DE102008007584A1 - Verfahren zur Herstellung faserumwickelter Stahlleitungsrohre mit einer Korrosionsschutzumhüllung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung faserumwickelter Stahlleitungsrohre mit einer Korrosionsschutzumhüllung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung faserumwickelter Stahlleitungsrohre mit einer mehrlagigen Korrosionsschutzumhüllung als Coating im Wesentlichen über die gesamte Rohrlänge, wobei in aufeinanderfolgenden Schichten ein Primer, ein Kleber und eine Deckbeschichtung auf das Rohr aufgebracht und das Rohr zur Verzögerung oder Vermeidung der Ausbreitung eines entstehenden Risses mit einer mindestens einlagigen Faserumwicklung versehen wird. Um das Verfahren kostengünstiger zu gestalten, ist vorgesehen, dass die Faserumwicklung als Bestandteil der Korrosionsschutzumhüllung des Rohres in parallel ablaufenden Arbeitsschritten bereits während des Coating-Prozesses auf das Rohr aufgebracht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung faserumwickelter Stahlleitungsrohre mit einer Korrosionsschutzumhüllung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung ein mit diesem Verfahren hergestelltes Rohr.
  • Insbesondere werden in diesem Zusammenhang im Betrieb unter hohem Innendruck stehende aus Einzelrohren zusammengeschweißte Rohrleitungen betrachtet, wie sie z. B. für den Gastransport verwendet werden.
  • Für derartige Rohrleitungen werden in zunehmendem Maße höhere technische Anforderungen an die Korrosionsschutzumhüllung der Rohrleitung gestellt, da die Umwelt-, Verlege- und Betriebsbedingungen immer anspruchsvoller werden, so dass nur zugelassene Korrosionsschutzumhüllungen verwendet werden dürfen.
  • Derartige Korrosionsschutzumhüllungen bestehen beispielsweise aus einer ersten Primerschicht, z. B. Epoxidharz, einer zweiten Schicht Copolymer als Kleber und einer äußeren Polymerschicht, z. B. aus Polyethylen (PE), vernetztem Polyethylen (PEX) oder Polypropylen (PP).
  • Bei Rohrleitungen, die für den Transport von Medien unter einem vergleichsweise hohen Druck vorgesehen sind, besteht insbesondere bei gasförmigen Medien, wie z. B. Erdgas, ein außerordentlich hohes Schadensrisiko, wenn der seltene Fall eintritt, dass sich in der Rohrleitung unter Betriebslast, möglicherweise ausgelöst durch Fremdeinwirkung, ein kritischer Riss bildet.
  • Solche Risse können sich unter bestimmten Bedingungen, wenn z. B. die intrinsische Zähigkeit des für die Rohre verwendeten Stahls bei Einsatztemperatur nicht ausreichend hoch ist, mit sehr hoher Geschwindigkeit über weite Strecken der Rohrleitung ausbreiten.
  • Dies ist z. B. bei hochfesten Rohrleitungsstählen ≥ X100 gemäß API 5L oder bei sehr tiefen Umgebungstemperaturen zu beachten.
  • Um für den Fall eines auftretenden Risses im Rohr die Schadenshöhe in einem vergleichsweise engen Rahmen zu halten, ist es z. B. aus der DE 100 09 305 A1 , der GB 2 128 287 A und der US 4,559,974 bekannt, die Rohrleitung in vorgegebenen Abständen mit sogenannten Rissstoppern zu versehen. Die Rissstopper sollen die allein vom Stahl nicht aufzuhaltende Rissausbreitung auf den Bereich zwischen zwei Rissstoppern beschränken.
  • Rissstopper bestehen beispielsweise aus unidirektional in Umfangsrichtung gewickelten Glasfasern, die in Epoxidharz o. ä. eingebettet sind und nachträglich entweder auf das schwarze unbeschichtete Rohr oder auf eine auf dem Rohr aufgebrachte Korrosionsschutzumhüllung aufgebracht werden.
