DE102008050581A1

DE102008050581A1 - Verfahren zur Herstellung von Verbindungselementen sowie Verbindungselement

Info

Publication number: DE102008050581A1
Application number: DE102008050581A
Authority: DE
Inventors: Jens Lutzhöft; Jörn GROTHERR; Christian Hoffmann; Heiko Junge
Original assignee: Blohm and Voss Repair GmbH
Current assignee: Forum B+V Oil Tools GmbH
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-04-01
Also published as: US20110293363A1; US8978961B2; EP2342039A1; CA2737731C; CA2737731A1; CN102202828A; WO2010034272A1

Abstract

Das Verfahren dient zur Herstellung von Verbindungselementen. Die Verbindungselemente dienen zur Kopplung von Funktionselementen bei Anwendungen im Bereich der Ölbohrtechnik. Das Verbindungselement weist zwei Endstücke sowie mindestens ein die Endstücke miteinander verbindendes Distanzelement auf. Mindestens ein Distanzelement ist mit mindestens einem der Endstücke durch Pressschweißen verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungselementen zur Kopplung von Funktionselementen bei Anwendungen im Bereich der Ölbohrtechnik, wobei die Verbindungselemente jeweils zwei Endstücke sowie mindestens ein die Endstücke mit einander verbindendes Distanzelement aufweisen.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verbindungselement zur Kopplung von Funktionselementen bei Anwendungen im Bereich der Ölbohrtechnik, wobei das Verbindungselement zwei Endstücke sowie mindestens ein die Endstücke miteinander verbindendes Distanzelement aufweist.
Derartige Verbindungselemente werden insbesondere im Bereich der Erdöltechnik verwendet, um Halterungseinrichtun gen für Bohrrohre oder Förderrohre mit einer Positioniereinrichtung zu koppeln. Die Positioniereinrichtung führt die von der Halteeinrichtung gehalterten Rohrstücke einer Montagepositionierung zu. Verbindungselemente für derartige Anwendungen werden üblicherweise als Elevator-Links bezeichnet. Gemäß einer weiteren Anwendung können derartige Verbindungselemente auch zur Kopplung sogenannter Traveling-Blocks mit Swivels verwendet werden. Bei derartige Anwendungen werden die Verbindungselemten als Swivel-Bails bezeichnet. Gemäß einer dritten Anwendung erfolgt eine Verbindung zwischen dem sogenannten Traveling-Block und einem Top-Drive, der einen Bohrerantrieb bereitstellt. Für diese Anwendungen werden die Verbindungselemente üblicherweise als Tierods bezeichnet.
Die Verbindungselemente sind typischerweise aus Stahl gefertigt, weisen eine Länge von mehreren Metern und ein erhebliches Gewicht auf, häufig ein Gewicht von mehreren Tonnen. Um eine hohe mechanische Belastungsfähigkeit der Verbindungselemente zu gewährleisten, werden diese aus geschmiedeten Stahl hergestellt. Die Größe und das Gewicht der Verbindungselemente führen dazu, daß nur wenige Schmieden dazu in der Lage sind, entsprechende Verbindungselemente zu fertigen. Dies führt zu erheblichen Liefer- und Vorlaufzeiten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart zu gestalten, daß die Herstellung der Verbindungselemente vereinfacht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Distanzelement durch Preßschweißen mit mindestens einem der Endstücke verbunden wird.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbindungselement der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß der Produktionsprozeß vereinfacht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Distanzelement durch Preßschweißen mit mindestens einem der Endstücke verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Verbindungselemente aus Einzelteilen herzustellen und für das Verbindungselement nach einem Zusammenfügen der Einzelteile eine Belastungsfähigkeit zu erreichen, die mindestens einem einteiligen Verbindungselement entspricht. Insbesondere ist es möglich, die einzelnen Bauteile mit Dimensionierungen zu versehen, die eine einfache Einzelteilfertigung unterstützen. Insbesondere ist es hierdurch möglich, kleine Schmiedeeinrichtungen zur Herstellung der Einzelteile zu verwenden und hierdurch die Anzahl potentiell für die Fertigung in Frage kommender Schmieden erheblich zu vergrößern.
Eine hochbelastungsfähige Schweißverbindung wird dadurch erreicht, daß eine Reibschweißung durchgeführt wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante ist auch daran gedacht, daß ein Abbrennstumpfschweißen durchgeführt wird.
Eine robuste Konstruktion wird dadurch unterstützt, daß aus Stahl bestehende Einzelteile miteinander verschweißt werden.
Die Belastungsfähigkeit läßt sich nochmals dadurch erhöhen, daß geschmiedete Einzelteile miteinander verschweißt werden.
