DE102010044463A1

DE102010044463A1 - Herstellung von Bimetallrohren

Info

Publication number: DE102010044463A1
Application number: DE102010044463A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Aws Schafer Technologie GmbH; AWS SCHAEFER TECHNOLOGIE GmbH
Current assignee: Aws Schaefer Technologie De GmbH
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: KR20120046665A; DE102010044463B4; BRPI1104639A2; BRPI1104639B1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Bimetallrohren, gekennzeichnet durch Einschieben eines inneren Rohres in ein äußeres Rohr, wobei das äußere Rohr einen um einen bestimmten Durchmesserzuschlag geringfügig größeren Innendurchmesser aufweist als der des Außendurchmessers des inneren Rohres, und wobei die beiden Rohre an beiden Enden bündig abschließen, Verschließen der beiden Rohrenden, Verbinden mindestens eines der beiden Endabschlüsse mit einem hydraulischen System, mit dem eine Hydraulikflüssigkeit in das Innere des inneren Rohres unter Druck eingeleitet werden kann, Beaufschlagung des Innenrohrs mit einem hydraulischen Druck, der Innenrohr und Außenrohr aufweiten, wobei der Druck und der Durchmesserzuschlag so gewählt werden, dass es gleichzeitig sowohl zu einer plastisch aufweitenden Verformung des Innenrohrs als auch zu einer elastisch aufweitenden Verformung des Außenrohrs kommt, wobei die plastische Aufweitung des Innenrohrdurchmessers größer ist als der Durchmesserzuschlag zuzüglich der elastischen Rückfederung des Außenrohrs, wobei der Zwischenraum, den der Durchmesserzuschlag vor der Druckbeaufschlagung offengelassen hat, evakuiert wird und unter dem aufgebrachten Druck verschwindet, Entspannung der Rohre, so dass das äußere Rohr elastisch auf das innere Rohr zurückfedert, wobei eine kraftschlüssige Schrumpfverbindung entsteht, Entfernen der Hydraulikflüssigkeit, entfernen der beiden Endabschlüsse des hydraulischen Systems, und Öffnen der beiden Rohrenden, sowie Maschine zur Durchführung des Verfahrens und Verwendung der erhaltenen Bimetallrohre.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von ineinander geschobenen Rohren aus unterschiedlichem Material, wobei die ineinandergeschobenen Rohre fest miteinander verbunden werden und eine Einheit bilden. Derartige Rohre werden beispielsweise für Trinkwasserleitungen eingesetzt, wobei ein äußeres Rohr aus einfachem Kohlenstoffstahl bestehen kann und darin ein dünnes Edelstahlrohr eingeschoben ist. Die sich bei derartigen erfindungsgemäßen Verbindungen erhaltenen Bimetallrohre sind vor allem dort vorteilhaft einsetzbar, wo ein innerer Korrosionsschutz bei niedrigen Herstellkosten in Frage kommt.
Vorrichtungen und Verfahren zum Ineinanderschieben von Rohren sowie deren Verbinden sind Stand der Technik. Beispielsweise beschreibt die EP 377 390 B1 ein Verfahren, bei denen Bimetallrohre hergestellt werden, indem die Ausgangsrohre erhitzt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungen bewirkt das Zusammenziehen beim Erkalten eine Schrumpfverbindung. Andere Verfahren verbinden die Rohre durch Hartlöten. Die Erwärmung und die Zusätze sind jedoch nicht bei allen Rohrpaarungen erwünscht.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein wirtschaftliches Verfahren bereitzustellen, bei welchem die Ausgangsrohre weder erwärmt werden müssen, noch bei dem verbindende Zusätze zum Einsatz kommen.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die folgenden Verfahrensschritte:

• Einschieben eines inneren Rohres in ein äußeres Rohr,
• wobei das äußere Rohr einen um einen bestimmten Durchmesserzuschlag geringfügig größeren Innendurchmesser aufweist als der des Außendurchmessers des inneren Rohres, und
• wobei die beiden Rohre an beiden Enden bündig abschließen,
• Verschließen der beiden Rohrenden,
• Verbinden mindestens eines der beiden Endabschlüsse mit einem hydraulischen System, mit dem eine Hydraulikflüssigkeit in das Innere des inneren Rohres unter Druck eingeleitet werden kann,
• Beaufschlagung des Innenrohrs mit einem hydraulischen Druck, der das Innenrohr und das Außenrohr aufweitet,
• wobei der Druck und der Durchmesserzuschlag so gewählt werden, dass es gleichzeitig sowohl zu einer plastisch aufweitenden Verformung des Innenrohrs als auch zu einer elastisch aufweitenden Verformung des Außenrohrs kommt,
• wobei die plastische Aufweitung des Innenrohrdurchmessers größer ist als der Durchmesserzuschlag zuzüglich der elastischen Rückfederung des Außenrohrs,
• wobei der Zwischenraum, den der Durchmesserzuschlag vor der Druckbeaufschlagung offengelassen hat, evakuiert wird und unter dem aufgebrachten Druck verschwindet,
• Entspannung der Rohre, so dass das äußere Rohr elastisch auf das innere Rohr zurückfedert, wobei eine kraftschlüssige Schrumpfverbindung entsteht,
• Entfernen der Hydraulikflüssigkeit, entfernen der beiden Endabschlüsse des hydraulischen Systems, und Öffnen der beiden Rohrenden.