  • Die Verwendung von partiell über die Rohrlänge verteilten Rissstoppern führt jedoch zu einer Reihe von Nachteilen bei der Produktion, dem Transport und der Auslegung der gewickelten Rohre, die sich in höheren Kosten, längeren Fertigungs- und Lieferzeiten niederschlagen.
  • Darüber hinaus werden bei einem Riss der Rohrleitung im Regelfall mehrere Rohre, abhängig von der Anzahl der mit einem Rissstopper ausgerüsteten Rohre, geschädigt, so dass es nach der Rissentstehung zu einer langlaufenden Rissausbreitung im Bereich zwischen zwei Rissstoppern mit entsprechenden Folgeschäden kommen kann.
  • Ein möglicher Weg um die Anzahl beschädigter Rohre und gleichzeitig Schäden in der Umgebung und für den Betrieb der Rohrleitung zu minimieren ist anstelle des Aufbringens von Rissstoppern die Rohrleitung vollständig über die gesamte Länge zu umwickeln, um so einer langlaufenden Ausbreitung eines Risses entgegenzuwirken bzw. diese zu vermeiden.
  • Ein derart umwickeltes Rohr ist beispielsweise aus der US 4,676,276 bekannt. Hier wird die zum Stoppen eines langlaufenden Risses fehlende Duktilität des Stahles durch eine entsprechend dimensionierte Wicklung des Rohres aufgefangen, die gleichzeitig als Schutz vor mechanischen Beschädigungen dient.
  • Abhängig vom Betriebsdruck des Rohres und der Anzahl der Umwicklungslagen wird der Riss schon nach einer kurzen Wegstrecke zum Stillstand gebracht.
  • Nachteilig hierbei ist, dass neben dem Coating-Prozess, also dem Aufbringen der Korrosionsschutzumhüllung, ein zusätzlicher Arbeitsgang durch das Umwickeln anfällt.
  • Im Vergleich zu einer reinen Korrosionsschutzumhüllung des Rohres ohne Faserverstärkung ergibt sich durch den zusätzlichen Arbeitsgang der Faserumwicklung ein erheblicher Mehraufwand und eine längere Fertigungszeit, was die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens beeinträchtigt.
  • Ein weiterer Nachteil eines so umwickelten Leitungsrohres besteht darin, dass durch die Faserumwicklung zwar die Risszähigkeit des Bauteils zunimmt, durch den im Vergleich zu einer regulären Korrosionsschutzumhüllung veränderten Aufbau jedoch ein zusätzlicher kosten- und zeitaufwändiger Nachweis der Eignung als Korrosionsschutzumhüllung erbracht werden muss.
  • Eine Alternative wäre zwar, eine bereits erprobte und zugelassene Korrosionsschutzumhüllung zuerst auf das Rohr aufzubringen und anschließend das Rohr zu umwickeln, dies würde jedoch erhebliche Mehrkosten durch zusätzliche Fertigungsschritte bedeuten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung faserumwickelter Stahlleitungsrohre mit einer Korrosionsschutzumhüllung anzugeben, welche unter Beibehaltung zugelassener Korrosionsschutzumhüllungen mit einer geringen Anzahl an Fertigungsschritten auskommt.
  • Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.
  • Nach der Lehre der Erfindung wird die Faserumwicklung als Bestandteil der Korrosionsschutzumhüllung des Rohres in parallel ablaufenden Arbeitsschritten bereits während des Coating-Prozesses auf das Rohr aufgebracht.
  • Die Faserumwicklung kann dabei in unmittelbarem Anschluss an den Kleberauftrag entweder unmittelbar vor oder gleichzeitig mit dem Aufbringen der Deckbeschichtung auf das Rohr aufgebracht werden.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass durch die Einbeziehung der Aufbringung der Faserumwicklung in den Coating-Prozess entgegen dem bekannten Verfahren der ansonsten separat anfallende Arbeitsgang des Umwickelns entfällt und somit Kosten eingespart werden.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei Verwendung eines handelsüblichen, erprobten und bereits als Korrosionsschutzumhüllung zugelassenen Coatings für die Faserverstärkung kosten- und zeitaufwändige neue Eignungsnachweise im Rahmen von Zulassungsverfahren entfallen können.
