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Die
Erfindung betrifft zum einen ein längsnahtgeschweißtes
Mehrlagenrohr mit dem Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Zum anderen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines längsnahtgeschweißten Mehrlagenrohres der
in Rede stehenden Art gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 15.
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Längsnahtgeschweißte
Mehrlagenrohre sind generell aus Metallblechen herstellbar. Besondere Bedeutung
haben längsnahtgeschweißte Mehrlagenrohre aus
Stahl mit erheblichen Durchmessern insbesondere in der Erdölindustrie
und bei der Herstellung von großen Bauwerken aus Metall.
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Das
Problem besteht darin, daß in einem solchen Rohr in der
Praxis Fluide, insbesondere Flüssigkeiten oder Gase strömen,
die das Material des Rohrs angreifen, wenn es sich nicht um ein
besonders widerstandsfähiges, insbesondere ein besonders
korrosionsbeständiges Material handelt. Letzteres ist aber
zum einen teuer, zum anderen schwierig zu verarbeiten, insbesondere
bei größeren Wandstärken.
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Seit
Jahrzehnten ist es bereits bekannt, daß man längsnahtgeschweißte
Mehrlagenrohre dadurch kostengünstiger herstellen kann,
daß man eine feste, druckbeständige Außenlage,
z. B. aus typischem Kohlenstoff-Manganstahl, vorsieht und zum Zwecke des
Schutzes der inneren Oberfläche dieser Außenlage
dort eine dünne, korrosionsbeständige Innenlage
aufbringt. Letztere besteht bei einem aus Stahl bestehenden Mehrlagenrohr
zweckmäßigerweise aus nichtrostendem Edelstahl.
Dadurch kann der Großteil der Masse des Mehrlagenrohrs
aus einem kostengünstigen Stahlwerkstoff herstellt werden.
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Entsprechende
Anforderungen sind auch bei anderen Metallen, beispielsweise bei
Aluminium, bekannt, wenn auch in der Praxis nicht so bedeutsam. Die
vorliegenden Erläuterungen befassen sich daher primär
mit Mehrlagenrohren aus Stahl insbesondere für die Erdöl-,
Erdgas- und Off-Shore-Industrie.
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Grundsätzlich
sind die Erläuterungen in dieser Anmeldung aber auch für
längsnahtgeschweißte Mehrlagenrohre aus anderen
Metallen bedeutsam.
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Wesentlich
ist für die erfindungsgemäßen längsnahtgeschweißten
Mehrlagenrohre, daß die Innenlage mit der Außenlage
dauerhaft fest auf Zug und auf Scherung beanspruchbar verbunden
ist. Verfahren dazu sind seit Jahrzehnten bekannt (z. B.
US-A 1,712,090 ).
Es handelt sich hierbei um metallurgische Verfahren.
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Bekannt
sich auch mechanische Verfahren, die bis in jüngste Zeit
umfangreich weiterentwickelt worden sind (z. B.
WO-A-05/008 116 ).
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Sehr
grundsätzlich, systematisch und umfassend beschrieben werden
die derzeit bekannten einerseits metallurgischen, andererseits mechanischen
Verfahren in der Dokumentation des American Petroleum Institute
"Specification
for CRA Clad or Lined Steel Pipe" (API Specification 5LD
(SPEC 5LD), First Edition, January 1, 1993, issued by American Petroleum
Institute). Auf diese grundsätzliche Ausarbeitung,
die die Eigenschaften nahtloser sowie längsnahtgeschweißter
Stahl-Mehrlagenrohre und die Einzelheiten der Herstellungsverfahren
betrifft und umfangreich mit einer Vielzahl von Details und Maßangaben
erläutert, wird hier für den technologischen Hintergrund
der vorliegenden Angelegenheit in vollem Umfang verwiesen. Eine
ausführliche Beschreibung der nach wie vor ausschließlich
eingesetzten metallurgischen und mechanischen Verfahren gibt auch
die
WO-A-2006/066814 .
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Beim
Aufbau eines längsnahtgeschweißten Mehrlagenrohres
kennt man zunächst eine vollflächige metallurgische
Bindung, die als Ausgangshalbzeug ein plattiertes Verbundblech aus
zwei metallischen Werkstoffen, insbesondere Stählen mit
definierten Festigkeits- und Korrosionseigenschaften, benötigt.
