesser. Die Wandstärke des Rohrs 2 beträgt annähernd 1,9 cm, 3 ist das aufgeweitete und gereinigte Ende eines äußeren Stahlrohrabschnitts 4 mit ähnlicher Wandstärke wie das Rohr 2,Das aufgeweitete Ende 3 beschreibt einen spitzen Winkel von beispielsweise 5 bis 8°, vorzugsweise 6 , wenn das innere Rohrende 1 in das aufgeweitete Ende 3 eingeführt ist und an der inneren gereinigten Oberfläche 5 anliegt. Eine bandförmige Sprengstoffladung 6, die vorzugsweise einen sich verjüngenden, keilförmigen oder abgestuften Querschnitt aufweist, liegt mit der äußeren Oberfläche des aufgeweiteten Endes 3 in Kontakt. Eine zweite entsprechende bandförmige Sprengstoffladung 7 mit ähnlicher Querschnittsform wie die Ladung 6 liegt mit der inneren Oberfläche des Rohrendes 1 in Kontakt, und zwar derart, daß sie unter der Sprengstoffladung 6 liegt. Die vorderen Enden der Ladungen 6; 7 schließen mit den Enden der Rohre 2; 4 ab. Ein Dämmaterialpaket 14; 15, beispielsweise in Form von Sandpackungen, kann auf der Oberseite der Ladungen 6; 7 angeordnet sein. Die Ladung 7 kann beispielsweise durch Speichen 8 gegen die innere Oberfläche des Rohrendes 1 gedrückt werden. An einem Rand der Sprengstoffladung 6 und in umlaufendem zündfähigen Kontakt befindet sich eine schnurförnige Sprengstoffladung 9, Eine ähnliche schnurförmige Sprengstoffladung 10 befindet sich in zündfähigem Kontakt um den Umfang des entsprechenden Rands der Sprengstoffladung 7. Die Detonationsgeschwindigkeit der schnurförmigen Ladungen 9; 10 ist mindestens 50 % größer

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als die Detonationsgeschwindigkeit der Sprengstoffladungen 6; 7, An benachbarten Punkten der schnurförmigen Sprengstoffladungen 9; 10 sind Initiierungseinrichtungen 11; 12 angeordnet, welche beispielsweise aus Stücken einer üblichen Knallzündschnur oder Stücken einer Energieübertragungsschnur bestehen kann· Alternativ können die schnurartigen Ladungen 9; 10 mit Hilfe von gesonderten und benachbart angeordneten schnellwirkenden elektrischen Detonatoren initiiert werden, wie z. B. Detonatoren der Type vom explodierenden Brückendraht, Die Initiierungseinrichtungen 11; 12 sind an einem gemeinsamen Detonator 13 angeschlossen, bei dem es sich beispielsweise um eine elektrische Sprengkapsel handeln kann» Die bandförmigen Ladungen 6; 7 können von den Sprengstoffherstellern in vorgefertigten Einheiten mit den schnurartigen Ladungen 9; 10 und den daran befestigten Initiierungseinrichtungen 11; 12 geliefert werden. Die Ladung 7 kann in Form eines Rads hergestellt und so bemessen werden, daß sie genau in das innere Rohrende 1 paßt. Die Ladung 6 kann in Form eines flexiblen Bands mit einer Länge hergestellt werden, die dem äußeren Umfang des erweiterten Endes 3 entspricht, wobei dieses Band fertig ist, um mit Hilfe eines Klebebands, eines Kontaktklebers oder ähnlichem befestigt zu werden.

Auf der Baustelle einer Pipeline wird eine vorbereitete Sprengstoffschweißladung mit einer schnurartigen Initiierungsladung 10 und einer daran befestigten Initiierungseinrichtung 12 innerhalb des Umfangs und in dichter Nachbarschaft zum gesäuberten Ende 1 eines Rohrs 2 angeordnet. Ein zweites ähnlich dimensioniertes Rohr 4 mit einem erweiterten gereinigten Ende 3 wird gegen das vordere Ende 1 des Rohrs geführt, so daß das Ende 1 innerhalb des erweiterten Ab-

