DE102009030152B4

DE102009030152B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Prozessüberwachung und Prozessregelung beim Expandieren von UOE-Rohren aus Stahl

Info

Publication number: DE102009030152B4
Application number: DE200910030152
Authority: DE
Inventors: Dr. Müller Lars; Dr. Groß-Weege Johannes; Ludwig Oesterlein; Siegmar Wulf
Original assignee: Europipe GmbH
Current assignee: Europipe GmbH
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2011-12-22
Anticipated expiration: 2029-06-20
Also published as: JP5773996B2; RU2012101785A; RU2541201C2; EP2442925A1; WO2010145630A1; DE102009030152A1; JP2012529992A; EP2442925B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem in ein Rohr (1) einführbaren Expanderwerkzeug bestehend aus einem an einer Zugstange (11) angeordneten Werkzeugkopf (10) mit in radialer Richtung aufspreitzbaren Segmenten (9) und einer daran angeordneten und dem jeweiligen zu kalibrierenden Rohrdurchmesser in der radialen Lage anpassbaren Kopfrolle (2) zur Abstützung des Expanderwerkzeugs auf dem Rohr (1) und einer das zu kalibrierende Rohr (1) abstützenden Unterstützungsrolle (12). Dabei ist vorgesehen, dass die Kopfrolle (2) mit einer Messeinrichtung (8) zur Aufnahme der während des Expandierens auf die Kopfrolle (2) einwirkenden Stützkraft versehen ist. Ferner ist eine Auswerte- und Überwachungseinheit der Messwerte und eine die Abweichung von vorgegeben Toleranzschwellen anzeigenden Signaleinheit vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessüberwachung und Prozessregelung beim Expandieren von UOE-gefertigten Rohren aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Das in der Fachwelt mit UOE bezeichnete Verfahren ist das am häufigsten angewandte Verfahren zur Herstellung längsnahtgeschweißter Großrohre (Stahlrohr Handbuch, 12. Auflage, Vulkan Verlag Essen, 1995, Seiten 139–143). Bei diesem Verfahren werden im ersten Schritt die Kanten eines ebenen Bleches angebogen. Die nachfolgende Presse formt das Blech mit einem runden Pressstempel in eine U-Form (U-Presse), welches anschließend auf der O-Presse mit zwei sich schließenden Gesenken zu einem runden Schlitzrohr gepresst wird. Da in vielen Fällen die Rohre nach dem Innen- und Außenschweißen noch nicht die Anforderungen an Durchmesser, Rundheit und Geradheit erfüllen, werden sie durch Kaltaufweiten (Expandieren) kalibriert. Derartige Rohre werden dann zu Pipelines verschweißt und beispielsweise für den Öl- oder Gastransport eingesetzt.
Wegen der ständig steigenden Anforderungen an die Kollapsfestigkeit, insbesondere von mit sehr hohem Außendruck beaufschlagten offshoreverlegten Rohrleitungen, müssen die Rohre bezüglich der Rundheitstoleranzen immer größeren Anforderungen genügen.
Eine Vorrichtung zum Kalibrieren von Stahlrohren ist z. B. aus der DE 26 32 672 A1 bekannt. Diese Vorrichtung besteht aus einem Expander mit einem in das Rohr einführbaren Werkzeugkopf, der aus einem auf einer Zugstange angeordneten keilförmigen Vielkant (Keil) und mehreren auf den Umfang desselben verteilten Segmenten zusammengesetzt ist. Die Zugstange ist an der dem Werkzeugkopf abgewandten Seite mit einer Gabellagerung gehalten. Zum Expandieren werden über den Keil die Segmente radial auseinander gefahren und der Rohrabschnitt damit aufgeweitet und kalibriert. Über ein schrittweises Aufweiten wird dann das Rohr über seine gesamte Länge kalibriert.
Im unteren Bereich des Expanderkopfes an der Kopfaufnahme befindet sich die sogenannte Kopfrolle, die den Expanderkopf beim Expandieren trägt und somit werkzeugseitig gegen das Rohr abstützt. Das Rohr selbst stützt sich während des Expandierens auf einer Unterstützungsrolle ab, die im unmittelbaren Einwirkbereich der Kopfrolle angeordnet ist.