Eine besonders hohe Festigkeit wird dadurch erreicht, daß die Einzelteile mehrfach verschmiedet werden, beispielsweise sechsfach.
Eine hohe Flexibilität bei einer Dimensionierungsvorgabe läßt sich dadurch erreichen, daß in Richtung einer Längsachse des Verbindungselementes hintereinander zwei Distanzelemente positioniert werden.
Eine hohe Fertigungsflexibilität wird insbesondere dadurch erreicht, daß mindestens ein Distanzelement aus einem modularen System unterschiedlich langer Distanzelemente entnommen wird.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Verbindungselementes, das aus zwei Einzelstücken sowie einem Distanzelement gefertigt ist,
2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit II in 1,
3 eine gegenüber der Ausführungsform in 1 abgewandelte Ausführungsform mit zwei hintereinander angeordneten Distanzelementen,
4 eine gegenüber der Konstruktion in 3 verkürzte Ausführungsform,
5 eine nochmals verkürzte Ausführungsform,
6 eine vergrößerte teilweise Draufsicht gemäß Blickrichtung VI in 1 und
7 ein Längsschnitt gemäß Schnittlinie VII-VII in 6.
Gemäß der Ausführungsform in 1 besteht das Verbindungselement (1) aus Endstücken (2, 3) sowie einem Distanzelement (4). Die Endstücke (2, 3) und das Distanzelement (4) sind in Richtung einer Längsachse (5) hintereinander angeordnet. Im Bereich der dem Distanzelement (4) zugewandten Endbereiche der Endstücke (2, 3) sind jeweils Verschweißungen (6) angeordnet, die das Distanzelement (4) jeweils mit den Endstücken (2, 3) verbinden. Die Distanzelemente (4) können beispielsweise als stangenartige Bauelemente ausgeführt sein. Ebenfalls ist es aber möglich, die Distanzelemente als Bleche oder als Profilteile auszubilden.
Die Verschweißungen (6) werden typischerweise durch Preßschweißen hergestellt. In Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen an die durchzuführenden Fertigungsvorgänge sowie den Anforderungen an die verschweißten Verbindungselemente (1) können unterschiedliche Schweißverfahren zum Einsatz kommen. Gedacht ist beispielsweise an das Reibschweißen, welches sowohl als Rotationsreibschweißen als auch als Orbitalschweißen durchgeführt werden kann. Beim Rotationsreibschweißen rotieren die miteinander zu verschweißenden Bauelemente bei gleichzeitiger Einwirkung einer Preßkraft relativ zueinander, beim Orbitalschweißen werden hingegen lediglich klein dimensionierte umlaufende Bewegungen mindestens eines der Bauteile relativ zum ande ren Bauteil durchgeführt, um die entsprechende Reibungswärme zu generieren.
Weitere anwendbare Verfahren sind das Abbrennstumpfschweißen, ein Kondensatorentladungsschweißen oder ein Induktionsschweißen.
Generell wird bei der Anwendung aller vorstehend aufgeführten Verfahren angestrebt, das zu verschweißende Material nicht aufzuschmelzen, sondern im Bereich der zu verbindenden Oberflächen lediglich auf eine Temperatur von etwa 100°C bis 150°C unterhalb der Schmelztemperatur zu temperieren. Dies ist ein Temperaturbereich, in dem typischerweise auch ein Schmieden des Materials durchgeführt wird. Ein Zusammenfügen der Bauteile bei dieser Temperatur unter entsprechend hohem Druck vermeidet eine Beeinträchtigung der inneren Materialstruktur, die zu Festigkeitsverlusten und/oder einer zu großen Materialhärte führen könnten.
Die Verschweißungen (6) können wie bereits erwähnt als Reibverschweißungen ausgebildet sein. Beim Reibschweißen der Verbindungselemente (1) wird das verwendete Vormaterial reibgeschweißt bzw. das Distanzelement (4) wird zwischen die vorgefertigten Endstücke (2, 3) geschweißt. Das Schweißverfahren stellt eine stoffschlüssige Verbindung bereit. Bei der Durchführung des Schweißvorganges wird ein Teil des Vormaterials bzw. ein vorgefertigtes Endstück (2, 3) fest eingespannt. Das gegenüberliegende Bauteil wird ausgerichtet und gemäß einer Verfahrensvariante in Rotation versetzt. Eines der zu verschweißenden Bauteile wird mit Druck auf das jeweilige Gegenstück geführt. Durch die Reibung entsteht die für die Reibschweißung notwendige Wärme. Bei einem Erreichen der vorgesehenen Schweißtemperatur werden die zu verbindenden Bauteile mit einem definierten Druck aufeinandergepreßt. Durch die generierte Wärme und die mechanische Bewegung beim Erkalten wird eine sehr hochwertige Schweißung erreicht. Die Festigkeit der Schweißung liegt über der des Grundwerkstoffes.