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Schnitts 3 zu liegen kommt. Eine vorbereitete Sprengstoffladung б mit einer schnurartigen Initiierungsladung 9 und einer daran befestigten Initiierungseinrichtung wird rund um den äußeren Umfang des erweiterten Endes 3 angeordnet, so daß sie direkt gegenüber der inneren Ladung 7 liegt. Die Initiierungseinrichtungen 11; 12, die gleiche Länge aufweisen und deren Anschlußpunkte an die schnurartigen Ladungen 9; 10 einander gegenüberliegen, werden entlang der Außenseite bzw, der Innenseite des Rohrs bis zu dem Ende geführt, das dem aufgeweiteten Ende 3 gegenüberliegt, wo sie mit einem einzigen Detonator 13 verbunden werden. Vorher gepackte Dämmaterialien 14; 15 werden über den Ladungen 6; 7 angeordnet. Bei Zündung des Detonators 13 werden Energieschockwellen gleichzeitig entlang der Initiierungseinrichtungen 11; 12 geführt, so daß sie gleichzeitig die schnurartigen Sprengstoffladungen 9; 10 erreichen und zünden. Da die schnurartigen Ladungen 9; 10 eine beträchtlich größere Detonationsgeschwindigkeit wie der Sprengstoff der Ladungen 6; 7 aufweist, laufen die Detonationsfronten der Schweißladungen 6; 7 rund um das Rohr schneller als entlang der Rohrachse. Die Detonationsfronten sind somit in einem großen Winkel zur Rohrachse geneigt. Am Zusammentreffpunkt, der diametral dem Initiierungspunkt gegenüberliegt, treffen sich die Detonationsfronten der Ladungen 6; 7 in einem großen Winkel, so daß die schädlichen Wirkungen einer Kopf auf Kopf-Kollision von Detonationsfronten vermieden werden.

Wie es für Fachleute einzusehen ist, sollte die Detonationsgeschwindigkeit des in der schnurartigen Ladung 10 verwendeten Sprengstoffs um einen berechneten Wert kleiner sein als diejenige der schnurartigen Ladung 9, um den

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kürzeren Umfang innerhalb des Rohrs zu kompensieren, und um eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf die Rohre während der gleichzeitigen Detonation der Ladungen 6; 7 auszuüben* Ein geeigneter schnurartiger Initiator, der so hergestellt werden kann, ist die hohle Knallzündschnur, die von Prior in der US-PS 3 730 096 beschrieben worden ist. Bei der Detonation der Ladung б wird das erweiterte und gereinigte Ende 3 nach innen gegen den äußeren Umfang des gereinigten Rohrendes 1 getrieben, das durch die Explosionskraft der Ladung 7 gleichzeitig nach außen gedrückt wird. Diese Kräfte sind so, daß das Metall des erweiterten Endes 3 und des Rohrendes 1 an ihren Kontaktflächen über den gesamten Umfang des Rohrs 1 und über die gesamte Länge der Kontaktfläche miteinander verschweißt werden, so daß eine Schweißverbindung entsteht, wie sie in Fig. 2 zu sehen ist« Das gesamte verwendete Sprengstoffmaterial wie auch alle Packungen, Umhüllungen und Stützen werden entweder bei der Explosion beseitigt oder in einer Form zurückgelassen, daß sie leicht durch herkömmliche Verfahren entfernt werden können.

Die Menge und die Art des für die Schweißladungen 6; 7 verwendeten Sprengstoffs hängt von der Art des zu verschweißenden Materials, seinen Festigkeitseigenschaften, seiner Schmelztemperatur, seiner Dicke usw. ab. Aus einer Kenntnis der Eigenschaften beider Metalle und der Sprengstoffe kann eine Ladungstype ausgewählt werden, die einen ausreichenden Druck an der Schweißstelle ergibt, so daß die gewünschten Resultate erhalten werden. Typische Sprengstoffe, die sich beim Schweißen als brauchbar erwiesen haben, sind Amatol (ein Gemisch aus TTJT und Ammoniumnitrat), ANFO (Ammoniumnitrat/Heizöl-Gemische), Schlammsprengstoffe,

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Dynamite und Gelatine auf Nitroglycerinbasis sowie blattförmige Sprengstoffe. Diese Schweißsprengstoffe besitzen im allgemeinen Detonationsgeschwindigkeiten im Bereich von ungefähr 3000 bis ungefähr 5000 m/s« Die zur Initiierung der Schweißladungen verwendeten schnurförmigen Ladungen enthalten Sprengstoffmaterial, sie sind z_# B_# Knallzündschnüre mit einer sehr hohen Detonationsgeschwindigkeit, die, was wesentlich ist, mindestens 50 % größer ist als die Detonationsgeschwindigkeit der Sprengstoffschweißladung. Sofern nicht die Detonationsgeschwindigkeit der schnurförmigen Initiierungsladungen mindestens 50 % größer ist als diejenige der Sprengstoffschweißladungen, v/erden unzufriedenstellende Resultate erhalten, und zwar aufgrund einer überwiegend um den Umfang laufenden Schockwelle und der Schädigungswirkungen der Schockwellen, die an einem Punkt aufeinandertreffen, der um 180° vom Initiierungspunkt versetzt ist. Eine hohle Zündschnur hoher Detonationsgeschwindigkeit, wie sie von Prior in der US-PS 3 730 096 beschrieben ist und die eine Detonationsgeschwindigkeit bis zu 8000 m/s und mehr aufweist, kann in einfacher Weise in der Sprengstoffabrik in den Rand der Schweißladung eingearbeitet oder an diesem Rand befestigt werden. Sie kann auch leicht mit einer Initiierungseinrichtung verbunden werden, wie z, B_# mit einer Knallzündschnur niedriger Energie oder einer Energieübertragungeschnur.

