DE102012008740A1

DE102012008740A1 - Verfahren zum Aufbringen einer korrosions- und/oder verschleißhemmenden metallischen Beschichtung auf die Innenmantelfläche eines metallischen, rohrförmigen Körpers

Info

Publication number: DE102012008740A1
Application number: DE102012008740A
Authority: DE
Inventors: Dr. Böhm Stefan; Markus Geyer
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2013-11-07
Also published as: WO2013163972A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufbringen einer korrosions- und/oder verschleißhemmenden, metallischen Beschichtung auf die Innenmantelfläche eines metallischen, rohrförmigen Körpers mithilfe eines Bleches aus dem korrosions- und/oder verschleißhemmenden, metallischen Werkstoff, wobei das Blech durch Auftreffen mit einer hohen kinetischen Energie auf die Innenmantelfläche des rohrförmigen Körpers mit dem rohrförmigen Körper verbunden wird, wobei das Blech gewölbt ausgebildet ist und mit der Innenmantelfläche des rohrförmigen Körpers abschnittsweise umlaufend durch Magnetimpulsschweißen verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft sowohl ein Verfahren zum Aufbringen einer korrosions- und/oder verschleißhemmenden, metallischen Beschichtung auf die Innenmantelfläche eines metallischen, rohrförmigen Körpers, mithilfe eines gewölbten Bleches aus dem korrosions- und/oder verschleißhemmenden metallischen Werkstoff, wobei das gewölbte Blech durch Auftreffen mit einer hohen kinetischen Energie auf die Innenmantelfläche des rohrförmigen Körpers mit dem rohrförmigen Körper verbunden wird, als auch eine Schweißvorrichtung zum Verschweißen eines gewölbten Bleches, insbesondere einer Innenhülse an der Innenmantelfläche eines rohrförmigen Körpers.
Zum Transport von korrosiven oder auch abrasiven Medien in einer Rohrleitung werden bereits plattierte Stahlrohre, sogenannte CLAD-Rohre eingesetzt, die innen eine metallische Beschichtung aus einem korrosions- und/oder verschleißhemmenden metallischen Werkstoff, z. B. Edelstahl aufweisen und außen aus Standardstählen bestehen. Der Vorteil der Verwendung solcher CLAD-Rohre besteht darin, dass das Beschichtungsmaterial als „weißes Material” relativ dünn auf die Innenmantelfläche eines aus einem üblichen C-Stahl (schwarzes Material) hergestellten Rohres aufgebracht werden kann. Der tragende Rohranteil kann also aus einem verhältnismäßig günstigeren Werkstoff hergestellt werden, als die Beschichtung. Ein solches plattiertes Material verbindet die Kostenvorteile von herkömmlichem Stahl mit der Leistungsfähigkeit von z. B. Edelstahl in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit und die Verschleißfestigkeit. Derartige CLAD-Rohre dienen beispielsweise als Pipelines auf großen Öl- und Gasfeldern zur Anbindung von Offshore-Plattformen an das Festland oder als Verbindungsrohre im Raffinerie- und Anlagenbau. Derartige Rohre müssen, insbesondere wenn sie nach der Verlegung nicht mehr oder nur sehr schwer zugänglich sind, höchsten Anforderungen an die Qualität entsprechen. Insbesondere muss insofern die dauerhafte Verbindung der inneren Beschichtung an der Innenmantelfläche des äußeren Rohrs gewährleistet sein. Insbesondere müssen weiterhin die Haftkräfte so sein, dass sie in der Lage sind, Krafteinwirkungen standzuhalten, wie sie beim Verlegen solcher Rohrleitungen z. B. auf dem Meeresgrund auftreten.
Insofern ist als bekanntes Verfahren zur Beschichtung der Innenwandung eines Rohres zunächst das sogenannte Pulverauftragsschweißen zu nennen, was allerdings unter anderem deshalb auch sehr aufwendig ist, da es eine mechanische Nachbehandlung der aufgeschweißten, inneren Schicht erforderlich macht. Allerdings ist eine solche Beschichtung hoch korrosionsbeständig, unter anderem auch deshalb, weil rostfreie Stähle und Nickelbasislegierungen zum Einsatz kommen können.