Ein solches Verbundblech wird durch Walzplattieren oder Sprengplattieren
hergestellt. Beides sind sehr teure und aufwendige Verfahren.
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Beim
Verfahren mit metallurgischer Bindung wird das vorliegende Ausgangshalbzeug
nach üblichen Verfahren, insbesondere mittels einer Biegevorrichtung
(Biegewalze, Biegepresse) mechanisch zu einem Rohr geformt, das
aber noch einen offenen Schlitz aufweist. Es schließt sich
die Verschweißung an, wobei normalerweise die Außenlage
des verformten Mehrlagenrohrs entsprechend dem verwendeten Werkstoff
mit einem üblichen Verfahren zur Rohrschweißung
geschlossen wird, während die Schweißung der korrosionsbeständigen
Innenlage als Auftragsschweißung passend zum Werkstoff
erfolgt. Es kann so verhindert werden, daß im Bereich der
Schweißnähte eine Korrosionsbrücke von
der Außenlage zur Innenlage entsteht. Die Innenlage muß durchgehend
korrosionsbeständig sein, auch im Bereich der Schweißnaht.
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Da
sich das Verfahren zur Herstellung eines längsnahtgeschweißten
Mehrlagenrohres, das sich einer metallurgischen Bindung der Lagen
bedient, als aufwendig und teuer erwiesen hat, hat man auch Methoden
entwickelt, ein längsnahtgeschweißtes Mehrlagenrohr
herzustellen, bei dem die Innenlage und die Außenlage ausschließlich
durch eine mechanische Bindung miteinander verbunden sind. An den Stirnseiten
eines solchen Rohres kann eine solche mechanische Bindung dann noch
durch eine Schweißverbindung komplettiert werden.
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Bei
einem Mehrlagenrohr arbeitet man hierbei mit mehreren, im Beispielfall
also zwei, fertigen Rohren, die zum einen die Außenlage,
zum anderen die Innenlage bilden (s. auch die bereits genannte
WO-A-05/008 116 ).
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Die
Probleme bei diesem Herstellungsverfahren für längsnahtgeschweißte
Mehrlagenrohre sind vielfältig. Zum einen muß man
sehr enge Toleranzen einhalten. Zum anderen muß das äußere Rohr
eine höhere Streckgrenze aufweisen als das innere Rohr.
Sonst erreicht die Wirkung der elastischen Rückfederung
nach dem Expandieren des Innenrohrs mittels Innen-Hochdruckumformung
o. dgl. nicht das gewünschte Ergebnis.
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Ein
besonderes Problem bei längsnahtgeschweißten Mehrlagenrohren
mit rein mechanischer Bindung zwischen der Innenlage und der Außenlage stellt
das Risiko der Ablösung der Innenlage von der Außenlage
bei einem Unterdruckzustand im Rohr dar (Kollabieren der Innenlage).
Derartige Zustände treten beispielsweise in Erdölpipelines
bei plötzlichen Druckstößen auf, und
zwar gar nicht einmal so selten.
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Insgesamt
hat es sich gezeigt, daß die bislang verwendeten metallurgischen
und mechanischen Herstellungsverfahren für längsnahtgeschweißte
Mehrlagenrohre beide ihre Tücken haben. Entsprechend hergestellte
Mehrlagenrohre haben spezifische Vorteile und Nachteile, die ihren
Einsatz nicht unter allen Umständen erlaubt.
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Der
Lehre der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein längsnahtgeschweißtes
Mehrlagenrohr und ein Verfahren zur Herstellung eines längsnahtgeschweißten
Mehrlagenrohres anzugeben, das die Vorteile der beiden zuvor erläuterten,
grundsätzlich unterschiedlichen Herstellungsarten miteinander verbindet,
jedoch deren jeweilige Nachteile möglichst vermeidet.
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Die
zuvor aufgezeigte Problemstellung wird bei einem erfindungsgemäßen
längsnahtgeschweißten Mehrlagenrohr mit den Merkmalen
des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils von Anspruch 1 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen längsnahtgeschweißten
Mehrlagenrohr sind die beiden Lagen weder durch eine vollflächige
metallurgische Bindung noch durch eine rein mechanische Bindung
miteinander verbunden. Vielmehr sind die beiden Lagen mittels einer
Klebstofflage miteinander vollflächig verklebt. Diese Klebstofflage
ist von ihrer Zusammensetzung und ihrer Schichtdicke her so gestaltet,
daß sie ausreichend auf Scherung beansprucht werden kann.