Zum Kalibrieren unterschiedlicher Rohrdurchmesser ist die Kopfrolle vor dem Expandieren in ihrer radialen Lage, d. h. in ihrem Höhenabstand zur Expanderachse, veränderbar. Um eine optimale Rohrgeometrie in Bezug auf Rundheit und Geradheit des Rohres nach dem Expandieren zu erreichen, wird im Fall eines vollständig runden und geraden Ausgangsrohres die radiale Lage der Kopfrolle so eingestellt, dass die Expanderachse mit der Rohrachse zusammenfällt und der Abstand der Kopfrolle dem kalibrierten Rohrinnendurchmesser entspricht. Ein Abweichen von dieser Einstellung beeinflusst die gesamte Geometrie des Rohres beim Expandieren und verändert somit die Rundheit und Geradheit des Fertigrohres.
In der Praxis besitzen die Rohre vor dem Expandieren oftmals eine Geometrie, die von der idealen Rundheit und/oder Geradheit abweicht. Die Kopfrolle kann auch dazu genutzt werden, durch entsprechende Einstellung solchen Abweichungen entgegen zu wirken, um optimale Ergebnisse mit dem Kalibrieren zu erzielen. Diese Vorgehensweise ist bekannt und wird auch genutzt, um die Position der Kopfrolle in ihrer Höhenlage zu Beginn der Fertigung optimal einzustellen.
Durch den Einfluss verschiedenster Faktoren vor dem Expandieren und aufgrund vorhandener Unregelmäßigkeiten in den Materialeigenschaften schwanken die geometrischen Eigenschaften der Rohre während der Fertigung. Bei immer enger werdenden Toleranzen kann es vorkommen, dass unter ungünstigen Bedingungen kalibrierte Rohre außerhalb der Toleranz liegen. In diesen Fällen müssen die Rohre in aufwändiger Nacharbeit, z. B. mittels hydraulischer Presszylinder, nachkalibriert werden.
Aus der DE 103 54 554 B4 ist eine Vorrichtung zum Richten eines Rohres bekannt, die einen radial aufweitbaren Expanderkopf beschreibt, sowie mindestens einen Richtsattel, der entlang der Längsachse des Rohres positioniert werden kann und der auf einen Teil der Wandung des Rohres eine radiale Kraft ausübt. Zur Verbesserung des Richtens des Rohres ist der mindestens eine Richtsattel im zeitgleichen Zusammenwirken mit dem Expanderkopf als Rohrjustiervorrichtung ausgebildet. Dabei wirkt der Richtsattel auf die innere Oberfläche des Rohres.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prozessüberwachung des Expandierens von UOE-gefertigten Rohren anzugeben, mit dem Änderungen in der Rohrausgangsgeometrie während der Fertigung, beim Expandieren registriert werden.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine entsprechende Prozessregelung während des Expandierens anzugeben, welche auf die registrierten Änderungen in der Rohrgeometrie reagieren kann.
Erfindungsgemäß wird die Hauptaufgabe dadurch gelöst, dass während des Expandierens die auf die Kopfrolle einwirkende Stützkraft gemessen, in Bezug zu einer vorgegebenen Soll-Stützkraft ausgewertet wird und bei Abweichungen von vorgegebenen Toleranzwerten eine Anzeige erfolgt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es erstmals möglich, den Expansionsprozess direkt zu überwachen und so das Erreichen einer optimalen Rohrgeometrie innerhalb der gestellten Geometrieanforderungen sicher zu stellen.
Bei Versuchen wurde erkannt, dass beim Kalibrieren die radiale Position der Kopfrolle relativ zur Expanderachse zum Erzielen einer möglichst idealen Rundheit und Geradheit beim Kalibrieren von entscheidender Bedeutung ist, insbesondere wenn die Vorrohre schon deutliche Abweichungen von der geforderten Rohrgeometrie aufweisen.