Denkbar in diesem Zusammenhang ist auch die Herstellung von korrosionsbeständigen Beschichtungen auf der Innenmantelfläche eines rohrförmigen Körpers durch Sprengplattieren. Durch Sprengplattieren oder Explosionsschweißen wird das Beschichtungsmaterial auf das zu beschichtende Material mittels eines exotherm reagierenden Sprengstoffes beschleunigt und dadurch gefügt. Die Qualität der Verbindung ist im Wesentlichen abhängig von der Auftreffgeschwindigkeit des beschleunigten Materials auf der Innenmantelfläche des äußeren (schwarzen) Materials.
Sprengplattieren ist als Fertigungsverfahren nicht sonderlich praktikabel, eben weil mit Sprengstoff hantiert werden muss.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht demzufolge darin, ein Verfahren zur Beschichtung der Innenmantelfläche eines rohrförmigen Körpers mit einem Blech bereitzustellen, das reproduzierbar Schweißverbindungen gleicher Qualität und Güte zwischen dem Blech und dem rohrförmigen Körper ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird nach einem Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Blech mit der Innenmantelfläche des rohrförmigen Körpers abschnittsweise umlaufend durch Magnetimpulsschweißen verbunden wird. Die Verbindung erfolgt stoffschlüssig, aber nicht notwendigerweise über die gesamte Fläche. Beim Magnetimpulsschweißen wird die Wirkung einer Druckwelle zur Verschweißung von überlappenden Werkstücken benutzt. Die Druckwelle wird durch impulsartige elektromagnetische Induktion und Kraftwirkung erzeugt. Im Einzelnen wird beim Magnetimpulsschweißen mittels einer Kondensatorentladung ein Hochstromimpuls erzeugt, der in eine stabile Magnetspule geleitet wird. Durch die Spule wird ein starkes Magnetfeld erzeugt. Durch das Magnetfeld wird in das elektrisch leitfähige Blech Strom induziert, der ein Magnetfeld erzeugt, das dem durch die Spule erzeugten Magnetfeld entgegengerichtet ist. Der schlagartige Aufbau zweier entgegengerichteter Magnetfelder sorgt im vorliegenden Fall für die explosionsartige Beschleunigung des Blechs auf den Innenmantel des rohrförmigen Körpers. Die Verbindungsmechanismen sind vergleichbar mit denen des Explosionsschweißens bzw. Sprengplattierens.
Vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So ist insbesondere vorgesehen, dass das Blech als rohrförmige Innenhülse ausgebildet ist, wobei vorteilhaft die rohrförmige Innenhülse einen in Längsrichtung verlaufenden Schlitz aufweist. Durch die Verwendung einer geschlitzten Hülse wird erreicht, dass bei jedem Magnetimpulsschweißvorgang der Abstand des weißen Materials zum schwarzen Material genau so einstellbar ist, dass die Beschleunigungswerte und damit die Auftreffgeschwindigkeit gerade so groß ist, dass es zu einem Fügeprozess kommt. Wäre der Abstand zwischen dem weißen Material und dem schwarzen Material zu groß, dann wäre entsprechend auch die Beschleunigungsstrecke zu groß, mit der Folge, dass auch die Umformarbeit zu groß wird, mithin die Auftreffgeschwindigkeit für einen Fügevorgang zwischen dem weißen und dem schwarzen Material zu gering ist. Das heißt, es wird eine bestimmte kinetische Energie benötigt, um eine Verschweißung des weißen mit dem schwarzen Material zu gewährleisten.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der rohrförmige Körper in Richtung der Längsachse geschlitzt ist. In Verbindung mit der Schlitzung der Innenhülse und dem Übereinanderliegen der Schlitze wird hierdurch erreicht, dass die Führung der Kabel zu der Spule durch die beiden Schlitze erfolgen kann. Die Verschweißung der geschlitzten Innenhülse auf der Innenmantelfläche des rohrförmigen Körpers erfolgt nun derart, dass das hülsenförmige Blech eine Erstreckung in Richtung der Längsachse des Rohres hat, die zumindest kleiner ist, als die Länge der Spule, mit der der Magnetimpuls erzeugt wird. Abschnittsweise umlaufend wird somit nunmehr die Spule auf der Innenseite der geschlitzten Hülse entlang geführt, wobei dann ebenfalls abschnittsweise die Innenhülse nach Art einer Punkt- oder Strichverschweißung mit dem rohrförmigen Körper verbunden wird. Hierbei ist vorteilhaft das Blech aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Der magnetische Druck ist hierbei abhängig von der Leitfähigkeit des Beschichtungsmaterials, also des Bleches. Ist die Leitfähigkeit zu gering, so kommt die Verwendung von sogenannten Treibermaterialien infrage. Unter einem Treibermaterial versteht man ein Material hoher elektrischer Leitfähigkeit, also z. B. Aluminium. Dieses Treibermaterial liegt unmittelbar auf dem weißen Material auf, wobei der durch das Magnetfeld in dem Treibermaterial der Innenhülse induzierte Strom dann für das erforderliche starke Magnetfeld sorgt, das dem Magnetfeld in der Spule entgegengerichtet ist. Dadurch, dass das Treibermaterial unmittelbar auf dem Beschichtungsmaterial aufliegt, werden die beiden Materialien nicht relativ zueinander beschleunigt. Das heißt, das Treibermaterial kann nach dem eigentlichen Beschichtungsvorgang von dem Blech abgezogen werden. Nach der Beschichtung der Innenmantelfläche des rohrförmigen Körpers, der wie bereits ausgeführt, ebenfalls geschlitzt sein kann, mit dem Material der Innenhülse, werden die einzelnen Segmente der Innenhülse miteinander verschweißt. Ebenfalls verschweißt werden das Außenrohr und das Innenrohr im Bereich der jeweiligen Schlitze, wobei darauf zu achten ist, dass eine Vermischung der beiden Materialien nach Möglichkeit vermieden wird.