Einzelheiten zu dazu geeigneten Klebstoffen werden weiter unten
näher erläutert.
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Das
erfindungsgemäße längsnahtgeschweißte
Mehrlagenrohr mit verklebten Lagen hat eine Klebstofflage, deren
Elastizität auch bei dem kleinsten in der Praxis interessanten
Durchmesser des Mehrlagenrohrs von 406 mm (16'') die mechanische
Verformung bei der Formung des Mehrlagenrohres auf einer Biegevorrichtung
aushält. Dabei hat die Klebstofflage eine solche Elastizität,
daß sie auch in der weiteren Praxis bei dem Verlegen entsprechender
Rohrleitungen der Biegung der Rohrleitung insgesamt (Rohrverlegeverfahren;
S-Lay) standzuhalten vermag.
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Schließlich
soll die Klebstofflage eine auch temperaturbedingt hinreichende
Elastizität haben, um den in der Praxis zu erwartenden
Betriebstemperaturen in passender Weise standzuhalten. Hier kommt
es auf den Einsatzort der entsprechenden Mehrlagenrohre an. Im Extremfall
müssen Temperaturen von bis zu –50°C
und +100°C ausgehalten werden können.
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Das
erfindungsgemäße Mehrlagenrohr, bei dem die Lagen
im wesentlichen vollflächig verklebt sind, hat eine ausreichend
hohe Zug- und Scherfestigkeit. Ein Kollabieren der Innenlage in
einem Unterdruckzustand im Rohr findet hier praktisch nicht statt. So
gesehen ist es einem nach einem mechanischen Herstellungsverfahren
hergestellten Mehrlagenrohr (lined pipe) deutlich überlegen.
Von den Herstellungskosten liegt das erfindungsgemäße
Mehrlagenrohr deutlich günstiger als das nach einem metallurgischen
Verfahren hergestellte Mehrlagenrohr.
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Kernstück
des erfindungsgemäßen Mehrlagenrohres ist die
Klebstofflage. Auf deren Eigenschaften kommt es entscheidend an.
Sie ist für die Qualität des fertigen längsnahtgeschweißten
Mehrlagenrohrs von entscheidender Bedeutung. Die wesentlichste Eigenschaft
der Klebstofflage ist ihre Fügeeigenschaft (bonding). Die
Klebstofflage muß eben eine innige Verbindung der metallischen
Innenlage mit der metallischen Außenlage herbeiführen. Zugfestigkeit,
Dehnung, Härte, Scherfestigkeit und Schälfestigkeit
sind wesentliche Parameter, die bei der erfindungsgemäß eingesetzten
Klebstofflage angepaßt werden müssen. Dazu sind
entsprechende Versuche bei der Anmelderin erfolgreich durchgeführt
worden.
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In
einer ersten Variante hat es sich als zweckmäßig
erwiesen, daß die Klebstofflage aus einem Epoxydharzkleber
besteht, der vorzugsweise unter Wärmeeinwirkung aushärtbar
ist und im ausgehärteten Zustand kurzzeitig Temperaturen
bis mindestens ca. 200°C, vorzugsweise bis mindestens ca. 250°C,
standhält. Ein Epoxydharzkleber dieser Art ist gut zu verarbeiten
und hat auch im Ergebnis gute Fügeeigenschaften.
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Noch
etwas bessere Ergebnisse werden mit einem Mehrlagenrohr erreicht,
bei dem vorgesehen ist, daß die Klebstofflage aus einem
Phenolharzkleber besteht. Vorzugsweise ist auch dieser ein solcher,
der unter Wärmeeinwirkung aushärtbar ist und im
ausgehärteten Zustand kurzzeitig Temperaturen bis mindestens
ca. 200°C, vorzugsweise bis mindestens ca. 250°C,
standhält. Die Verarbeitbarkeit eines Phenolharzklebers
einschließlich der Geruchsbelastung ist aber problematischer
als bei einem Epoxydharzkleber.
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Die
zuvor erläuterten Kleber sind einkomponentige Kleber, was
für die Verarbeitungsweise von Bedeutung ist. Möglich
ist es auch, daß die Klebstofflage aus einem chemisch aushärtbaren
Zweikomponentenkleber besteht. Auch hier kommen unterschiedliche
Kunstharzklebemittel zur Anwendung. Die Temperaturanforderung an
die Klebstofflage resultiert zum einen aus der Temperaturbelastung
des Rohrs beim Anbringen der Schweißnähte, zum
anderen und insbesondere aus dem Umstand, daß die Rohre
häufig nachträglich von außen mit einem Kunststoffthermisch
beschichtet werden.