Als Hydraulikflüssigkeit wird bevorzugt Wasser eingesetzt. Weitere Anschlüsse sind für verdrängte Luft vorzusehen.
Bei der Druckbeaufschlagung wird die Kraft auf das äußere Rohr durch das innere Rohr direkt aufgebracht und nicht von der Hydraulikflüssigkeit. Es ist daher einerseits darauf zu achten, dass die Luft zwischen den beiden Rohren während der Druckbeaufschlagung restlos entweichen kann und keine Lufteinschlüsse verbleiben. Sonst würde an solchen Stellen keine bestimmungsgemäße Verformung und somit nicht der gewünschte Kraftschluss erreicht. Andererseits muss darauf geachtet werden, dass keine Hydraulikflüssigkeit aus dem Inneren des Innenrohrs in den Spalt zwischen Innenrohr und Außenrohr gelangen kann. Für die Herstellung derartiger Bimetallrohre sind klassische hydraulische und mechanische Pressen daher ungeeignet.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher auch, eine entsprechende Spezialmaschine bereitzustellen, mit der die einzelnen Verfahrensschritte sicher und wirtschaftlich durchgeführt werden können.
Als Werkzeug wird eine Schließeinheit eingesetzt, wie sie beispielsweise in der EP 1 243 353 B1 beschrieben wird, wobei deren modularer Aufbau hier von großem Vorteil ist. In die dort beschriebene Haltevorrichtung (1, Nummern 16 und 20 der EP 1 243 353 B1 ) wird ein aus zwei Halbschalen zusammengesetztes Werkzeug eingesetzt, welches nach dem drucklosen Zusammenschieben der Haltevorrichtung das Außenrohr spaltfrei umfasst, und welches sich um genau den gewünschten Dehnbetrag radialaxialsymmetrisch mitausdehnen kann, wenn Innendruck aufgegeben wird. Dieses Werkzeug wird seinerseits gefasst von der formstabil ausgeführten Haltevorrichtung, die sehr große Druckkräfte aufnehmen kann, und die das Aufmaß beim Dehnen aufnehmen kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird daher auch mittels einer Vorrichtung gelöst, aufweisend

• eine Schließvorrichtung für gegen aufgehende Kräfte zusammenzupressende Werkzeuge mit zwei gegeneinander verschieblichen Werkzeugträgerplatten mit zwei in die Werkzeugträgerplatten in geschlossener Stellung jeweils seitlich übergreifende Spannbacken, die U-förmig ausgebildet sind,
• wobei die Schenkel bei der Bewegung zur Werkzeugträgerplatte hin und beim seitlichen Übergreifen der Werkzeugträgerplatten auf schräg verlaufende Keile auffahrbar sind, wobei
• dem in der Werkzeugträgerplatte festgespannten Teil des Werkzeuges zwei flexible und dehnbare Halbschalen angeordnet sind,
• die das Außenrohr im geschlossenen Zustand spaltfrei umschließen,
• eine Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung eines Innenrohrs mit Flüssigkeit vorgesehen ist, und
• die Schließkräfte der Schließvorrichtung die aufgehenden Kräfte der Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung des Innenrohrs aufnehmen können.

Die Vorbereitung des Herstellvorgang des Bimetallrohres läuft dann so ab, dass

• in einem ersten Vorbereitungsschritt soviele Module wie der Rohrlänge entsprechend zu einer Schließeinheit gemäß EP 1 243 353 B1 zusammengesetzt werden,
• in einem zweiten Vorbereitungsschritt entsprechende Halbschalen, deren Innendurchmesser genau dem Außendurchmesser des Außenrohres entspricht, in die Haltevorrichtung der Schließeinheit eingesetzt werden,
• in einem dritten Vorbereitungsschritt ein Außenrohr mit eingelegtem Innenrohr in die untere offene Halbschale eingelegt wird,
• und in einem vierten Vorbereitungsschritt die beiden Halbschalen durch Absenken der oberen Haltevorrichtung verschlossen werden.