Des Weiteren wurde bei Versuchen festgestellt, dass schon geringe Änderungen in der radialen Position der Kopfrolle deutliche Auswirkungen auf die Rundheit und Geradheit des expandierten Rohres haben.
Insbesondere hat sich bei Versuchen herausgestellt, dass die an der Kopfrolle gemessenen Kräfte deutlich mit der zu kalibrierenden Rohrgeometrie korrelieren. Das bedeutet, dass Abweichungen der Vorrohrgeometrie mit entsprechenden Abweichungen im Soll-Kraftverlauf der Kopfrolle korrelieren.
Im Ruhezustand, d. h. nur mit einem in das Rohr eingeführten Expanderkopf, wird die Kopfrolle mit dem Eigengewicht des Expanderwerkzeugs beaufschlagt, welches den Sollkraftwert für die Stützkraft bildet.
Durch den Expansionsvorgang wird dieser Soll-Kraftwert in Abhängigkeit von der Position der Kopfrolle und der aktuellen Rohrgeometrie beeinflusst.
Bei zu expandierenden Rohren, die vorher deutliche Rundheitsabweichungen aufwiesen, wurden im Rahmen der Versuche beim Expandieren deutliche Abweichungen vom Soll-Kraftverlauf ermittelt. Je nach Qualität wurden Kraftüber- oder Kraftunterschreitungen ermittelt. Ein Nachmessen der expandierten Rohre ergab dann eine entsprechende Abweichung in der geforderten Rohrgeometrie.
Bei der Prozessüberwachung wird deshalb erfindungsgemäß während des Expandierens die auf die Kopfrolle des Expanders einwirkende Stützkraft gemessen, mit den vorgegebenen Toleranzwerten der Soll-Stützkraft verglichen und aus der Große der Abweichungen eine gut/schlecht-Aussage für die Einhaltung der Geometrieanforderungen abgeleitet.
Durch eine der gemessenen Kraftabweichung entsprechende Nachstellung der radialen Position der Kopfrolle kann dann die kalibrierte Geometrie für das nächste Rohr gezielt beeinflusst werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es jedoch auch möglich, die gemessene Abweichung als Regelgröße für die Nachstellung der Kopfrolle zu verwenden, um so schon während des Expandierens Einfluss auf die Rohrgeometrie nehmen zu können.
Bei Versuchen wurde des Weiteren erkannt, dass neben der Position der Kopfrolle auch die Position der Unterstützungsrolle Auswirkungen auf die Geometrie des expandierten Rohres hat.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zur Erfüllung der Geometrieanforderungen deshalb zusätzlich die Unterstützungsrolle in ihrer radialen Position zur Rohrachse nachgeführt. Durch eine geeignete Abstimmung der jeweiligen Positionen von Kopfrolle und Unterstützungsrolle kann dann vorteilhaft sowohl die Rundheit wie auch auf die Geradheit des Rohres im Sinne einer Optimierung der Rohrgeometrie beim Expandieren beeinflusst werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele.
Es zeigen:
1 im Längsschnitt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Expandieren eines Rohres,
2 wie 1 jedoch in einer Querschnittsansicht.
1 zeigt im Längsschnitt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Messanordnung zum Messen der auf die Kopfrolle eines Expanderwerkzeugs beim Expandieren eines Rohres einwirkenden Kräfte.
In das zu expandierende Rohr 1 ist ein Expanderwerkzeug eingeführt, das aus einem Werkzeugkopf 10 mit radial aufspreizbaren Segmenten 9 besteht. Der Werkzeugkopf 10 ist an einer Zugstange 11 angeordnet, die über den zwischen Zugstange 11 und den Segmenten 9 liegenden Keil 14 durch eine axiale Bewegung die Segmente 9 radial spreizt und damit das Rohr expandiert. Die Expander- bzw. Rohrachse ist mit 3 bezeichnet.
Der Werkzeugkopf 10 weist eine Kopfrolle 2 auf, mit der sich der Werkzeugkopf 10 während des Expandierens auf dem Rohr 1 abstützt. Das Rohr 1 stützt sich beim Expandieren auf einer in einer Lagerung 13 angeordneten Unterstützungsrolle 12 ab.