Gemäß einer anderen bereits erwähnten Ausführungsvariante wird das Distanzelement (4) mit den Endstücken (2, 3) durch ein Abbrennstumpfschweißen verbunden. Bei diesen Verfahren werden die miteinander zu verbindenden Bauteile relativ zueinander ausgerichtet und anschließend wird ein elektrischer Strom durch die Bauteile hindurch generiert. Die Bauteile werden dabei so dicht aneinander gebracht, daß die oberste Materialschicht durch die generierten kurzfristigen hohen Stromdichten verdampft oder geschmolzen weggeschleudert wird. Gegebenenfalls wird dieser Vorgang mehrfach wiederholt. Durch den Stromfluß werden die beiden Bauteile an ihren Enden so stark erwärmt, daß die einander zugewandten Materialbereiche der miteinander zu verbindenden Bauteile eine Temperatur im Bereich der Schmiedetemperatur erreichen. Auch bei dieser Temperierung werden die beiden zu verbindenden Bauteile mit einem definierten Druck gegeneinandergepreßt. Dieses Verfahren ermöglicht eine einfache Positionierung der Bauteile.
2 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit II in 1. Es ist insbesondere zu erkennen, daß ein Anschlußelement (7) des Endstückes (2), das dem Distanzelement (4) zugewandt angeordnet ist, einen etwas größeren Durchmesser quer zur Längsachse (5) aufweist als das Distanzelement (7). Ein Dimensionsübergang wird vorzugsweise im Bereich der Verschweißung (6) mit einem Winkel (8) realisiert, der relativ zur Längsachse (5) gemessen ist.
3 zeigt eine Ausführungsform mit zwei in Richtung der Längsachse (5) hintereinander angeordneten Distanzelementen (4). 4 zeigt eine gegenüber 3 abgewandelte Ausführungsform mit kürzeren Distanzelementen (4) und 5 zeigt eine Ausführungsform bei Verwendung nur eines Distanzelementes (4).
Insbesondere ist daran gedacht, bei allen unterschiedlich langen Ausführungsformen gleiche Endstücke (2, 3) zu verwenden und lediglich die Anzahl und/oder die Länge der Distanzelemente (4) zu variieren, um eine Anpassung an die jeweiligen Anwendungsanforderungen zu erreichen. Relativ zueinander sind die Endstücke (2, 3) typischerweise unterschiedlich ausgebildet.
Grundsätzlich ist ebenfalls daran gedacht, ein modulartiges Sortiment unterschiedlicher Endstücke (2, 3) und unterschiedlicher Distanzelemente (4) zu verwenden und anwendungsspezifisch die jeweils benötigten Bauelemente miteinander zu verbinden oder Sondergrößen bereitzustellen. Es werden hierdurch eine einfache Lagerhalterung, eine einfache Fertigung, kurze Fertigungszeiten und kurze Dispositionszeiten erreicht.
Als Material für das Verbindungselement (1) wird typischerweise Stahl verwendet. Bevorzugt ist dies ein CrNi-Stahl.
Das Material für das Verbindungselement (1) ist vorzugsweise ein geschmiedeter Stahl. Insbesondere ist daran gedacht, einen mehrfachen Verschmiedungsgrad zu realisieren.
6 zeigt eine Draufsicht auf das Verbindungselement (1). Es ist zu erkennen, daß die Endstücke (2, 3) ösenartig ausgebildet sind und ringähnliche Ausnehmungen (9, 10) um schließen. Die Ösen werden durch einen Schmiedevorgang erzeugt.
