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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum geprüften Herstellen
von Rohren aus Stahl.
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Rohre
spielen bekanntlich in jeder menschlichen Infrastruktur eine wichtige
Rolle. Abhängig
auch von dem Medium, das in den Rohren geleitet wird, werden sie
aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen und Werkstoffkombinationen
hergestellt. Einflussparameter für
die Werkstoffauswahl des Rohres sind zum Beispiel chemische Materialverträglichkeit
mit dem durchgeleiteten Medium, Abrasionswiderstand, Durchflussmenge
und -geschwindigkeit und nicht zuletzt auch der Druck, unter dem
das Medium durch die Rohre fließt.
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Insbesondere
bei Gasleitungen aus Stahl sind unter diesen Aspekten Vorschriften
entwickelt worden wie zum Beispiel die Norm DIN EN 10208-2, die
betreffend die Streckgrenze des verwendeten Stahls sowie die Wanddicke
des daraus hergestellten Rohres Grenzwerte setzen. So werden in
den Bestellvorgaben für
Hochdruckrohre im Fernleitungsbau zum Beispiel nach dieser Norm
in Bezug auf die Streckgrenze des Stahls (messbar z.B. nach
DE 19513312 ) und die Wanddicke
der Rohre Mindestwerte vorgegeben, um insgesamt die Rohrgüte sicherzustellen,
die für
die Betriebssicherheit der Rohrleitung erforderlich ist. Diese sind
vom Rohrhersteller einzuhalten.
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Bisherige
Erfahrungen und statistische Auswertungen von verlegten Leitungen
haben gezeigt, dass die Qualität
der tatsächlich
verlegten Rohre unnötig
besser ist, als gemäß den Vorgaben
zum Beispiel nach der oben genannten Norm verlangt wird. Dies erklärt sich
durch Fertigungstoleranzen, die bei der Herstellung technischer
Produkte nach Maßvorgaben
immer zu berücksichtigen
sind. Um zum Beispiel eine bestimmte vorgegebene Grenzstreckgrenze
sicher bei der Produktion eines Rohres nicht zu unterschreiten,
wird in der Konstruktion und Produktionsvorbereitung eine Stahlgüte gewählt und
eingestellt, die sicher oberhalb des vorgeschriebenen Grenzwertes
liegt. Weil aber Berechnungs- und Produktionsverfahren betreffend
ihre Maßhaltigkeit
immer einer gewissen Streuung oder Schwankungsbreite unterliegen,
muss für
die Produktion eine Streckgrenze ausgewählt werden, deren unterer Grenzwert
(ihrer naturgemäß auftretenden
Streuung) noch immer sicher oberhalb des vorgegebenen Grenzwertes
liegt. Es ist evident, dass (gemäß Gauß'scher Verteilung)
sich daraus tatsächliche Streckgrenzen-Werte
der produzierten Rohre ergeben, die wie verlangt oberhalb des Grenzwertes – aber auch
sozusagen „verschwenderisch" oberhalb des Grenzwertes
liegen. Selbiges gilt für
den ebenfalls separat vorgeschriebenen Grenzwert der Wanddicke der
Rohre. Da aber sowohl die Streckgrenze als auch die Wandstärke die
Qualität
der produzierten Rohre positiv beeinflusst, werden zum Beispiel
im Gas-Fernleitungsbau
Rohre verlegt, deren Güte deutlich
oberhalb des Erforderlichen liegen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt in diesem Zusammenhang die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Rohren aus Stahl zu liefern, bei
dem die produzierten Rohre die Grenzwerte zur erforderlichen Betriebssicherheit
einhalten, den für die
Produktion zur Verfügung
stehenden Stahl aber effizienter nutzen. Diese Aufgabe wird von
einem Verfahren zum geprüften
Herstellen von Rohren aus Stahl mit den Merkmalen des Patentaspruchs
1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird bei
der Herstellung von Rohren aus Stahl, die einer bestimmten mechanischen
Beanspruchung, insbesondere durch den Innendruck im geleiteten Medium
zu genügen
haben – wie
es zum Beispiel in Prüfnormen
vorgeschrieben ist – in
einem ersten Schritt die Streckgrenze des Stahls, aus dem das Rohr
hergestellt werden soll, ermittelt. Anschließend wird aus diesem Stahl
das Rohr mit einer Rohrwandstärke
hergestellt, die, mit der ermittelten Streckgrenze multipliziert
wird, einen bestimmten Faktor als Prüfgrenzwert nicht unterschreitet.