Die segmentweise Verschweißung von Blechsegmenten oder Innenhülsen kleiner axialer Erstreckung hat den weiteren Vorteil, dass aufgrund der explosionsartigen Beschleunigung des Bleches auf die Innenmantelfläche des rohrförmigen Körpers zu Zunderschichten. Auf den Oberflächen abplatzen und somit eine gleichmäßige intensive Verschweißung gewährleistet ist.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Schweißvorrichtung zum Verschweißen einer Innenhülse an die Innenmantelfläche eines rohrförmigen Körpers wie zuvor beschrieben, wobei sich die Schweißvorrichtung erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass die Spule nach Art eines Schwertes ausgebildet ist. Die nach Art eines Schwertes ausgebildete Spule weist eine Höhe auf, die mit dem Durchmesser des zu beschichtenden rohrförmigen Körpers bzw. dem Durchmesser der Innenhülse korrespondiert. In jedem Fall ist sicherzustellen, dass die Höhe der als Schwert ausgebildeten Spule so gewählt ist, dass der Abstand der Spule zu dem gewölbten Blech, insbesondere der Innenhülse auf den optimalen Wert eingestellt werden kann. Die Spule selbst weist lediglich eine einzige Windung auf, und ist nach Art einer Platte ausgebildet, insbesondere nach Art einer rechteckförmigen Platte. Im Bereich der Platte, insbesondere der rechteckförmigen Platte ist ein L-förmiger Schlitz angeordnet, wobei sich der lange Schenkel des L in der plattenförmigen Spule (Flachspule) parallel zur Längsachse der plattenförmigen, insbesondere rechteckförmigen Spule erstreckt.
Wesentlich bei dem Magnetimpulsschweißen mit der als Schwert ausgebildeten Spule ist, dass das Schwert während des Schweißvorganges starr gehalten wird. Ansonsten würde der Impuls auf das weiße Material möglicherweise zu gering ausfallen, um eine Fügung zwischen den beiden Materialien herbeizuführen.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.
1 zeigt schematisch einen geschlitzten rohrförmigen Körper aus schwarzem Material, wobei sich in dem rohrförmigen Körper eine geschlitzte Hülse aus weißem Material befindet;
1a zeigt einen Ausschnitt aus 1 in vergrößerter Darstellung;
2 zeigt eine Darstellung gemäß 1a, wobei das weiße Material der Innenhülse mit einem Treibermaterial, z. B. Aluminium belegt ist;
3 zeigt die Art der Verbindung zwischen dem rohrförmigen Körper einerseits und der Innenhülse andererseits;
4 zeigt schematisch die als Schwert ausgebildete Spule.