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Von
besonderer Bedeutung für die Lehre der Erfindung ist die
Erkenntnis, daß eine besonders dicke Klebstofflage zu schlechteren
Fügeeigenschaften führt. Bei einer dickeren Klebstofflage
wird häufiger eine Ablösung der Innenlage von
der Außenlage festgestellt. Versuche haben hier gezeigt,
daß besonders vorteilhaft die Klebstofflage eine im Ausgangszustand
geringe Schichtdicke von vorzugsweise 10 μm bis ca. 100 μm
aufweist.
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Weiter
gilt, daß die Außenlage mit einem üblichen
Verfahren zur Rohrschweißung entsprechend dem verwendeten
Werkstoff und die Innenlage mit einem üblichen Verfahren
zur Auftragsschweißung entsprechend dem verwendeten Werkstoff
längsnahtgeschweißt ist. Um eine Ausgasung der
Klebstofflage, die das Schweißergebnis insbesondere bei
der Auftragsschweißung stören könnte,
zu vermeiden oder zu reduzieren kann man nach bevorzugter Lehre
vorsehen, daß die Klebstofflage vom Bereich der Schweißnaht
der Innenlage seitlich etwas zurückgesetzt ist, vorzugsweise
um 3 bis 50 mm, insbesondere um mindestens 5 mm, höchstens
30 mm.
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Grundsätzlich
ist ein Mehrlagenrohr gemäß der Lehre der Erfindung
primär ein Rohr mit Außenlage und Innenlage. Möglich
ist natürlich auch die Herstellung eines Mehrlagenrohrs
mit mehr als zwei miteinander verklebten Lagen.
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Typische
Außendurchmesser des Mehrlagenrohres liegen über
400 mm. Da insbesondere die petrochemische Industrie von amerikanischem
Einfluß geprägt ist, werden häufig noch
Zollmaße verwendet. Ein Mehrlagenrohr für eine
Pipeline hat dann einen minimalen Außendurchmesser von
16'', was 406 mm entspricht. Größere Werte sind
beispielsweise 762 mm bis zu 2.500 mm als Außendurchmesser des
Mehrlagenrohrs.
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Typischerweise
ist bei einem Stahlrohr die Außenlage aus Kohlenstoffstahl
hergestellt, die Innenlage besteht aus Edelstahl, beispielsweise
Edelstahl TP 304.
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Für
typische Großrohre der petrochemischen Industrie kann man
vorsehen, daß die Außenlage eine Dicke von mindestens
8, vorzugsweise mindestens 10 bis 15 mm, aufweist, während
für die Innenlage gilt, daß die Innenlage eine
Dicke von mindestens 1 mm und höchstens 12 mm, vorzugsweise von
2 bis 4 mm aufweist.
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Die
erfindungsgemäße Klebeverbindung kann man im Grundsatz
auch in Kombination mit einem bekannten mechanischen Herstellungsverfahren
verwenden, bei dem die Innenlage und die Außenlage durch
Expandieren eines die Innenlage bildenden Innenrohrs in einem die
Außenlage bildenden Außenrohr miteinander mechanisch
verbunden werden (s. die eingangs genannte
WO-A-05/008116 , ”liner
clad Rohre”). Dabei befindet sich die Klebstofflage auf
der Außenseite des Innenrohrs oder der Innenseite des Außenrohrs
und wird nach dem mechanischen Verbinden durch Wärmeeinwirkung
aktiviert/ausgehärtet.
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Insbesondere
für Anwendungen in der Konstruktion von großen
Metallbauten kann man die erfindungsgemäße Lagenfolge
des längsnahtgeschweißten Mehrlagenrohrs auch
umkehren. Man kann also die korrosionsbeständige Lage als
Außenlage anbringen und die druckbeständige, dicke
Lage als Innenlage. Das ist beispielsweise für Stützrohre von
Erdöl-Förderplattformen sinnvoll. Die Lehre der Erfindung
ist in dieser Weise genauso anwendbar.
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Schließlich
kann man grundsätzlich auch zwei äußere
korrosionsbeständige Lagen und eine mittlere druckbeständige
Lage vorsehen, wenn man beidseits korrosionsbeständig ausgerüstete
Rohre herstellen möchte.
