DE102008028711B4

DE102008028711B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Exzentrizität eines warmgefertigten, nahtlosen Rohres bei der Herstellung

Info

Publication number: DE102008028711B4
Application number: DE102008028711A
Authority: DE
Inventors: Till Schmitte; Rolf Kümmerling; Lars MÜLLER
Original assignee: V&M Deutschland GmbH
Current assignee: Vallourec Deutschland GmbH
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: AR068870A1; DE102008028711A1; WO2009049589A1

Abstract

Verfahren zur Messung der Exzentrizität eines warmgefertigten nahtlosen Rohres aus Stahl bei der Herstellung, bei dem das Rohr als Hohlblockrohr aus einem massiven Block oder aus einem bereits erzeugten Hohlblockrohr hergestellt wird, wobei der massive Block oder das Hohlblockrohr oberhalb der Curie-Temperatur erwärmt und unter Verwendung eines Innenwerkzeuges gewalzt wird und das Innenwerkzeug während des Walzens eine Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur aufweist, und der Block bzw. das Hohlblockrohr durch das Walzwerk bzw. über das axial feststehende Innenwerkzeug transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach Austritt aus dem Walzwerk Magnetfelder über Wirbelstromanregung sowohl in das Rohr wie auch in das Innenwerkzeug induziert werden, wobei die bei der temperaturabhängig unterschiedlichen magnetischen Permeabilität des erwärmten Rohres und des Innenwerkzeuges auftretenden Wirbelstromsignale erfasst, ausgewertet und daraus kontinuierlich die Exzentrizität des Innenwerkzeugs relativ zum Rohr ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Exzentrizität eines warmgefertigten nahtlosen Rohres bei der Herstellung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten Patentanspruchs 4.
Im Rahmen der Überwachung des Fertigungsprozesses bei der Herstellung von warmgefertigten nahtlosen Rohren aus Stahl sollen möglichst frühzeitig u. a. Aussagen über den Prozesszustand bzw. die Stabilität des Walzprozesses gewonnen werden, weil die Eigenschaften des Endproduktes, d. h. des Fertigrohres, maßgeblich hiervon beeinflusst werden.
Ein entscheidender Qualitätsparameter ist neben den mechanisch technologischen Materialeigenschaften die Rohrwanddicke, die im Produktionsprozess in verschiedenen Fertigungsstufen am Rohr gemessen und überwacht wird.
Außerdem soll das Rohr nach dem Walzen eine ideale Form haben, d. h. die zylindrische Kontur des Außenumfangs und die des Innenumfangs sollen zwei konzentrische Kreise bilden.
Für die Ermittlung von Exzentrizitäten der Kontur des Außenumfangs in Relation zur Kontur des Innenumfangs, werden in einem möglichst frühen Produktionsstadium Wanddickenmessungen beispielsweise im Auslauf eines Schrägwalzwerkes an Hohlblockrohren durchgeführt.
Das frühzeitige Erkennen von Wanddickenüber- oder Wanddickenunterschreitungen ist von großem Vorteil, da Abweichungen, insbesondere die Exzentrizität, in den nachfolgenden Fertigungsschritten minimiert aber nicht vollständig kompensiert werden können.
Verschiedene Verfahren zur Herstellung von Rohren werden beispielsweise im Stahlrohr Handbuch, 12. Auflage 1995, S. 95 ff, Vulkan-Verlag Essen, beschrieben.
Hohlblockrohre werden durch ein Verfahren hergestellt, bei dem zylindrisch geformtes und in einem Drehherdofen erwärmtes Ausgangsmaterial, ein so genannter Block, in einem Schrägwalzwerk unter Einsatz eines axial feststehenden aus Lochdorn und Dornstange bestehenden Innenwerkzeuges zu einem rohrförmigen Hohlblock umgeformt wird.
Zur Umformung zu einem nahtlosen Hohlblockrohr wird der Block nach dem Erfassen vom Schrägwalzwerk schraubenlinienförmig durch das Schrägwalzwerk und damit über das axial feststehende Innenwerkzeug transportiert.
Exzentrizitäten des Rohres können dabei während des Walzens des Hohlblockes durch exzentrische Verlagerungen des Innenwerkzeugs aufgrund von Materialinhomogenitäten oder ungleichmäßigen Temperaturverteilungen im Walzblock entstehen.
Ähnliche Probleme ergeben sich beim anschließenden Auswalzen z. B. in einem Stopfen- oder Rohrkontiwalzwerk zu einem Vorrohr, bei dem mittels eines Innenwerkzeugs der Rohrdurchmesser und die Wanddicke auf die erforderlichen Maße gewalzt werden.