  • Die Faserumwicklung selbst, wird als Einzelfaser, Matte oder Band, z. B. aus Glas-, Kohle- oder Aramidfasern, auf das Rohr aufgebracht.
  • Bei dem Fasermaterial handelt es sich nicht um Kurzfasern sondern um Lang- oder Endlosfasern, d. h. um zu beliebig langen Fäden versponnene Fasern, die den gesamten Rohrumfang umgeben und sehr hohe Zugkräfte aufnehmen können.
  • Auch muss das Fasermaterial nicht unbedingt aus einem einheitlichen Werkstoff sein, sondern kann im Bedarfsfall auch aus unterschiedlichen Einzelmaterialien, also Fasergemischen, bestehen.
  • Für die Umwicklung des Rohres im Rahmen des Coating-Prozess wird die Stahloberfläche zunächst z. B. durch Strahlen gereinigt, danach auf etwa 200°C erwärmt und dann z. B. Epoxidharz flüssig oder vorteilhaft in Pulverform als Primerbeschichtung aufgebracht.
  • Anschließend wird in einem weiteren Arbeitsgang zunächst ein Kleber und im unmittelbaren Anschluss daran in einem parallelen Arbeitsgang die Faserumwicklung und die Deckbeschichtung, die z. B. Polyethylen oder Polypropylen sein kann, auf das Rohr aufgebracht.
  • Neben der Möglichkeit den Kleber oder die Deckbeschichtung auch in flüssiger Form auf das Rohr aufzubringen, hat sich als besonders vorteilhaft das Extrusionsverfahren herausgestellt, mit dem der Kleber und die Deckbeschichtung entweder jeweils als Schlauch oder in Form eines Folienbandes in einer schraubenlinienförmigen Umwicklung auf das Rohr aufgebracht wird.
  • Für Rohre größeren Durchmessers, z. B. > 600 mm, hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere die Anwendung des Wickelverfahrens als vorteilhaft erwiesen, da in einfacher Weise in einem Arbeitsgang das Rohr gleichzeitig mit dem Fasermaterial und der Deckbeschichtung umwickelt werden kann.
  • Durch ein zeitlich abgestimmtes Aufbringen, insbesondere von Kleber, Faserumwicklung und Deckbeschichtung wird eine hervorragende kraftschlüssige Verbindung nach innen zum Primer und nach außen zur Deckbeschichtung gewährleistet und somit eine feste Haftung auf dem Leitungsrohr erreicht.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Umwicklung mit einer gewissen Vorspannung auf das Leitungsrohr aufgebracht wird. Dadurch ist unabhängig von der Temperatur und dem Betriebsdruck des Leitungsrohres stets gewährleistet, dass die Stützwirkung der Wicklung immer in vollem Umfang zur Verfügung steht.
  • Weiterhin kann es bei sehr dichtmaschigem Fasergewebe, wenn beispielsweise die Deckbeschichtung keinen ausreichenden Kontakt mit der unter der Umwicklung liegenden Kleberschicht bekommt, vorteilhaft für eine möglichst innige Verbindung zwischen Kleber, Fasermaterial und Deckbeschichtung sein, wenn das Fasermaterial vor, während oder nach dem Aufbringen auf das Rohr zusätzlich mit einem Kleber versehen wird. Der Kleber kann in flüssiger Form oder vorteilhaft z. B. durch ein weiteres auf das bereits aufgebrachte Fasermaterial aufextrudiertes Folienband erfolgen.
  • Die zweckmäßige Anzahl der Wickellagen richtet sich nach den jeweiligen Bedingungen des Einzelfalls, insbesondere nach der Höhe des Betriebsdrucks, der Rohrleitung und deren Durchmesser, also nach der Größe der im Schadensfall beim Bersten des Leitungsrohres aufzunehmenden Zugkräfte in Umfangsrichtung, sowie der intrinsischen Zähigkeit des Rohrleitungswerkstoffes und nach der Einsatztemperatur.
  • Die Beschichtung bzw. Wicklung des Rohres erfolgt vorteilhaft schraubenlinienförmig, wobei sich das Rohr vorteilhaft unter einer fest montierten Beschichtungs- bzw. Extrudiervorrichtung bewegt.