Ein weiterer und überraschender unerwarteter Vorteil kann erreicht werden, wenn man eine hohle Knallzündschnur als Initiierungseinrichtung für die Sprengstoffschweißladung verwendet. Es wurde beobachtet, daß, wenn ein Stück dieser hohlen Zündschnur auf einer weichen Metallplatte angeordnet und gleichzeitig an jedem Ende gezündet wird, der Punkt,

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an dem die Explosionswellen sich treffen (der Dautriche-Effekt) verdoppelt wird, was durch einen auf der Metallplatte zurückbleibenden Eindruck angedeutet wird, d, h, also, daß zwei im Abstand angeordnete Markierungen oder Eindrücke auf der Metallplatte zurückbleiben anstelle einer einzigen Marke, die entsteht, wenn eine Knallzündschnur mit vollem Kern verwendet wird. Es ist also ersichtlich, daß es eine eigentümliche Eigenschaft der hohlen Zündschnur ist, die Energie von sich treffenden Schockwellen weiter zu verteilen und auszubreiten, weshalb der schädigende Effekt auf die Metallplatte, gegen welche die Detonation wirkt, verringert ist.

Die Erfindung wird durch das folgende Beipiel näher erläutert, welches das Zusammenschweißen von zwei kurzen Abschnitten eines Stahlrohrs mit einem Durchmesser von 122 cm unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Experimentierort zeigt»

Beispiel

Zwei Abschnitte aus einem Rohr mit großem Durchmesser, wie es zum Bau großer ölpipelines verwendet wird, wurden für das Schweißen ausgewählt. Das Rohr hatte einen Außendurchmesser von 122 cm und eine Wandstärke von 1,83 cm. Ein 29,2 cm langes Teil eines Endes eines ersten Rohrabschnitts wurde gesäubert und mit einem Winkel von ungefähr б zur Rohrwandung nach außen erweitert. Ein Ende des zweiten Rohrabschnitts wurde gesäubert und in das erweiterte Ende des ersten Abschnitts eingeführt, soweit, bis ein Umfangskontakt zwischen der inneren Oberfläche des erweiterten Teils und dem äußeren Rand des Endes des anderen Rohrab-

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schnitte bestand. Dies ergab eine Überlappung von 12,7 cm des erweiterten Teils des einen Rohrabschnitts mit dem Ende des anderen Rohrabschnitts. Es wurden Sprengstoffschweißladungen aus Amatol (80 % Ammoniumnitrat und 20 % TNT) mit einer Detonationsgeschwindigkeit von ungefähr 4000 m/s in gekrümmten Pappebehältern hergestellt, die so zusammengefügt wurden, daß zwei kontinuierliche Ringe mit einem Gewicht von jeweils ungefähr 10,9 kg gebildet wurden. Die Ringe hatten einen rechteckigen abgestuften Querschnitt· Der nichtabgestufte Teil war 2,54 cm dick und 6,35 cm breit, während an den daran anschließenden Abstufungen die Dicke 1,91 cm und die Breite 6,35 cm betrug. Die Gesamtbreite war also 12,7 cm. Die Länge war so, daß ein Ring auf den äußeren Umfang des äußeren Rohrabschnitts und der andere Ring auf den inneren Umfang des inneren Rohrabschnitts paßte.