Beim anschließenden Streck-, Streckreduzier- oder Maßwalzen zu einem Fertigrohr durchläuft das Vorrohr ein oder mehrere Walzgerüste, die in Förderrichtung des Rohres hintereinander angeordnet sind. In jedem Walzgerüst sind Walzen gelagert, die das Vorrohr beim Walzvorgang jeweils um einen definierten Umfangsabschnitt kontaktieren. Das Vorrohr wird so zu einem Fertigrohr mit definierten Nennabmessungen gewalzt und dabei auf die geforderte Geometrie gebracht.
Allgemein ist zur zerstörungsfreien Ermittlung der Wanddicke an Rohren das Ultraschall-Messverfahren bekannt.
Bei diesem Verfahren werden nach dem Puls-Echoverfahren ausgehend von der einen Seite der Rohrwand Ultraschallimpulse in der Wand angeregt und die von der gegenüberliegenden Rohrwand reflektierten Signale wieder empfangen. Aus der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Impulses und der Empfangszeit und aus der Schallgeschwindigkeit im zu prüfenden Material lässt sich die Dicke der Rohrwand berechnen.
Um während des Fertigungsprozess zu einem möglichst frühen Zeitpunkt Aussagen über die Rohrwanddicke zu erhalten, sind Messverfahren entwickelt worden, die im Auslauf des Schrägwalzwerkes über die Messung der Wanddicke am noch heißen Hohlblockrohr die Exzentrizität ermitteln.
Ein Verfahren zur Messung der Exzentrizität eines warmgefertigten nahtlosen Rohres aus Stahl bei der Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens werden in der DE 102 44 554 A1 beschrieben. Bei diesem auf Laser-Ultraschall basierenden Verfahren wird mittels eines Anregungslasers ein Ultraschallimpuls punktuell in die Oberfläche des Rohres eingeleitet und das reflektierte Ultraschallsignal an der Oberfläche des Rohres mittels eines Beleuchtungslasers und eines Interferometers erfasst und in einer nachfolgenden Auswerteeinheit ausgewertet. Hierbei ist die Messeinheit stationär angeordnet und das Rohr bewegt sich unter der Messeinheit in Längs- und Umfangsrichtung, wobei die Oberfläche des Rohres schraubenlinienförmig punktuell abgetastet wird.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es zeit- und kostenaufwändig im Aufbau, der Handhabung und Wartung ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass nur eine punktuelle Erfassung der Rohrwanddicke erfolgt und eine fundierte Beurteilung der aktuellen Prozessstabilität nur eingeschränkt möglich ist, denn dazu wäre eine nahezu flächendeckende Erfassung der gesamten Rohrwand notwendig.
Ein grundsätzlicher Nachteil der Ermittlung von Exzentrizitäten über Wanddickenmessungen mit dem bekannten Verfahren ist darin zu sehen, dass die Wanddickenmessungen nur eine indirekte Auskunft über die aktuelle Positionierung des Innenwerkzeugs im Hohlblockrohr liefert. Für eine optimierte Prozesssteuerung ist es jedoch wichtig, die aktuelle Positionierung des Innenwerkzeugs zu kennen, um bei Abweichungen von der Solllage zeitnah reagieren zu können.
Schließlich ist es aus der DE 1957489 A bekannt, Magnetfelder über Wirbelstromanregung zu Prüfzwecken in ein Stahlrohr zu induzieren. Es werden dann die bei der temperaturabhängig unterschiedlichen magnetischen Permeabilität des erwärmten Rohres auftretenden Wirbelstromsignale erfasst, aus denen dann kontinuierlich die Exzentrizität des Rohres ermittelt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach zu handhabendes und kostengünstiges Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung der Exzentrizität bei der Herstellung warmgefertigter, nahtloser Rohre, insbesondere Hohlblockrohre aus Stahl anzugeben, mit dem die Exzentrizität direkt über die Lage bzw. die Bewegung des Innenwerkzeugs bei der Herstellung der Rohre ermittelt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen im Patentanspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen im Patentanspruch 4 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Der große Vorteil im Vergleich zum bekannten Verfahren liegt darin, dass zur Messung der Exzentrizität nur ein kostengünstig verfügbarer, einfach zu handhabender und wartungsarmer Wirbelstromsensor mit daran angeschlossener Auswerteeinheit benötigt wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die aktuelle Position des Innenwerkzeuges relativ zur Rohrachse und damit die Exzentrizität direkt bestimmt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der physikalische Effekt ausgenutzt, dass ferritische Werkstoffe oberhalb der Curie-Temperatur eine andere magnetische Permeabilität aufweisen als unterhalb.