Entsprechend 2 ist die Kopfrolle 2 in einer Lagereinheit 4 gelagert, die aus einer Rollenaufnahme 7 und aus einem verstellbaren Lager 6 besteht. Die Rollenaufnahme 7 ist erfindungsgemäß mit einer Messeinrichtung 8 versehen, mit der die während des Expandierens auf die Kopfrolle einwirkende Kraft gemessen werden kann. Als Beispiel einer Höhenverstellung der Kopfrolle 2 ist das Lager 6 als Keillager ausgeführt und mit einem aus einem Hydraulikzylinder bestehenden Verstellmechanismus 5 versehen, mit dem über eine Verschiebung des Keillagers die radiale Position der Kopfrolle 2 eingestellt werden kann. Bezugszeichenliste

Nr.	Bezeichnung
1	Rohr
2	Kopfrolle
3	Expander- bzw. Rohrachse
4	Lagereinheit
5	Verstellmechanismus
6	Lager
7	Aufnahme Kopfrolle
8	Messeinrichtung
9	Segmente
10	Werkzeugkopf
11	Zugstange
12	Unterstützungsrolle
13	Lagerung Unterstützungsrolle
14	Expanderkeil

Claims

Verfahren zur Prozessüberwachung beim Expandieren eines nach dem UOE-Verfahren hergestellten Rohres aus Stahl mittels eines in das Rohr (1) einführbaren Expanderwerkzeugs, bestehend aus einem an einer Zugstange (11) angeordneten in radialer Richtung aufspreizbaren Werkzeugkopf (10) mit dem das Rohr radial aufgeweitet wird, wobei während des Kalibrierens sich der Werkzeugkopf (10) mit einer daran angeordneten und dem jeweiligen zu kalibrierenden Rohrdurchmesser in der radialen Lage anpassbaren Kopfrolle (2) gegen das Rohr und dieses sich auf einer Unterstützungsrolle (12) abstützt, wobei die Kopfrolle (2) durch den Expandiervorgang mit einer Stützkraft beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die während des Expandierens auf die Kopfrolle (2) einwirkende Stützkraft gemessen, in Bezug zu einer vorgegebenen Soll-Stützkraft ausgewertet wird und bei Abweichungen von vorgegebenen Toleranzwerten eine Anzeige erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der ermittelten Abweichungen von den vorgegebenen Toleranzwerten die radiale Position der Kopfrolle (2) verändert und dadurch die Rohrgeometrie beim Expandieren beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der ermittelten Abweichungen von den vorgegebenen Toleranzwerten die radiale Position der Kopfrolle (2) mindestens für das nächste zu expandierende Rohr nachgeregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Kopfrolle (2) bereits während des Expandierens bei Feststellung von Abweichungen direkt nachgeregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfüllung der Geometrieanforderungen zusätzlich die Unterstützungsrolle (12) in ihrer radialen Position zur Rohrachse nachgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsrolle (12) zur Erfüllung der Geometrieanforderungen mit der Kopfrolle (2) gekoppelt nachgeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–6 mit einem in ein Rohr (1) einführbaren Expanderwerkzeug, bestehend aus einem an einer Zugstange (11) angeordneten Werkzeugkopf (10) mit in radialer Richtung aufspreitzbaren Segmenten (9) und einer daran angeordneten und dem jeweiligen zu kalibrierenden Rohrdurchmesser in der radialen Lage anpassbaren Kopfrolle (2) zur Abstützung des Expanderwerkzeugs auf dem Rohr (1) und einer das zu kalibrierende Rohr (1) abstützenden Unterstützungsrolle (12) dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfrolle (2) mit einer Messeinrichtung (8) zur Aufnahme der während des Expandierens auf die Kopfrolle (2) einwirkenden Stützkraft versehen ist, sowie einer Auswerte- und Überwachungseinheit der Messwerte und einer die Abweichung von vorgegeben Toleranzschwellen anzeigenden Signaleinheit.
Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfrolle (2) in einer Lagereinheit (4) gelagert ist, die aus einer Rollenaufnahme (7) und aus einem höheneinstellbaren Lager (6) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass das höheneinstellbare Lager (6) ein Keillager ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Höheneinstellung über einen Verstellmechanismus (5) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus (5) ein manueller, elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Antrieb ist.