Danach kann die Fertigung des Bimetallrohres weiter wie oben beschrieben erfolgen. Man kann bei jedem weiteren Herstellungsvorgang eines Bimetallrohrs beim dritten Vorbereitungsschritt starten.
Durch die flexiblen Halbschalen wird erreicht, dass kein Lufteinschluss oder ein Einschluss sonstiger Fremdkörper zu einer ungleichförmigen Dehnung führen kann. Durch die starre Haltevorrichtung lässt sich der Endpunkt der Dehnung genau definieren, was bei Fertigungstoleranzen der Außenrohre von großer Bedeutung sein kann.
Die Herstellung eines Bimetallrohres soll am folgenden Beispiel näher erläutert werden. Der Verbindungseffekt wird durch eine Spannungsüberlagerung erreicht, die Verbindungskräfte werden durch die Bindungsschubfestigkeit gekennzeichnet. Hierbei soll beispielhaft ein Bimetallrohr für Trinkwasserleitungen hergestellt werden. Die Mindest-Bindungsschubfestigkeit soll 20.000 PSI bzw. 137,9 MPa betragen. Ein Beispiel einer Greifkraft-Prüfung ist die Druckeigenspannungs-Testmethode, die wie folgt durchgeführt wird:

• Zwei bis vier bi-axiale Dehnungsmessstreifen werden an der inneren Oberfläche der CRA Beschichtung an einem schmalen Ringschnitt vom beschichteten Rohr angebracht.
• Das CRA-Innenrohr wird aus dem Basis-Rohrmaterial herausgenommen.
• Der Wechsel der Tangentialdehnung und Axialdehnung vor und nach der Herausnahme des CRA-Innenrohrs werden gemessen.
• Die Greifkraft δy wird als Durchschnittswert kalkuliert.
• Die Greifkraft in Umfangsrichtung ist δy

δy = E/(1 – v²)·(Σε_y/η + vΣε_x/η)

δy: = Greifkraft
E: = Elastizitätsmodul
v: = Kontraktionszahl der CRA-Ummantelung
η: = Anzahl der Dehnungsmessstreifen
ε_y: = Dehnung in Umfangsrichtung
ε_x: = Dehnung in Längsrichtung

Die Wahl der Rohrabmessung von der IHU Formgebung wird von der Werkstoffpaarung und -Anordnung bestimmt. In der Regel werden für Trinkwasserleitungen ein ferritisches Außenrohr und eine austenitisches Innenrohr verwendet.
Bei Stahlrohren darf die elastische Dehnung des Außenrohres nur 0,2% des Durchmessers betragen, da sonst die elastische Dehnung in eine plastische Dehnung übergehen würde und der gewünschte Effekt nicht erreicht werden könnte. Daher muss die Dehnung des Außenrohrs durch ein entsprechendes Werkzeug begrenzt werden. Dieses Werkzeug muss sehr präzise gefertigt sein und diese Form auch unter hohem Druck beibehalten, die Werkzeugzuhaltung muss spaltfrei gewährleistet sein.
Bei einem Außenrohrdurchmesser von 50 mm beträgt die Dehnung 0,1 mm, bei einem Außenrohrdurchmesser von 200 mm 0,4 mm. Die örtliche Dehnung darf dabei auf der ganzen Länge des Rohres nicht überschritten werden. Bei Rohrlängen von 6 oder 12 Metern können hierfür Mehrfachwerkzeuge benutzt werden.
Das Innenrohr soll plastifiziert werden und muss somit ungefähr 1 bis 5% im Außendurchmesser kleiner sein als der lichte Außenrohrdurchmesser. Das innere Rohr federt nur ganz gering zurück und es entsteht somit zwischen dem Außen- und Innenrohr eine Kontaktspannung, die auch als Schrumpfspannung bezeichnet wird. Bedingt dadurch entsteht in axialer Rohrrichtung ein Widerstand zwischen beiden Rohren aus dem Produkt aus Schrumpfkraft und Reibwert, was Losreißkraft genannt wird.
Das Außenrohr soll elastisch aufgeweitet werden und somit ist die Werkzeugkontur maximal 0,2% größer als das eingesetzte Rohr. Bei anderen Materialien wählt der Fachmann entsprechend andere Dehnungsgrenzen. Die Werkstoffpaarung der beiden Rohre kann beliebig sein: beide Rohre können aus C-Stahl oder Austenite oder Kombinationen daraus sein, auch andere Metalle und Legierungen können kombiniert werden.
Die erzeugbaren Bimetallrohre sind vielseitig verwendbar:

• Transport von Granulaten, vorteilhaft ist hierbei die Eigenschaft, dass Bimetallrohre lärmmindernd sind.
• Transport von Fluiden wie z. B. Wasser, Gas und Öl.
• Transport von korrosiven Bestandteilen.
• Konstruktionsrohre im Automotivebereich und im Stahlhochbau.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 377390 B1 [0002]
EP 1243353 B1 [0008, 0008, 0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bimetallrohren, gekennzeichnet durch • Einschieben eines inneren Rohres in ein äußeres Rohr, • wobei das äußere Rohr einen um einen bestimmten Durchmesserzuschlag geringfügig größeren Innendurchmesser aufweist als der des Außendurchmessers des inneren Rohres, und • wobei die beiden Rohre an beiden Enden bündig abschließen, • Verschließen der beiden Rohrenden, • Verbinden mindestens eines der beiden Endabschlüsse mit einem hydraulischen System, mit dem eine Hydraulikflüssigkeit in das Innere des inneren Rohres unter Druck eingeleitet werden kann, • Beaufschlagung des Innenrohrs mit einem hydraulischen Druck, der Innenrohr und Außenrohr aufweiten, • wobei der Druck und der Durchmesserzuschlag so gewählt werden, dass es gleichzeitig sowohl zu einer plastisch aufweitenden Verformung des Innenrohrs als auch zu einer elastisch aufweitenden Verformung des Außenrohrs kommt, • wobei die plastische Aufweitung des Innenrohrdurchmessers größer ist als der Durchmesserzuschlag zuzüglich der elastischen Rückfederung des Außenrohrs, • wobei der Zwischenraum, den der Durchmesserzuschlag vor der Druckbeaufschlagung offengelassen hat, evakuiert wird und unter dem aufgebrachten Druck verschwindet, • Entspannung der Rohre, so dass das äußere Rohr elastisch auf das innere Rohr zurückfedert, wobei eine kraftschlüssige Schrumpfverbindung entsteht, • Entfernen der Hydraulikflüssigkeit, entfernen der beiden Endabschlüsse des hydraulischen Systems, und Öffnen der beiden Rohrenden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • in einem ersten Vorbereitungsschritt soviele Module wie der Rohrlänge entsprechend zu einer Schließeinheit gemäß EP 1 243 353 B1 zusammengesetzt werden, • in einem zweiten Vorbereitungsschritt entsprechende Halbschalen, deren Innendurchmesser genau dem Außendurchmesser des Außenrohres entspricht, in die Haltevorrichtung der Schließeinheit eingesetzt werden, • in einem dritten Vorbereitungsschritt ein Außenrohr mit eingelegtem Innenrohr in die untere offene Halbschale eingelegt wird, • und in einem vierten Vorbereitungsschritt die beiden Halbschalen durch Absenken der oberen Haltevorrichtung verschlossen werden.
Verwendung der in einem Verfahren entsprechend den Ansprüchen 1 oder 2 erzeugten Bimetallrohre zum Transport von Granulaten.
Verwendung der in einem Verfahren entsprechend den Ansprüchen 1 oder 2 erzeugten Bimetallrohre zum Transport von Fluiden.
Verwendung der in einem Verfahren entsprechend den Ansprüchen 1 oder 2 erzeugten Bimetallrohre zum Transport von korrosiven Bestandteilen.
Verwendung der in einem Verfahren entsprechend den Ansprüchen 1 oder 2 erzeugten Bimetallrohre als Konstruktionsrohre.
Verwendung der in einem Verfahren entsprechend den Ansprüchen 1 oder 2 erzeugten Bimetallrohre als Trinkwasserleitungen mit einem ferritischen Außenrohr und einem austenitischen Innenrohr.
Vorrichtung zur Herstellung von Bimetallrohren, aufweisend • eine Schließvorrichtung für gegen aufgehende Kräfte zusammenzupressende Werkzeuge mit zwei gegeneinander verschieblichen Werkzeugträgerplatten mit zwei in die Werkzeugträgerplatten in geschlossener Stellung jeweils seitlich übergreifende Spannbacken, die U-förmig ausgebildet sind, • wobei die Schenkel bei der Bewegung zur Werkzeugträgerplatte hin und beim seitlichen Übergreifen der Werkzeugträgerplatten auf schräg verlaufende Keile auffahrbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass • dem in der Werkzeugträgerplatte festgespannten Teil des Werkzeuges zwei flexible und dehnbare Halbschalen angeordnet sind, • die das Außenrohr im geschlossenen Zustand spaltfrei umschließen, • eine Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung eines Innenrohrs mit Flüssigkeit vorgesehen ist, und • die Schließkräfte der Schließvorrichtung die aufgehenden Kräfte der Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung des Innenrohrs aufnehmen können.