Beim Warmwalzen von Rohren aus ferritischem Stahl ist das Werkstück deutlich oberhalb der Curie-Temperatur erwärmt, wohingegen die Temperatur des Innenwerkzeugs deutlich unterhalb der Curie-Temperatur bleibt.
Wie umfangreiche Untersuchungen gezeigt haben, lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Anwendung einer Wirbelstromanregung vorteilhaft eine durch Lageveränderungen des Innenwerkzeuges erzeugte Exzentrizität des Rohres beim Warmwalzen mit hoher Auflösung direkt quantitativ ermitteln.
Dazu werden erfindungsgemäß unmittelbar am Austritt aus dem Walzwerk im Werkstück und im darin befindlichen Innenwerkzeug mittels einer Wirbelstromanregung magnetische Felder induziert.
Über die unterschiedliche magnetische Permeabilität des Werkstücks und des Innenwerkzeugs werden die bei auftretenden Lageveränderungen des Innenwerkzeuges aus der Solllage erzeugten Wirbelstromsignale kontinuierlich über die gewalzte Rohrlänge ausgewertet und daraus die Exzentrizität des Rohres über die Rohrlänge ermittelt.
Die Messung über einen Wirbelstromsensor ist dabei von besonderem Vorteil gegenüber der bekannten Messung über einen Laser, da diese im Regelfall unter sehr rauen Bedingungen erfolgt (Hitze, Erschütterungen, Feuchtigkeit). Hier bietet der Einsatz eines vergleichsweise preisgünstigen, robusten und wartungsarmen Wirbelstromsensors erhebliche Vorteile.
Aus thermischen Gründen ist es vorteilhaft, den Wirbelstromsensor mit einer Kühlung, z. B. mit Wasser, zu versehen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des dargestellten Ausführungsbeispiels.
In der einzigen Figur ist schematisch ein Kegelschrägwalzwerk dargestellt, welches einen massiven Stahlblock zu einem Hohlblockrohr umformt.
Das Kegelschrägwalzwerk 1 besteht aus zwei Arbeitswalzen 2, 2', die den massiven Block 3 über ein aus einem Lochdorn 4 und einer Dornstange 5 bestehenden Innenwerkzeug zu einem Hohlblockrohr 6 umformen. In Drehrichtung der Arbeitswalzen 2, 2' wird der Block 3 bzw. das Hohlblockrohr 6 über das axial feststehende Innenwerkzeug schraubenlinienförmig fortbewegt.
Erfindungsgemäß ist unmittelbar hinter dem Austritt aus dem Schrägwalzwerk 1 stationär eine mit einem Wirbelstromsensor versehene Messeinheit 7 angeordnet, wobei der Wirbelstromsensor beabstandet von der Oberfläche des Hohlblockrohrs 6 Magnetfelder sowohl in das Hohlblockrohr 6 wie auch in das Innenwerkzeug induziert. Bei Lageveränderungen des Innenwerkzeugs senkrecht zur Längsachse des Hohlblockrohres 6 werden die daraus resultierenden Wirbelstromsignale über eine hier nicht dargestellte Auswerteeinheit ausgewertet und daraus die Exzentrizität des Hohlblockrohres über die Rohrlänge ermittelt.
Aus der kontinuierlich erfassten Exzentrizität lassen sich vorteilhaft Stellgrößen ableiten, und es kann entweder in den laufenden Walzprozess eingegriffen oder der nachfolgende Walzvorgang entsprechend optimiert werden.
Auch wenn die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hier für ein Schrägwalzwerk beschrieben wird, ist dieses Verfahren in gleicher Weise auch für alle anderen Walzverfahren geeignet, bei denen ein bereits erzeugtes Hohlblockrohr in weiteren Walzschritten auf die Nennabmessungen über ein Innenwerkzeug umgeformt wird.
Wesentlich für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei den verschiedenen Walzverfahren ist lediglich, dass Werkstück und Innenwerkzeug unterschiedliche magnetische Permeablitäten aufweisen, damit die durch Lageveränderungen erzeugten Wirbelstromsignale entsprechend ausgewertet werden können und anhand dieser Ergebnisse die Exzentrizitäten ermittelt werden können. Bezugszeichenliste