Zum Beispiel wird erfindungsgemäß beim Schritt
des Ermittelns der Streckgrenze des Stahls eine Messung der Streckgrenze
verwendet, die an einer Probe dieses Stahls durchgeführt wurde.
Alternativ ist aber auch die Messung einer anderen Größe denkbar,
die Rückschlüsse auf
die Streckgrenze des Stahls zulässt.
Wesentlich ist, im Gegensatz zu herkömmlich bekannten Verfahren,
nicht Streckgrenzenwerte für den
konkret verwendet Stahl bei der Dimensionierung zugrunde zu legen,
die sich etwa aus vordefinierten Tabellen für die verwendete Stahlsorte
beispielsweise metallurgisch ergeben, sondern statt dessen den konkret
verwendeten Stahl im Produktionsablauf irgendwann vor der Herstellung
des Rohres aus diesem Stahl probeweise zu testen. So lässt sich
vorteilhaft zum Beispiel eine bessere als tabellarisch erwartete
Streckgrenze unmittelbar nutzen, indem bei der Herstellung von Rohren
aus diesem Stahl die Wandstärke
geringer dimensioniert wird – und
auf diese Weise Material sparen. Denn die selbe mechanische Belastbarkeit
des Rohres ergibt sich bei höherer
Streckgrenze des Stahls mit dann nur geringer erforderlicher Wandstärke wie
bei zum Beispiel – durch
die erfindungsgemäße Messung
bestätigter – Nenn-Streckgrenze
der gewählten
Stahllegierung und dann konkret passend gewählter Nenn-Wanddicke. Sogar
für verbesserte
Sicherheit kann das erfindungsgemäße Verfahren dadurch sorgen,
dass durch die konkrete Beprobung zum Ermitteln der Streckgrenze
des verwendeten Stahls auch eine gemessen an der Erwartung geringere
Streckgrenze durch das erfindungsgemäß konkrete Ermitteln erkannt
wird – und
folglich durch eine dann größer gewählte Rohrwandstärke noch
immer die selbe Betriebssicherheit wegen der daraus resultierenden gleichen
mechanischen Belastbarkeit des Rohres gewährleistet werden kann.
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Rohre,
insbesondere Gasleitungsrohre, aus Stahl werden erfindungsgemäß mit einer
an die zuvor ermittelte Streckgrenze des verwendeten Stahls angepassten
Rohrwandstärke
hergestellt, indem zum Beispiel aus einer Bramme des Stahls ein
Blech gewalzt wird. Dieses kann zum Transport und/oder zur Lagerung
zu einem Coil gewickelt werden. Das Rohr wird schließlich aus
dem Stahlblech gebogen – nachdem
es nötigenfalls
nochmals gewalzt wurde, um zum Beispiel nötigenfalls erfindungsgemäß die Rohrwandstärke genau
einzustellen (die sich selbstverständlich unmittelbar aus der
Dicke des verwendeten Blechs ergibt). Und schließlich wird es insbesondere geradgeschweißt oder
diagonalgeschweißt.
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Das
Ermitteln der Streckgrenze des Stahls kann erfindungsgemäß unmittelbar
vor dem Biegen des Blechs durchgeführt werden, indem zum Beispiel an
einem Blechstreifen dieses Stahlblechs die Streckgrenze gemessen
wird. Hier ist es erfindungsgemäß bevorzugt,
dass die Dicke dieses Blechs um weniger als 20%, insbesondere um
weniger als 10%, größer ist
als die Nenn-Rohrwandstärke,
die sich aus der (tabellarischen, metallurgischen) Nenn-Streckgrenze
des verwendeten Stahls ergibt. So lässt sich erfindungsgemäß durch
einen letzten Walzschritt an dem Stahlblech durch nur noch sehr
geringe Formänderung
(der Verringerung der Blechdicke) die genau erforderliche Blechdicke
und damit die genau erforderliche Rohrwandstärke einstellen, ohne dass die Streckgrenze
des Stahls sich durch die Formänderung
des Stahls noch signifikant ändert.
