DE102009012644A1

DE102009012644A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des Fertigungsprozesses bei der Herstellung von Großrohren aus Stahl mittels UOE-Verfahren

Info

Publication number: DE102009012644A1
Application number: DE102009012644A
Authority: DE
Inventors: Andre Dr. Bergmann; Thomas Dr. Orth; Ludwig Oesterlein
Original assignee: Europipe GmbH
Current assignee: Europipe GmbH
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-09-23
Also published as: WO2010102607A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Fertigungsprozesses bei der Herstellung von Längsnaht-geschweißten Großrohren aus Stahl mittels UOE-Verfahren, bei dem in einem ersten Schritt aus einem ebenen Blech auf einer Presse mit einem offenen Gesenk eine U-Form geformt wird und anschließend auf einer zweiten Presse mit sich schließenden Gesenken die Formung zu einem O-förmigen Schlitzrohr erfolgt und nach dem Innen- und Außenschweißen der Rohre durch eine Kaltaufweitung (Expandieren) eine Kalibrierung der Rohre erfolgt. Dabei wird für mindestens einen der drei umformenden Prozessschritte während der Umformung die Temperaturverteilung im Umformbereich des Bleches bzw. des zu formenden Rohres thermografisch erfasst und das erfasste Wärmebild zu einer Beurteilung des Prozesszustandes verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Fertigungsprozesses bei der Herstellung von Längsnaht-geschweißten Großrohren aus Stahl mittels UOE-Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geht aus Anspruch 8 hervor.
Das in der Fachwelt mit UOE bezeichnete Verfahren ist das am häufigsten angewandte Verfahren zur Herstellung Längsnaht-geschweißter Großrohre (Stahlrohr Handbuch, 12. Auflage, Vulkan Verlag Essen, 1995, Seiten 139–143). Bei diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt aus einem ebenen Blech auf einer Presse mit einem offenen Gesenk (U-Presse) eine U-Form geformt. Anschließend erfolgt auf einer zweiten Presse mit sich schließenden Gesenken (O-Presse) die Rundung zu einem Schlitzrohr. Da in vielen Fällen die Rohre nach dem Innen- und Außenschweißen noch nicht die Anforderungen an Durchmesser und Rundheit erfüllen, werden sie durch Kaltaufweiten (Expandieren) kalibriert.
Im Rahmen der Überwachung des Fertigungsprozesses sollen möglichst frühzeitig Aussagen u. a. über den Prozesszustand bzw. die Stabilität der verschiedenen Prozessschritte gewonnen werden, weil die Eigenschaften des Endproduktes, d. h. des Fertigrohres, maßgeblich hiervon beeinflusst werden.
Auf die Qualität des Fertigproduktes hat sowohl der Expansionsprozess, als auch der U- bzw. O-Form-Prozess wesentlichen Einfluss. Beispielsweise kann beim U-Form-Prozess ein Überbiegen in der 6-Uhr-Position als Folge des Abhebens des Bleches vom U-Form- Werkzeug auftreten. Diese Überbiegung ist nicht erwünscht, da sie die Form nach dem O-Formen negativ beeinflusst.
Weiterhin kann es beim U-Formen durch asymmetrisches Angreifen des Umformwerkzeuges zu ungleichen Schenkellängen der U-Form kommen, welche beim O-Formen zu einem ungleichmäßigen Einformprozess und zu stärkeren Ovalitäten führen. Der nachfolgende Expansionsschritt kann diese Einflüsse nicht vollständig kompensieren. Erst bei der Endkontrolle der Rohre werden im Regelfall die aus den nicht optimalen Prozessparametern des U- und O-Formens resultierenden Ovalitäten erfasst.
Dies ist sehr nachteilig, da wegen des kontinuierlichen Fertigungsprozesses zu diesem Zeitpunkt möglicherweise schon mehrere hundert Rohre mit nicht optimalen Parametern gefertigt wurden, die nun einer zusätzlichen kostenaufwändigen Nacharbeit zugeführt werden müssen.
Aber auch der Expansionsschritt selbst hat einen entscheidenden Einfluss auf die Rundheit und Geradheit der Rohre. Die optimale Einstellung der Prozessparameter ist sehr komplex. Im Sinne eines sicheren Prozesses ist ein für die Expansion optimiertes Ausgangsprodukt anzustreben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach zu handhabendes und kostengünstiges Verfahren zur Überwachung des Fertigungsprozesses von Längsnaht-geschweißten Großrohren aus Stahl mittels UOE-Verfahren anzugeben, mit dem möglichst zeitnahe Aussagen über den Prozesszustand bzw. die Prozessstabiltät des jeweiligen Prozessschrittes getroffen werden können.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, dieses Verfahren dahingehend zu optimieren, dass etwaige die Prozessstabilität des Einformprozesses beeinflussende Ereignisse frühzeitig erkannt werden und so gezielt Korrekturen des Prozesses ermöglicht werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass für mindestens einen der drei umformenden Prozessschritte während der Umformung die Temperaturverteilung im Umformbereich des Bleches bzw. des zu formenden Rohres thermografisch erfasst und das erfasste Wärmebild zu einer Beurteilung des Prozesszustandes verwendet wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das erfasste Wärmebild mit einem Referenzbild für diesen Prozessschritt eines bereits gefertigten Rohres gleicher Stahlgüteklasse und gleicher Nennabmessung des jeweils gleichen Messortes verglichen, wobei eine etwaige an einem bestimmten Messort am Rohr signifikant auftretende Abweichung zum Referenz-Wärmebild des gleichen Messortes zur Beurteilung des Prozesszustandes verwendet wird.
Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass bei der Herstellung von UOE-gefertigten Rohren der gleichen Stahlgüteklasse mit gleichen Nennabmessungen eine direkte Korrelation zwischen dem erfassten Wärmebild und dem aktuellen Prozesszustand vorhanden ist. Damit lässt sich aus dem aktuellen Wärmebild in vorteilhafter Weise quasi in Echtzeit der Umformprozess analysieren und eventuell notwendige Korrekturmaßnahmen können sofort eingeleitet werden. Ein nicht optimal eingeformtes Rohr wird direkt erkannt. Die Prozessparameter können sofort korrigiert werden.
Die Wärmestrahlung wird dabei während der Umformung orts- und zeitaufgelöst thermografisch erfasst und ausgewertet. Bei Überschreitung eines Toleranzbereiches für Temperaturabweichungen wird ein Signal ausgelöst, das vorteilhaft als Steuergröße für den Fertigungsprozess genutzt werden kann.
Erfindungsgemäß findet in einem ersten Schritt eine Online-Überwachung des U-Form-Prozesses statt, bei dem ein etwaiges Überbiegen in der 6-Uhr-Position als Folge des Abhebens des Bleches vom U-Form-Werkzeug detektiert wird. Wie Versuche gezeigt haben, bewirkt eine Überbiegung einen überhöhten Wärmeeintrag im Blech, der sicher online detektiert werden kann.
Zur Untersuchung der Gleichmäßigkeit des Einformprozesses an der O-Presse wird dieser ebenfalls mittels thermografischer Messungen online überwacht, um gezielt und frühzeitig Ursachen für Ovalitäten zu detektieren.
Dabei macht man sich den Umstand zu Nutze, dass es bei der O-Formung zu einer charakteristischen Wärmeverteilung im Schlitzrohr kommt. Die entstehende Temperaturverteilung wird mittels einer Infrarotkamera berührungslos gemessen und über den Umfang des Rohres wird ein Temperaturprofil erstellt. Auch wenn die direkte Beziehung zwischen Temperaturverteilung und Dehnungsverhalten bei der O-Formung unbestimmt ist, erlaubt eine Betrachtung der Links-Rechts-Symmetrie des gemessenen Temperaturprofils dennoch Rückschlüsse auf das Einformverhalten. Im Idealfall sollte die Wärmeentwicklung symmetrisch sein.
Bei Versuchen zeigte sich, dass ein symmetrisches Temperaturprofil mit besseren Ovalitätswerten korreliert. Ein unsymmetrischer Wärmeeintrag beim O-Formen eines „U's” resultiert beispielsweise aus ungleichen Schenkellängen. In solchen Fällen kann durch eine Software-gestützte Auswertung des Temperaturprofils über den Rohrumfang der U-Prozess gezielt verbessert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Expansionsprozess ebenfalls thermografisch überwacht. Die Messergebnisse werden dazu genutzt, die Einstellparameter für eine noch bessere Rundheit/Geradheit zu optimieren.
Mittels thermographischer Messungen kann das Dehnungsverhalten beim Expansionsprozess überprüft werden. Dazu werden in einem ersten Schritt 3D-Messungen zur berührungslosen Dehnungsmessung durchgeführt und diese mit zeitgleich aufgenommenen und mit einer hohen Genauigkeit behafteten thermografischen Messungen korreliert.
Dadurch ist es möglich, das Dehnungsverhalten des Rohres allein durch die Messung der Temperaturverteilung zu bestimmen und Aussagen über die Gleichmäßigkeit des Expansionsprozesses zu gewinnen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Messanordnung beim O-Formen,
2 Messschrieb einer thermografischen Messung mit einer Wärmebildkamera.
1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Messanordnung beim O-Formen einer zuvor auf der U-Presse vorgeformten U-Form.
Das zu einem „U” vorgeformte Rohr 1 wird in einer u. a. aus einem Untergesenk 2 und Obergesenk 3 bestehenden O-Presse zu einem kreisförmigen Schlitzrohr geformt. Hierbei wird das „U-Rohr” so in das Untergesenk 2 eingelegt, dass das Obergesenk 3 die noch geraden Schenkel des „U's” beim Umformvorgang symmetrisch in Pfeilrichtung erfasst und zu einem kreisrunden Querschnitt umformt. Die bei der mechanischen Umformung entstehende Wärmeentwicklung wird erfindungsgemäß mit einer Wärmebildkamera 4 erfasst und in einer Auswerteeinheit 5 ausgewertet. Durch einen Vergleich mit Referenzbildern kann nun der Umformprozess sehr exakt überwacht und falls erforderlich korrigiert werden.
In 2 ist ein Messschrieb einer Wärmebildkamera beim Umformen eines U-Rohres auf einer O-Presse dargestellt.
Die linke Bildhälfte zeigt schematisch das in der O-Presse bereits zu einem kreisrunden Schlitzrohr umgeformte U-Rohr. Das U-Rohr wurde ist so positioniert dass der nach dem O-Formen verbliebene Schlitz des Rohres sich in 12 Uhr Position befindet.
Das während der Umformung aufgezeichnete Wärmebild über den Umfang des Rohres ist in der rechten Bildhälfte dargestellt.
Der Temperaturverlauf über dem Rohrumfang ist zu beiden Seiten der 6 Uhr Position sehr symmetrisch, was auf einen gleichmäßigen Umformprozess hindeutet. Eine unsymmetrische Wärmeverteilung ließe beispielsweise auf ungleiche Schenkellängen schließen und es könnten sofort Korrekturmaßnahmen beim U-Formen eingeleitet werden. Bezugszeichenliste