Die erste äußere Sprengstoffschweißladung wurde vollständig rund um den äußeren Umfang des erweiterten Teils des äußeren Rohrabschnitts befestigt, wobei der dickste Rand der Ladung dem Körper des Rohrs am nächsten war. Der zweite innere Sprengstoff schweißring wurde rund um den inneren Umfang des Endes des zweiten Rohrabschnitts befestigt, und avar so, daß die äußere Ladung über der inneren Ladung lag, wobei der dicke Rand mit dem Ende des Rohrs fluchtete. Entlang der Mitte des dicken Rands einer jeden Ladung wurde ein Stück einer Knallzündschnur mit hoher Detonationsgeschwindigkeit befestigt, die einen Sprengstoffgehalt von 360 Grains PETN/m aufwies. Die Detonationsgeschwindigkeit (VOD) der für die äußere am erweiterten Teil liegende Ladung betrug 8450 m/s. Die VOD der Zündschnur für die innere Ladung wurde auf 7430 m/s oder 13,7 % weniger als die VOD

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der äußeren Zündschnur eingestellt, um die 13,7 % kürzere Länge der Schlinge der inneren Schnur im Vergleich zur Schlinge der äußeren Schnur in Rechnung zu stellen. Die Verringerung der VOD wurde dadurch erreicht, daß Abschnitte aus schnellen und langsamen Zündschnüren vereinigt wurden, so daß die gewünschte durchschnittliche Geschwindigkeit erzielt wurde. An jede Knallzündschnur wurde ein Stück einer Standardknallzündschnur befestigt, das ausreichend lang war, daß es bis zu dem Ende des Rohrabschnitts reichte, das dem aufgeweiteten Ende gegenüber lag. Auch die Anknüpfungsstellen der Standardknallzündschnüre mit den Knallzündschnüren hoher Detonationsgeschvvindigkeit lagen übereinander, so daß die Initiierung der inneren und der äußeren Schweißladungen genau an benachbarten Stellen erfolgte. Die daran befestigten Stücke der Standardknallzündschnur wurden zum offenen Ende des äußeren Rohrabschnitts geführt, miteinander vereinigt und gemeinsam mit einer Sprengkapsel verbunden. Sowohl die innere als auch die äußere Sprengstoffschvveißladung wurden mit einer Schicht aus trockenem Sand bedeckt, welcher in einem Pappebehälter abgepackt war, welcher die gleiche Breite wie die Sprengstoff ladungen aufwies und 6,35 cm breit war, um einen Dämmeffekt für die Sprengstoffe zu schaffen. Bei Zündung der Sprengkapsel wurde Energie gleichzeitig über die Standardknallzündschnüre übertragen, so daß die hohlen Knallzündschnüre mit hoher Detonationsgeschwindigkeit gezündet wurden, die ihrerseits gleichzeitig eine Randzündung der äußeren und inneren Schweißladungen veranlaßten. Die Energiewellon*· front, die durch die Detonation der Schweißladungen erzeugt wurde, verlief in einer Richtung hauptsächlich quer zur Breite der Ladungen und damit im wesentlichen in einer Richtung parallel zur Rohrlängsachse, wodurch die sich über-

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läppenden Rohrbereiche gegeneinander getrieben wurden und eine durchgehende Schweißverbindung entstand. Eine Prüfung eines Schnitts des geschweißten Bereichs zeigte, daß von dem 12,7 cm breiten Oberlappungsbereich annähernd 7,6 cm vollständig verschweißt waren. Dieser verschweißte Bereich erstreckte sich rund um den gesamten Umfang des Rohrs, Annähernd 2,54 cm lange Stücke von jedem Ende der Oberlappungsbereiche v/aren nicht vollständig verbunden, und zwar auf Grund von Endeffekten und der niedrigeren 'wirkung des Sprengstoffs beim Ablaufen der Explosion. Das Rohr wurde sorgfältig an einem Punkt überprüft, der 180 vom Zündungspunkt der hohlen Knallzündschnur mit hoher Detonationsgeschwindigkeit entfernt lag# Die Prüfung erfolgte auf strukturelle Schäden oder unvollständige Schweißungen, die unter Umständen durch die um den Umfang herumlaufenden und aufeinandertreffenden Vi/ellenfronten entstehen könnten. Es konnten keinerlei Anzeichen derartiger Schäden festgestellt werden. Die Schweißung wurde außerdem hinsichtlich der Trenn- oder Bruchfestigkeit mit Schweißungen im gleichen Material, die in herkömmlicher Weise mit einem elektrischen Bogen hergestellt worden waren, verglichen. Mehrere Testtechniken zeigten, daß die Explosionsschweißung besser war. Wegen der größeren Festigkeit der Explosionsschweißung wird angenommen, daß eine durch das Explosionsschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Pipeline eine verbesserte Beständigkeit gegenüber Leckbildung und Rißbildung in Längsrichtung aufweist, Fehler, die üblicherweise bei öl- und Gaspipelines auftreten.

Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt, anders als viele bekannte Verfahren, keinen mechanischen Träger, wie z. B. einen inneren Dorn oder eine äußere Stütze. Beim erfindungs-

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gemäßen Verfahren werden ausgewogene innere und äußere Explosionskräfte angewendet, um die Metallteile gegeneinander zu treiben und eine Schweißverbindung zu bilden. Die miteinander zu verschweißenden Metalloberflächen werden so zusammengefügt, daß ein spitzer Winkel von ungefähr 6 bis 8 zwischen den Flächen verbleibt. Wegen des verwendeten Initiierungsverfahrens werden die Wellenfronten beim Explosionsschvveißen rund um das Rohr herumgeführt, wobei sie in einer benachbarten Lage gehalten werden und wobei ein großer Winkel zur Rohrachse besteht. Dadurch werden die schädlichen Wirkungen unausgeglichener Schockwellen und um den Umfang herumlaufender und gegeneinandertreffender Schockwellen verringert oder verhindert. Die Einfachheit der Zündung und des Zusammenbaus der Ladungen auf der Baustelle ergibt ein schnelles, sicheres und wirtschaftliches Arbeiten.

Claims

12.11.1980 221276- 20- 57 586/17 Erfindungsanspruch

1· Verfahren zum Zusammenschweißen zweier Metallrohrabschnitte, gekennzeichnet dadurch, daß man

a) die Enden der beiden Metallrohrabschnitte in teleskopierender Weise anordnet, wobei das Ende des äußeren Rohrs mit einem spitzen Winkel zur Wandung des Rohrs aufgeweitet ist und das Ende des inneren Rohrs mit dem inneren Umfang des äußeren erweiterten Abschnitts in Kontakt steht;

b) eine erste kontinuierliche und im wesentlichen bandförmige Ladung eines Schweißsprengstoffs rundherum um die äußere Oberfläche des erweiterten Abschnitts des äußeren Rohrs anbringt;

c) eine zweite kontinuierliche und im wesentlichen bandförmige Ladung eines Schweißsprengstoffs rundherum um die innere Oberfläche des Endes des inneren Rohrs anbringt, so daß die beiden bandförmigen Sprengstoffladungon im wesentlichen konzentrisch und in gegenseitiger Nachbarschaft an den einander gegenüberliegenden Seiten des teleskopierenden Bereichs liegen;

d) eine Initiierungseinrichtung für jede Schweißsprengstoffladung anbringt, wobei diese Initiierungseinrichtung aus einer durchgehenden, länglichen und schnurartigen Ladung eines starken Sprengstoffs mit einer Detonationsgeschwindigkeit besteht, die mindestens 50 % größer ist als die Detonationsgeschwindigkeit der Schweißsprengstoffladungen, und wobei die länglichen Initiierungsladungen in initiierendem Kontakt mit demjenigen Rand einer jeden Ladung steht, der dem kleineren Durchmesser des aufgeweiteten Rohrbereichs benachbart ist; und

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e) gleichzeitig die Sprengstoffschweißladungen durch Initiieren einer jeden schnurartigen Initiierungsladung an einem einzigen Punkt einer jeden schnurartigen Ladung zur Detonation bringt, wobei die Initiierungspunkte benachbart liegen, so daß die entstehenden Detonationsschockwellenfronten einer jeden der Schvveißladungen rund um das Rohr herumlaufen, während ein großer Winkel zur Rohrachse aufrechterhalten wird, um den äußeren aufgeweiteten Teil und das Ende des benachbarten inneren Rohrs zusammenzutreiben, so daß eine Schweißverbindung entsteht,

2» Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Schvveißladungen mit einem Dämnaterial bedeckt v/erden,

3» Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die innere schnurartige Initiierungsladung eine kleinere Detonationsgeschwindigkeit als die äußere schnurartige Initiierungsladung aufweist, um den geringeren inneren Umfang im Rohr auszugleichen, und um so eine simultane Zündung beider schnurartiger Ladungen herbeizuführen,

4, Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Aufweitung des äußeren Rohrs einen V/inkel von 5 bis 8° zur Horizontalen aufweist.

5, Verfahren nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Aufweitung des äußeren

Horizontalen aufweist.

Aufweitung des äußeren Rohrs einen Winkel von 6° zur

6. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die schnurartige Initiierungsladung aus einer Knallzündschnur sehr hoher Detonationsgeschwindigkeit besteht.

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7. Verfahren nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Knallzündschnur hoher Detonationsgeschvvindigkeit einen hohlen Kern aufweist.

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