  • Mittels angepasster Vorschubgeschwindigkeit des Rohrtransports kann eine kontrollierte Einstellung des Wickelwinkels und eine definierte Überlappung der Wicklung realisiert werden. Die Aufbringung mehrerer Lagen ist einerseits durch eine entsprechende Wahl des Wickelwinkels oder durch Applizierung mehrerer separater Faserlagen möglich.
  • Anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.
  • 1 schematische Darstellung der Herstellung eines erfindungsgemäßen Leitungsrohres,
  • 2 zeigt einen axialen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Leitungsrohr,
  • 3 einen Querschnitt gemäß Linie A-A in 2.
  • 1 zeigt die schematische Darstellung der Herstellung eines erfindungsgemäßen Leitungsrohres, welches bereits während des Coating-Prozesses mit einer Faserumwicklung versehen wird.
  • Das dargestellte Leitungsrohr 1 besteht aus Stahl und ist mit einer eine Faserumwicklung 4 beinhaltenden Korrosionsschutz-Umhüllung 6 versehen.
  • Die Korrosionsschutzumhüllung 6 besteht erfindungsgemäß aus einer auf das zuvor gereinigte Stahlleitungsrohr 1 aufgebrachten warmaushärtenden Epoxidharz-Grundierungsschicht als Primer 2, der als Pulver auf das zuvor auf ca. 200°C erwärmte Rohr 1 aufgebracht wird, durch die Erwärmung schmilzt und zu einer gleichmäßigen Schicht erstarrt.
  • In einem weiteren Arbeitsgang wird auf den Primer 2 ein Kleber 3 als Folienband durch Wickelextrusion aufgebracht.
  • Im unmittelbaren Anschluss wird in einem weiteren parallel ablaufenden Arbeitsgang die Faserumwicklung 4 als Band gleichzeitig mit der Deckbeschichtung 5 auf das Rohr 1 aufgebracht. Die Deckbeschichtung 5 wird dabei ebenfalls als Folienband im Wickelextrusionsverfahren schraubenlinienförmig auf das Rohr aufgebracht, wobei durch den eingestellten Wickelwinkel im vorliegenden Fall eine mehrlagige Deckbeschichtung erzeugt wird.
  • Wichtig ist eine bezüglich Temperatur und Zeit exakt abgestimmte Fertigungsfolge, um eine ausreichende Haftung und innige kraftschlüssige Verbindung zwischen Primer, Kleber, Faserumwicklung und Deckbeschichtung zu erreichen.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist die Breite der als Band ausgeführten Faserumwicklung 4 deutlich geringer als die Breite des Folienbandes der Deckbeschichtung 5, sie kann jedoch auch der Breite des Folienbandes angepasst sein.
  • Die in den 2 und 3 dargestellten Schnittbilder eines Abschnitts aus einem erfindungsgemäßen Leitungsrohr sind lediglich schematisch und geben die Größenverhältnisse nicht realistisch wieder.