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In
verfahrenstechnischer Hinsicht löst das zuvor aufgezeigte
Problem das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 15.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei dem die Innenlage mit der Außenlage mit
Hilfe einer Klebstofflage auf Scherung beanspruchbar im wesentlichen
vollflächig verbunden wird, ist Gegenstand der auf Anspruch
15 rückbezogenen Unteransprüche.
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Für
das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren gibt
es eine erste Variante, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Außenlage und die Innenlage mittels der Klebstofflage als
flache Bleche miteinander verklebt werden, daß der Klebstoff
der Klebstofflage unter Wärmeeinwirkung ausgehärtet
wird und daß der derart gebildete, verklebte, mehrlagige Werkstoff
mit Hilfe einer Biegevorrichtung zu dem Mehrlagenrohr geformt und
mittels einer Schweißvorrichtung längsnahtverschweißt
wird. Hier ist also das Ergebnis der Verklebung ein im wesentlichen
fertiges Vorprodukt, das dann anschließend wie ein plattiertes
Blech auf der Biegevorrichtung zu dem Mehrlagenrohr geformt und
mittels der Schweißvorrichtung längsnahtverschweißt
wird.
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Mit
diesem Verfahren muß die Klebstofflage, die ja beim Durchführen
des Biegevorgangs schon fertig ausgehärtet ist, die hohen
Scherkräfte bei der Herstellung aushalten.
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Nach
einem anderen, ebenfalls interessanten Verfahren kann man vorsehen,
daß die Außenlage und die Innenlage mittels der
Klebstofflage als flache Bleche miteinander verklebt werden, daß der derart
gebildete mehrlagige Werkstoff mit Hilfe einer Biegevorrichtung
zu dem Mehrlagenrohr geformt wird, daß der Klebstoff der
Klebstofflage unter Wärmeeinwirkung ausgehärtet
wird und daß das Mehrlagenrohr schließlich mittels
einer Schweißvorrichtung längsnahtverschweißt
wird. Hier ist der Klebstoff der Klebstofflage während
des Biegevorgangs im Zuge der Herstellung noch nicht ausgehärtet.
Die Innenlage wird zwar beim Biegen auf der Biegevorrichtung in die
Außenlage gepreßt, kann sich aber lateral gegenüber
der Außenlage noch relativ frei verschieben. Erst im Anschluß daran,
also nach dem wesentlichen mechanischen Verformungsvorgang, erfolgt
die Aushärtung der Klebstofflage unter Wärmeeinwirkung. Es
liegt auf der Hand, daß dann die Beanspruchung der Klebstofflage
wesentlich geringer ist als im erstgenannten Verfahren.
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Das
zuvor beschriebene Verfahren kann eine weitere Modifikation erfahren
dergestalt, daß die beiden letzten Verfahrensschritte vertauscht
werden. Dann wird das Mehrlagenrohr mittels der Schweißvorrichtung
längsnahtverschweißt, bevor die Klebstofflage
unter Wärmeeinwirkung ausgehärtet wird. Das ist
zwar einerseits für die Beanspruchung der Klebstofflage
möglicherweise optimal. Andererseits ist der Wärmeeintrag
während des Schweißens so hoch, daß letztlich
die Wärmeeinwirkung bereits zum Aushärten der
Klebstofflage führt oder führen kann. Die Zustände
beim Aushärten der Klebstofflage sind also nicht mehr so
definiert wie im zuvor genannten Fall.
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Schließlich
gibt es natürlich auch eine auf einen Zweikomponentenkleber
abgestellte Verfahrensvariante.
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Für
die Verarbeitung der Klebstofflage empfiehlt sich im Ausgangszustand
eine Schichtdicke von ca. 10 μm bis ca. 100 μm.
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Um
ein Ausgasen aus der Klebstofflage zu vermeiden oder gering zu halten,
empfiehlt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
daß die Klebstofflage quer zur Biegeachse (= Längsachse des
fertigen Mehrlagenrohres) gegenüber dem Rand des Bleches
der Innenlage beidseitig geringfügig zurückgesetzt
aufgebracht wird, vorzugsweise um 3 bis 50 mm, insbesondere um mindestens
5 mm, höchstens 30 mm, zurückgesetzt. Dann befindet
sich jedenfalls im Bereich der später anzubringenden Schweißnaht
an der Innenseite seitlich kein Klebstoff.