Da außerdem
metallurgisch der Zusammenhang zwischen solcher Formänderung
und der Änderung
der Streckgrenze sich prognostizieren lässt, ist es erfindungsgemäß sogar
möglich,
auch dies noch beim letzten Walzschritt zur genauen Dimensionierung
der Rohrwandstärke
zu berücksichtigen.
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Je
weiter zu Beginn der Verarbeitung (des Stahls zu dem Rohr) die Streckgrenze
des Stahls durch Beprobung ermittelt wird, desto „mittelbarer" hat das Ergebnis
der Beprobung Einfluss auf das Dimensionieren der Rohrwandstärke: So
ist es im Extremfall erfindungsgemäß sogar denkbar, aus einer Probe
der Stahlschmelze des verwendeten Stahls seine Streckgrenze metallurgisch
zu prognostizieren, wobei dann der Einfluss sämtlicher Verarbeitungsschritte
vom Abgießen
des Stahls zur Bramme über die
möglicherweise
mehreren Walzschritte bis hin zum Biegen und Schweißen des
Blechs zu dem Rohr berücksichtigt
werden muss.
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So
kann zum Beispiel auch die Streckgrenze des Stahls an einer Probe
gemessen werden, die aus der Bramme dieses Stahls oder einem Blech
nach einem ersten Walzschritt stammt. Dann wird erfindungsgemäß diese
Streckgrenze der Probe mit einem Quotienten multipliziert, der sich
aus Vorversuchen ergab, nämlich
als Verhältnis
der Streckgrenze eines gleichen Stahls nach dessen, insbesondere gleichartiger,
Weiterverarbeitung zu einem Referenzrohr – mit dem geforderten Prüfgrenzwert
(als Faktor seiner Streckgrenze und Wandstärke) – zur Streckgrenze der Bramme
oder des Blechs nach dem ersten Walzschritt (bevor daraus das Referenzrohr
hergestellt wurde). So kann zum Beispiel auf werksintern statistisch
ermittelte Erfahrungswerte zurückgegriffen
werden, um bei der Auswalzung der Bramme zu Coils prognostisch die
zu der dann erwarteten Streckgrenze zugehörige Wanddicke einzustellen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird im folgenden mit Bezug auf die Figur beispielhaft beschrieben.
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Die
Figur zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfidungsgemäßen Verfahrens.
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Rohre
für eine
Gaspipeline sollen gemäß der DIN
EN15409 einem bestimmten Innendruck standhalten, der sich folgendermaßen berechnet: DPzul = (20Tmin f0 Rt0,5)/Dmit
- DP
- Auslegungsdruck in
bar
- Tmin
- Mindestwanddicke in
Millimeter
- ff0
- Nutzungsgrad oder
Reziprokwert des Sicherheitsbeiwertes (S)
- Rt0,5
- Dehn- oder Streckgrenze
bei 0,5% Gesamtdehnung
- D
- Rohraußendurchmesser
in Millimeter
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Zur
Herstellung der Rohre soll der Stahl L485MB (X70 nach API5L) verwendet
werden. Um die erforderliche Transportleistung der Pipeline zu gewährleisten,
hat der Auftraggeber einen Rohr-Innendurchmesser von 1.200 mm vorgeschrieben.
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In
einem ersten Schritt wird (für
einen Betriebsdruck von 100 bar) bei der tabellarisch angegebenen
Nenn-Mindeststreckgrenze für
diese Stahlsorte von 485 N/mm2 rechnerisch
die (angesichts dieser theoretischen Streckgrenze theoretisch erforderliche)
Mindestrohrwandstärke – 20,107
mm – ermittelt.