7 veranschaulicht, daß die Endstücke (2, 3) im Bereich ihrer den Ausnehmungen (9, 10) zugewandten Begrenzungen gerundet bzw. sich gerundet verjüngend konturiert sind. Dies erleichtert ein Einhängen zugeordneter Bauelemente in die Ausnehmungen (19).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist daran gedacht, mindestens eines der miteinander zu verbindenden Bauteile, vorzugsweise jedoch beide Bauteile, in einem Zentralbereich der miteinander zu verbindenden Flächen mit einer Vertiefung zu versehen. Die Vertiefung kann beispielsweise als Bohrung oder Fräsung ausgeführt sein. Die Materialabtragung im Zentralbereich der Fläche vermeidet eine Ausbreitung von Material aus diesem Bereich in die Verschweißung (6). Aufgrund des Fertigungsprozesses der Einzelteile befinden sich in diesen Bereichen häufig Substanzansammlungen, die die Qualität der Verschweißung (6) beeinträchtigen würden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine der beim Schweißvorgang einander zugewandten Flächen der miteinander zu verbindenden Einzelteile nicht exakt plan ausgeführt, sondern weist mindestens eine Erhebung auf. Hierdurch wird ein definierter Startpunkt für die Materialerweichung definiert, da die Reibwärme zunächst in diesen Bereichen entsteht und sich dann von dort über den restlichen Flächenbereich ausbreitet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist daran gedacht, eine Abkühlung nach der Durchführung des Schweißvorganges gesteuert oder geregelt durchzuführen. Nach einem Abschluß des Schweißverfahrens sind in der Regel nur rela tiv kleine Materialbereiche in der unmittelbaren Umgebung der Verschweißung (6) hochtemperiert, entferntere Materialbereiche bleiben jedoch aufgrund der schnellen Durchführung des Schweißvorganges vergleichsweise kalt. Es findet deshalb eine vergleichsweise schnelle Ableitung der Wärme in die kühleren Bereiche und damit eine schnelle Abkühlung der zuvor erhitzten Materialbereiche statt. Entsprechende schnelle Materialabkühlungen führen zu einer lokal harten Materialkonsistenz, die bei vielen Anwendungen unerwünscht ist. Eine derartige unerwünschte schnelle Abkühlung des Materials kann durch eine gezielte Durchführung eines Heizvorganges vermieden werden. Beispielsweise ist es möglich, in einer Umgebung der Schweißstelle eine Induktionsspule anzuordnen und für einen vorgegebenen Zeitraum einen Strom im entsprechenden Bereich des Verbindungselementes (1) zu generieren und hierdurch eine langsame Abkühlung vorzugeben.
Typischerweise wird ein kontinuierlicher Abkühlvorgang für einen bestimmten Zeitraum vorgegeben. Eine Wärmezufuhr kann alternativ beispielsweise auch durch Gasbrenner, Strahlungsenergie oder Induktion zugeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist daran gedacht, die Schweißstelle nach einer erfolgten Abkühlung anzulassen, um die Werkstoffhärte zu vermindern.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Verbindungselementen zur Kopplung von Funktionselementen bei Anwendungen im Bereich der Ölbohrtechnik, wobei die Verbindungselemente jeweils zwei Endstücke sowie mindestens ein die Endstücke miteinander verbindendes Distanzelement aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Distanzelement durch Preßschweißen mit mindestens einem der Endstücke verbunden wird.
Verfahre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reibschweißung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abbrennstumpfschweißen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus Stahl bestehende Einzelteile miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß geschmiedete Einzelteile miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelteile mehrfach verschmiedet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung einer Längsachse (5) des Verbindungselementes (1) hintereinander zwei Distanzelemente (4) positioniert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Distanzelement (4) aus einem modularen System unterschiedlich langer Distanzelemente (4) entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der miteinander zu verbindenden Bauteile vor einer Durchführung des Schweißvorganges in einem Zentralbereich der zu verschweißenden Fläche mit einer Ausnehmung versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Verbindungselementes (1) in einer Umgebung der Schweißstelle (6) nach einer Durchführung des Schweißvorganges durch Wärmezufuhr gesteuert abgekühlt wird.
Verbindungselement zur Kopplung von Funktionselementen bei Anwendungen im Bereich der Ölbohrtechnik, wobei das Verbindungselement zwei Endstücke sowie mindestens ein die Endstücke miteinander verbindendes Distanzelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Distanzelement (4) durch Preßschweißen mit mindestens einem der Endstücke (2, 3) verbunden ist.
Verbindungselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Distanzelementes (4) mit dem Endstück (2, 3) als Reibschweißung ausgebildet ist.
Verbindungselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Distanzelementes (4) mit dem Endstück (2, 3) als Abbrennstumpfschweißung ausgebildet ist.
Verbindungselement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (1) mindestens bereichsweise aus Stahl ausgebildet ist.
Verbindungselement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl geschmiedet ist.
Verbindungselement nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl mehrfach verschmiedet ist.
Verbindungselement nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Distanzelemente (4) in Richtung einer Längsachse (5) hintereinander angeordnet sind.
Verbindungselement nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzelement (4) als ein Element eines modularen Systems unterschiedlich langer Distanzelemente (4) ausgebildet ist.
Verbindungselement nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zentralbereich der Verschweißung (6) in mindestens einem der miteinander verbundenen Bauelemente eine Vertiefung angeordnet ist, die mindestens bereichsweise von der Verschweißung (6) aufgefüllt ist.