Nr. Bezeichnung

1 Rohr

2 Untergesenk O-Presse

3 Obergesenk O-Presse

4 Wärmebildkamera

5 Auswerteeinheit
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 Nicht-Patentliteratur

- Stahlrohr Handbuch, 12. Auflage, Vulkan Verlag Essen, 1995, Seiten 139–143 [0002]

Claims

Verfahren zur Überwachung des Fertigungsprozesses bei der Herstellung von Längsnaht-geschweißten Großrohren aus Stahl mittels UOE-Verfahren bei dem in einem ersten Schritt aus einem ebenen Blech auf einer Presse mit einem offenen Gesenk eine U-Form geformt wird und anschließend auf einer zweiten Presse mit sich schließenden Gesenken die Formung zu einem O-förmigen Schlitzrohr erfolgt und nach dem Innen- und Außenschweißen der Rohre durch eine Kaltaufweitung (Expandieren) eine Kalibrierung der Rohre erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens einen der drei umformenden Prozessschritte während der Umformung die Temperaturverteilung im Umformbereich des Bleches bzw. des zu formenden Rohres thermografisch erfasst und das erfasste Wärmebild zu einer Beurteilung des Prozesszustandes verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das erfasste Wärmebild mit einem Referenzbild für diesen Prozessschritt eines bereits gefertigten Rohres gleicher Stahlgüteklasse und gleicher Nennabmessung des jeweils gleichen Messortes verglichen wird, wobei eine etwaige an einem bestimmten Messort am Rohr signifikant auftretende Abweichung zum Referenz-Wärmebild des gleichen Messortes zur Beurteilung des Prozesszustandes verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestrahlung beim U- und O-Formen orts- und zeitaufgelöst thermografisch erfasst und ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestrahlung beim Expandieren orts- und zeitaufgelöst thermografisch erfasst und ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Vielzahl von an Referenz-Wärmebildern gleicher Stahlgüteklasse und Nennabmessungen ermittelten Temperaturverteilungen und diesen zugeordneten Messwerten für die Ovalität ein Toleranzbereich für Temperaturabweichungen festgelegt wird, bei dessen Überschreitung ein Signal ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Zuordnung des Signals zu einem Messort am Rohr der Bezug zu einem die Toleranzgrenze überschreitenden Ereignis im Fertigungsprozess hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils für das gefertigte Rohr ermittelte Zuordnung von Signal und Ereignis mit in einer Datenbank für jede Stahlgüteklasse und Nennabmessung hinterlegten Referenz-Wärmebildern verglichen wird und bei Überschreitung der Toleranzgrenzen für die Temperaturabweichung an einem bestimmten Messort das zur Toleranzgrenzenüberschreitung führende Ereignis angezeigt und als Steuergröße für den Fertigungsprozess verwendet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung und Auswertung der Wärmestrahlung die während der Umformung auf der U-Presse, O-Presse oder dem Expander von der Oberfläche des zu einem Rohr (1) zu verformenden Bleches ausgesandt wird, eine auf die Oberfläche des Bleches bzw. Rohres (1) ortsfest gerichtete Wärmebildkamera (4) verbunden mit einer Auswerteeinheit (5) verwendet wird.