Nr. Bezeichnung

1 Kegelschrägwalzwerk

2, 2' Arbeitswalzen

3 Massivblock

4 Lochdorn

5 Dornstange

6 Hohlblockrohr

7 Messeinheit mit Wirbelstromsensor

Claims

Verfahren zur Messung der Exzentrizität eines warmgefertigten nahtlosen Rohres aus Stahl bei der Herstellung, bei dem das Rohr als Hohlblockrohr aus einem massiven Block oder aus einem bereits erzeugten Hohlblockrohr hergestellt wird, wobei der massive Block oder das Hohlblockrohr oberhalb der Curie-Temperatur erwärmt und unter Verwendung eines Innenwerkzeuges gewalzt wird und das Innenwerkzeug während des Walzens eine Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur aufweist, und der Block bzw. das Hohlblockrohr durch das Walzwerk bzw. über das axial feststehende Innenwerkzeug transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach Austritt aus dem Walzwerk Magnetfelder über Wirbelstromanregung sowohl in das Rohr wie auch in das Innenwerkzeug induziert werden, wobei die bei der temperaturabhängig unterschiedlichen magnetischen Permeabilität des erwärmten Rohres und des Innenwerkzeuges auftretenden Wirbelstromsignale erfasst, ausgewertet und daraus kontinuierlich die Exzentrizität des Innenwerkzeugs relativ zum Rohr ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Exzentrizität mit mindestens einem in einem Abstand zur Oberfläche des Rohres angeordneten Wirbelstromsensor erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Exzentrizität mit mehreren in Umfangs- oder Längsrichtung des Rohres verteilten, in einem Abstand zur Oberfläche des Rohres angeordneten Wirbelstromsensoren erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Messeinheit (7) mit mindestens einem Wirbelstromsensor und einer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Wirbelstromsensor unmittelbar hinter dem Austritt des Rohres (6) aus dem Walzwerk in einem Abstand zur Oberfläche des Rohres (6) stationär angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (7) mehrere Wirbelstromsensoren beinhaltet, die über den Umfang des Rohres (6) verteilt stationär angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (7) mehrere Wirbelstromsensoren beinhaltet, die in Längsrichtung des Rohres (6) verteilt stationär angeordnet sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelstromsensor mit einer Kühlung versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung eine Wasserkühlung ist.