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Die
Aufbringungsweise der Klebstofflage bestimmt sich nach den praktischen
Gegebenheiten und den Eigenschaften des verwendeten Klebstoffes.
Grundsätzlich ist es möglich, daß die
Klebstofflage flüssig, pastös, als Granulat, als
Pulver oder als Folie aufgebracht wird.
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Für
die Wärmebehandlung der Klebstofflage zum Zwecke des Aushärtens
kann man typischerweise eine Temperatur von 150°C über
ca. 30 Minuten oder beispielsweise von 100°C über
ca. 5 Stunden vorsehen. Experimente ergeben, in welcher Weise eine
optimale Ausgestaltung der Klebstofflage im Endzustand erreicht
wird. Für das Aushärten charakteristisch ist,
daß das Aushärten zeitlich einer Exponentialfunktion
folgt.
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Herstellungstechnisch
ist es zweckmäßig, daß das untere flache,
vorzugsweise die Außenlage bildende Blech quer zur Biegeachse
(= Längsachse des fertigen Mehrlagenrohrs) gegenüber
dem oberen flachen, vorzugsweise die Innenlage bildenden Blech randseitig
beidseitig geringfügig übersteht.
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Wie
bereits oben mehrfach erwähnt worden ist empfiehlt es sich,
daß die Außenlage mit einem üblichen
Verfahren zur Rohrschweißung entsprechend dem verwendeten
Werkstoff und die Innenlage mit einem üblichen Verfahren
zur Auftragsschweißung entsprechend dem verwendeten Werkstoff längsnahtverschweißt
wird. Für die Rohrschweißung von Stahl empfiehlt
sich ein Lichtbogenschweißverfahren, ggf. unter Pulver
(UP). Demgegenüber wird die Innenlage mit einem typischen
Edelstahl-Austragsschweißverfahren verschweißt.
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Zum
Formen des mehrlagigen Werkstoffes zu dem Mehrlagenrohr kann man
eine typische Biegewalzenanordnung, beispielsweise eine Dreiwalzenbiegemaschine,
verwenden. Verwendbar ist auch eine große Biegepresse,
die das mehrere Meter lange Mehrlagenrohr schrittweise in die richtige
Form bringt. Eine Nachbiegemaschine gibt dem vorgefertigten Rohr
dann die exakt runde Form. Dann wird das Mehrlagenrohr am offenen
Schlitz vorläufig schweißtechnisch geheftet und
wandert danach in die Schweißvorrichtung für die
endgültige Herstellung der Schweißnähte.
Auch insoweit darf zu weiteren Erläuterungen auf die einleitend
genannte Publikation ”Specification 5 LD” des
American Petroleum Institute hingewiesen werden.
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Grundsätzlich
kann man das erfindungsgemäße Verfahren zur Klebeverbindung
von Innenlage und Außenlage auch mit einem bekannten mechanischen
Verbindungsverfahren kombinieren. Dabei ist dann vorzusehen, daß die
Innenlage und die Außenlage, wie an sich bekannt, durch
Expandieren eines die Innenlage bildenden Innenrohrs im die Außenlage
bildenden Außenrohr mit der Klebstofflage dazwischen miteinander
mechanisch verbunden werden und daß danach der Klebstoff
der Klebstofflage unter Wärmeeinwirkung aktiviert/ausgehärtet
wird.
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Im
folgenden wird die Erfindung nun anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
schematisch darstellenden Zeichnung weiter erläutert. In
der Zeichnung zeigt
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1 eine
Stirnansicht eines fertigen längsnahtgeschweißten
Mehrlagenrohrs gemäß der Erfindung,
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2 eine
Sprengdarstellung eines Vorprodukts zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Mehrlagenrohrs,
schematisch,
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3 das
nach einem besonders bevorzugten Verfahren hergestellte Vorprodukt
eines erfindungsgemäßen Mehrlagenrohrs.
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Das
in 1 dargestellte Mehrlagenrohr ist ein längsnahtgeschweißtes
Mehrlagenrohr aus Metall, hier aus Stahl. Grundsätzlich
ist die Lehre der Erfindung aber auch auf Mehrlagenrohre aus anderen Metallen,
insbesondere aus Aluminium, anwendbar. Besondere Bedeutung hat die
Lehre allerdings bei Mehrlagenrohren aus Stahl, insbesondere Großrohren
wie sie für Anlagen der petrochemischen Industrie, insbesondere
Erdöl-Pipelines, Gas-Pipelines oder Konstruktionselemente
von Förderplattformen benötigt werden.