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Im
nächsten
Schritt wird im Stahlwerk Stahlblech der genannten Stahlsorte mit
etwas größerer Bleckdicke
entweder aus früherer
Produktion bereitgestellt oder für
diesen Auftrag hergestellt. Erfindungsgemäß wird die Streckgrenze dieses
tatsächlich
für die
Herstellung vorgesehenen Stahlblechs durch Messung bestimmt – und zwar
dadurch dass zum Beispiel jeder Coil beprobt wird, indem jeweils ein
Blechstreifen zur Messung der Streckgrenze verwendet wird. Alternativ
kann die Anzahl der Streckgrenzen-Messungen (auch drastisch) reduziert
werden, wenn zum Beispiel durch geeignete Zertifikate sichergestellt
ist, dass sämtliche
Coils aus einer Charge stammen und daher die selbe Streckgrenze aufweisen
müssen.
Zusätzlich
oder alternativ kann erfindungsgemäß die Streckgrenze auch eines
vorab tatsächlich
probeweise hergestellten Rohrs durch Messung bestimmt werden – und zwar
dadurch, dass zum Beispiel geeignete Materialproben dem hergestellten
Rohr entnommen und zur Messung der Streckgrenze verwendet werden.
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Bei
der Messung stellt sich nun heraus, dass die Streckgrenze des Stahls
der verarbeitungsfertigen Coils zum Beispiel 520/mm2 beträgt – einen Wert,
der innerhalb des zulässigen
Bereichs der vorgesehenen Stahlsorte liegt. Um dem vorgesehenen Betriebsdruck
sicher standzuhalten, ergibt sich aus dieser – gemessenen – Streckgrenze
des Stahls durch Rechnung gemäß oben stehender
Formel die tatsächlich
erforderliche Mindestwandstärke
des Rohrs von 18,754 mm.
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Im
nächsten
Schritt wird im Stahlwerk folglich das Stahlblech von den Coils
so ausgewalzt, dass sich nach seinem Biegen und zum Beispiel Geradverschweißen zum
Rohr dessen Wanddicke zu 18,8 mm ergibt. Dabei wird bei diesem abschließenden Bemessen
der Wanddicke berücksichtigt,
dass sich die Streckgrenze auch beim letzten Walzen des Stahls zu
der schließlich
erforderlichen Blechstärke nochmals ändert, da
sich auch diese Formänderung bei
der Herstellung des Rohrs nochmals auf die Steckgrenze des Materials
auswirkt. So gibt es Streckgrenze-erhöhende Faktoren nämlich insbesondere
die Kaltverformung beim Walzvorgang aber auch negative Faktoren
wie zum Beispiel das Biegen des Rohres, das Formen auf Rundheit
oder der Temperatureinfluss beim Schweißen. Berücksichtigt wird dies zum Beispiel
durch empirisch ermittelte Zusammenhänge und/oder Sicherheitsfaktoren.
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Im
letzten Schritt wird schließlich
im Rohrwerk das Stahlblech von den Coils durch Biegen und zum Beispiel
Geradverschweißen
zum Rohr mit der tatsächlich
erforderlichen Wanddicke von 18,8 mm verarbeitet.
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Der
massive technische Vorteil gegenüber den
herkömmlichen
Rohrherstellungsverfahren wird nun in folgender Kontrollrechnung
des soweit dargestellten Ausführungsbeispiels
der Erfindung deutlich: Während
herkömmlich
nur die Mindeststreckgrenze des verwendeten Stahls (485 N/mm2) bei der Rohrdimensionierung zugrunde gelegt
wurde – daraus
hätte sich
rechnerisch die Wandstärke
der Rohre vorliegend dann zu 20,107 mm ergeben – kann unter Zugrundelegung
der tatsächlichen
Streckgrenze eine geringere Wandstärke bei der Rohrproduktion
eingestellt werden. Dies hat eine drastische Materialeinsparung
als positive Konsequenz. Im vorliegenden Beispiel ergibt sich bei
einer Pipeline von 100 km Länge
aus dem scheinbar nur geringen Rohrwandstärken-Unterschied von 1,35 mm
zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der herkömmlich „verschwenderischen" Berechnung eine
Materialersparnis von 3.900 t Stahl (39 kg Stahl pro Meter Pipeline).
Beim gegenwärtigen
Stahlpreis von rund EUR 0,941 pro kg ergibt sich aus dieser Materialersparnis bei
der 100 km-Pipeline eine Kostenersparnis von rund EUR 3,7 Mio.