  • Die gemäß 1 erzeugte Korrosionsschutzumhüllung 6 des Stahlleitungsrohres 1 kann beispielsweise aus einer 80 μm dicken Grundierungsschicht aus Epoxidharz als Primer 2, einer 200 μm dicken Kleberschicht 3 aus Ethylencopolymerisat, einer dreilagigen 2 mm dicken Faserumwicklung 4 und darauf einer 3 mm dicken Deckbeschichtung 5 bestehen, so dass sich inklusive der Beschichtung im vorliegenden Beispiel eine Gesamtdicke der Korrosionsschutzumhüllung 5 von etwa 6 mm ergibt. Bezugszeichenliste
    Nr. Bezeichnung
    1 Stahlleitungsrohr
    2 Epoxid-Primer
    3 Kleber
    4 Faserumwicklung
    5 Deckbeschichtung
    6 Korrosionsschutzumhüllung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10009305 A1 [0008]
    • - GB 2128287 A [0008]
    • - US 4559974 [0008]
    • - US 4676276 [0013]

Claims (28)

  1. Verfahren zur Herstellung faserumwickelter Stahlleitungsrohre mit einer mehrlagigen Korrosionsschutzumhüllung als Coating im Wesentlichen über die gesamte Rohrlänge wobei in aufeinanderfolgenden Schichten ein Primer, ein Kleber und eine Deckbeschichtung auf das Rohr aufgebracht und das Rohr zur Verzögerung oder Vermeidung der Ausbreitung eines entstehenden Risses mit einer mindestens einlagigen Faserumwicklung versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserumwicklung als Bestandteil der Korrosionsschutzumhüllung des Rohres in parallel ablaufenden Arbeitsschritten, bereits während des Coating-Prozesses auf das Rohr aufgebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Faserumwicklung unmittelbar vor oder gleichzeitig mit dem Aufbringen der Deckbeschichtung auf das Rohr aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Faserumwicklung in unmittelbarem Anschluss an den Kleberauftrag erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber in flüssiger Form aufgebracht wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber in Form eines extrudierten Folienbandes auf das Rohr aufgebracht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr mit dem Folienband schraubenlinienförmig umwickelt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber in Form eines extrudierten Schlauches auf das Rohr aufgebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass die Deckbeschichtung in flüssiger Form auf das Rohr aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass die Deckbeschichtung in Form eines extrudierten Folienbandes als schraubenlinienförmige Umwicklung auf das Rohr aufgebracht wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass die Deckbeschichtung in Form eines extrudierten Schlauches auf das Rohr aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach einem der Anspruch 8–10 dadurch gekennzeichnet, dass die Deckbeschichtung in einem Arbeitsgang mit der Faserumwicklung auf das Rohr aufgebracht wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11 dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial vor dem Aufbringen der Deckbeschichtung auf der Kontaktfläche mit der Deckbeschichtung mit einem Kleber versehen wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12 dadurch gekennzeichnet, dass der Primer und/oder Kleber warm- oder kaltaushärtend sind.
  14. Verfahren nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass bei warmaushärtenden Primer- oder Kleber-Systemen das Rohr vor dem Auftragen auf eine Temperatur oberhalb Raumtemperatur erwärmt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–14 dadurch gekennzeichnet, dass die Umwicklung des Rohres mit den Fasern unidirektional erfolgt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–15 dadurch gekennzeichnet, dass zur Umwicklung Einzelfasern verwendet werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–15 dadurch gekennzeichnet, dass zur Umwicklung Fasermatten verwendet werden.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–15 dadurch gekennzeichnet, dass zur Umwicklung Faserbänder verwendet werden.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–18 dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus Glas bestehen.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–18 dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus Kohle bestehen.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–18 dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus Aramid bestehen.
  22. Verfahren nach den Ansprüchen 19–21 dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus einem Materialgemisch bestehen.
  23. Stahlleitungsrohr mit einer Korrosionsschutzumhüllung bestehend aus einem Primer, einem Kleber und einer Deckbeschichtung sowie einer Faserumwicklung, hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1–22 dadurch gekennzeichnet, dass die Faserumwicklung innerhalb der Korrosionsschutzumhüllung angeordnet und mit dieser kraftschlüssig verbunden ist.
  24. Stahlleitungsrohr nach Anspruch 23 dadurch gekennzeichnet, dass die Faserumwicklung unterhalb der Deckbeschichtung angeordnet ist.
  25. Stahlleitungsrohr nach Anspruch 23 und 24 dadurch gekennzeichnet, dass die Faserumwicklung aus Glasfasern besteht.
  26. Stahlleitungsrohr nach den Ansprüchen 23 und 24 dadurch gekennzeichnet, dass die Faserumwicklung aus Kohlefasern besteht.
  27. Stahlleitungsrohr nach den Ansprüchen 23 und 24 dadurch gekennzeichnet, dass die Faserumwicklung aus Aramidfasern besteht.
  28. Stahlleitungsrohr nach den Ansprüchen 25–27 dadurch gekennzeichnet, dass die Faserumwicklung aus einem Materialgemisch besteht.
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