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Im
einzelnen darf dazu auf die einleitenden Zitate aus dem Stand der
Technik hingewiesen werden.
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Das
erfindungsgemäße Mehrlagenrohr hat eine feste,
druckbeständige Außenlage 1, die Druck und
Zug aufnimmt, und eine dünne Innenlage 2 mit bestimmten
Korrosions- und ggf. Abrasionseigenschaften. Im dargestellten und
bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Außenlage 1 aus
Kohlenstoffstahl, die Innenlage 2 aus Edelstahl. Die aggressiven
petrochemischen Fluide, die in dem längsnahtgeschweißten
Mehrlagenrohr strömen können, greifen den Edelstahl
der Innenlage 2 nicht an, würden aber den Kohlenstoffstahl
der Außenlage 1 zerstören. Außer
Edelstahl kommen für die Innenlage 2 auch andere
Eisen- oder Nichteisenlegierungen in Frage.
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Das
dargestellte Mehrlagenrohr ist an der Außenlage 1 mittels
einer üblichen, angefasten Rohrschweißnaht 3 verschweißt,
mit einem dem verwendeten Werkstoff entsprechenden Schweißverfahren. Demgegenüber
ist die Innenlage 2 mittels einer Auftragsschweißnaht 4 verschweißt,
so daß die Innenlage 2 vollständig korrosionsbeständig
geschlossen ist.
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Wesentlich
für die Lehre der Erfindung ist nun die Art der Verbindung
der Innenlage 2 mit der Außenlage 1.
Es handelt sich hier nicht um eine metallurgische Verbindung. Es
handelt sich auch nicht um eine mechanische Verbindung. Das waren
bislang die einzigen Techniken für die Herstellung von längsnahtgeschweißten
Mehrlagenrohren. Erfindungsgemäß ist vielmehr
vorgesehen, daß die Innenlage 2 mit der Außenlage 1 mittels
einer Klebstofflage 5 auf Zug und Scherung beanspruchbar
im wesentlichen vollflächig verbunden ist.
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2 zeigt
schematisch in einer Sprengdarstellung die drei ”Schichten” des
Mehrlagenrohrs gemäß der Erfindung, nämlich
die Außenlage 1, die Innenlage 2 und
dazwischen die Klebstofflage 5. Diese muß nicht
körperlich zusammenhängend vorhanden sein, wie
das 2 andeutet. Das ist in 2 nur der Verständlichkeit
halber so dargestellt.
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3 zeigt
die Bleche für die Außenlage 1 und die
Innenlage 2 zusammengelegt mit der dazwischen befindlichen,
in 3 nicht mehr sichtbaren Klebstofflage 5.
Durch den bogenförmigen Doppelpfeil oben in 3 ist
angedeutet, wie das in 3 dargestellte flächige
Vorprodukt zum Herstellen des Mehrlagenrohrs gebogen wird.
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Im
dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen,
daß die Klebstofflage 5 aus einem Epoxydharzkleber
besteht. Dieser ist hier unter Wärmeeinwirkung aushärtbar
und kann im ausgehärteten Zustand kurzzeitig Temperaturen
bis mindestens ca. 200°C, vorzugsweise bis mindestens ca. 250°C,
standhalten. Als Alternative läßt sich auch ein Phenolharzkleber
vorzugsweise mit entsprechender Temperaturbeständigkeit
oder ein chemisch aushär tender Zweikomponentenkleber verwenden.
Andere Klebstoffarten werden möglicherweise in Zukunft
entwickelt. Für die Lehre der Erfindung ist besonders bedeutsam,
daß die Klebstofflage 5 keine übermäßig große
Dicke aufweisen sollte. Das dargestellte und bevorzugte Ausführungsbeispiel
zeigt, daß die Klebstofflage 5 eine im Ausgangszustand
geringe Schichtdicke von vorzugsweise 10 μm bis ca. 100 μm aufweist.
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Angedeutet
ist in 2 mit den dortigen Abmessungen, daß die
Klebstofflage 5 vom Bereich der Schweißnaht 4 der
Innenlage 2 seitlich etwas zurückgesetzt ist,
vorzugsweise um 3 bis 50 mm, insbesondere um mindestens 5 mm, höchstens
30 mm.
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Das
Mehrlagenrohr mit dem geringsten Außendurchmesser in der
Erdölindustrie ist ein solches mit einem Außendurchmesser
von 16'', was etwa 406 mm entspricht. Wenn die Klebstofflage 5 für
ein so kleines Mehrlagenrohr die notwendige Scherfestigkeit aufweist,
so hat sie diese selbstverständlich für Mehrlagenrohre
mit größerem Durchmesser ohnehin.
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Im
dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel kann
man anhand der Größenverhältnisse nachvollziehen,
daß hier die Außenlage 1 eine Dicke von
mindestens 8, vorzugsweise mindestens 10 bis 15 mm, aufweist, während
die Innenlage 2 eine Dicke von mindestens 1 mm und höchstens
12 mm, vorzugsweise von 2 bis 4 mm aufweist.
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Wie
bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung mitgeteilt worden ist,
kann man die Lagenfolge erfindungsgemäß auch genau
umdrehen, also die dünne, korrosionsbeständige
Lage als Außenlage verwenden.
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Das
dargestellte und bevorzugte Ausführungsbeispiel zeigt das
bevorzugte Herstellungsverfahren anhand der 2 und 3.
Nach 2 und 3 kann man vorsehen, daß die
Außenlage 1 und die Innenlage 2 mittels
der Klebstofflage 5 als flache Bleche miteinander verklebt
werden, daß der Klebstoff der Klebstofflage 5 unter
Wärmeeinwirkung ausgehärtet wird und daß der
derart gebildete, verklebte, mehrlagige Werkstoff mit Hilfe einer
Biegevorrichtung zu dem Mehrlagenrohr geformt und mittels einer Schweißvorrichtung
längsnahtverschweißt wird. Im allgemeinen Teil
der Beschreibung ist erläutert worden, welche Alternativen
für die Herstellungsweise es gibt und welche Vor- und Nachteile
diese haben.
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Das
in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel deutet
an, daß die Klebstofflage 5 als eigenstabile Folie
aufgebracht wird. Das ist eher ein Sonderfall. Die anderen in Anspruch
25 erläuterten Varianten sind in der Praxis häufiger
anzutreffen.
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Bei
der Darstellung in 3 kann man erkennen, daß das
untere flache, vorzugsweise die Außenlage 1 bildende
Blech quer zur Biegeachse (= Längsachse des fertigen Mehrlagenrohrs)
gegenüber dem oberen flachen, vorzugsweise die Innenlage 2 bildenden
Blech randseitig beidseitig geringfügig übersteht.
Die Biegeachse ist oben beim kreisbogenförmigen Doppelpfeil
mit dem Zeichen ”+” angedeutet und man erkennt
rechts und links an dem flächigen Vorprodukt die schmalen
randseitigen Überstände des unteren, hier die
Außenlage 1 bildenden Bleches. Dadurch hat man
die Endform, die in 1 zu erkennen ist, so daß für
die Auftragsschweißnaht 4 ein ausreichender Freiraum
zur Verfügung steht und das Verschweißen der Außenlage 1 an
der Rohrschweißnaht 3 die Innenlage 2 nicht
negativ beeinflußt. Das längsseitig geringfügige Überstehen
der Außenlage 1 gegenüber der Innenlage 2 muß letztlich
aber nur dann erfolgen, wenn das Zurücksetzen der Innenlage 2 nicht
in einem anschließenden Fräsgang zur Schweißnahtvorbereitung
geschehen kann oder soll.
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Für
die Herstellung des erfindungsgemäßen Mehrlagenrohres
empfiehlt es sich, daß die Außenlage 1 mit
einem üblichen Verfahren zur Rohrschweißung entsprechend
dem verwendeten Werkstoff und die Innenlage 2 mit einem üblichen
Verfahren zur Auftragsschweißung entsprechend dem verwendeten
Werkstoff längsnahtverschweißt wird und daß das
Formen des mehrlagigen Werkstoffes zu dem Mehrlagenrohr mit Hilfe
einer Biegewalzenanordnung oder mit Hilfe einer Biegepresse erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 1712090
A [0007]
- - WO 05/008116 A [0008, 0013, 0033]
- - WO 2006/066814 A [0009]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - ”Specification
for CRA Clad or Lined Steel Pipe” (API Specification 5LD
(SPEC 5LD), First Edition, January 1, 1993, issued by American Petroleum Institute) [0009]