Gemäß den Figuren ist der rohrförmige Körper mit 1 bezeichnet. Der rohrförmige Körper besitzt einen Schlitz 2, wobei in den geschlitzten rohrförmigen Körper 1 eine geschlitzte Innenhülse 10 eingeschoben ist, die aus dem Beschichtungsmaterial entsteht. Die Innenhülse ist als Hülsensegment ausgebildet und weist eine Länge auf, die der Länge der als Schwert ausgebildeten Spule entspricht. Der Schlitz der Innenhülse ist mit 12 bezeichnet. Der rohrförmige Körper kann eine Länge von bis zu 12 m aufweisen. Die Durchmesser solcher CLAD-Rohre können bis zu 500 mm betragen. Auf den Zeichnungen gemäß 1 bzw. den 1a und 2a ist ebenfalls die mit 20 bezeichnete schematisch dargestellte Spule erkennbar. Die Spule befindet sich unmittelbar über dem weißen Material, wobei aufgrund der geschlitzten Innenhülse der Abstand X (1a) zwischen der Innenmantelfläche des rohrförmigen Körpers einerseits und der Außenmantelfläche der geschlitzten Hülse andererseits einstellbar ist. Der Abstand X ist hierbei der Beschleunigungsabstand, der erforderlich ist, damit das Blech der Innenhülse mit der erforderlichen Auftreffgeschwindigkeit auf dem rohrförmigen Körper aus schwarzem Material auftrifft, also schlussendlich die erforderliche kinetische Energie entwickeln kann. Die Verbindung der Innenhülse bzw. auch eines gewölbten Bleches mit dem rohrförmigen Körper erfolgt abschnittsweise an der Innenwandung des rohrförmigen Körpers umlaufend.
Ist die Leitfähigkeit des weißen Materials zu gering, so kommt ein Treibermaterial mit einer besseren elektrischen Leitfähigkeit zum Einsatz. Das bedeutet, dass beispielsweise die Innenhülse oder das gewölbte Blech auf der Innenseite mit einer Aluminiumschicht versehen wird. Diese Aluminiumschicht liegt unmittelbar auf dem weißen Material, das heißt dem Beschichtungsmaterial auf, wobei durch den Formschluss zwischen weißem Material und Treibermaterial die auf das Treibermaterial wirkende Kraft unmittelbar auf das weiße Material übertragen wird. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Treibermaterial einerseits und dem weißen Material andererseits ist nicht zu befürchten, da es zu keiner Relativbewegung zwischen dem weißen Material und dem Treibermaterial kommen kann. Das Treibermaterial, beispielsweise eine Beschichtung aus Aluminium ist mit 15 bezeichnet.
Aus 3 ist in der Abwicklung erkennbar, dass die Verschweißung des weißen Materials mit dem schwarzen Material linien- oder strichförmig erfolgt, wobei die Breite des Striches in etwa der Breite und die Länge des Striches in etwa der Länge der als Schwert ausgebildeten Spule entspricht. Erkennbar ist somit, dass durch das Magnetimpulsschweißverfahren keine vollflächige Anbindung des weißen Materials an dem schwarzen Material vorgenommen wird, sondern ähnlich wie beim Punktschweißen lediglich örtlich die beiden Materialien verbunden sind. Die Abstände zwischen den einzelnen Schweißungen, d. h. die Fügeabstände und auch die Form der Fügung kann durch die Form des Schwertes frei gewählt werden. Sobald das weiße Material umlaufend mit dem schwarzen Material verbunden ist, liegt das Beschichtungsmaterial fest auf der Innenmantelfläche des schwarzen Materiales des Rohres 1 auf. Nachdem die Beschichtung abgeschlossen ist, werden zunächst die einzelnen Hülsensegmente des Innenrohrs untereinander verschweißt. Danach erfolgt die Verschweißung des Schlitzes 12 der Innenseite, um dann den Schlitz 21 des rohrförmigen Körpers, also des Außenrohres, zu verschweißen.
Aus 4 ist die Form der als Schwert ausgebildeten Spule erkennbar. Das Schwert 20 besitzt einen in einer rechteckförmigen Platte aus elektrisch leitfähigem Material, z. B. Kupfer, angeordneten L-förmigen Schlitz 21, wobei der lange Schenkel 21a des Schlitzes parallel zur Längsachse des Schwertes verläuft. Hierbei entsteht eine Spule mit einer Windung. Die Länge des Schwertes kann etwa 1,0 m bis 1,5 m betragen; die Dicke des Schwertes beläuft sich auf max. etwa 10 mm.
Bezugszeichenliste

1: rohrförmiger Körper
2: Schlitz
10: Innenhülse
12: Schlitz
15: Schicht
20: Spule
21: L-förmiger Schlitz
21a: Schenkel

Claims

Verfahren zum Aufbringen einer korrosions- und/oder verschleißhemmenden, metallischen Beschichtung auf die Innenmantelfläche eines metallischen, rohrförmigen Körpers (1) mithilfe eines Bleches (10) aus dem korrosions- und/oder verschleißhemmenden, metallischen Werkstoff, wobei das Blech (10) durch Auftreffen mit einer hohen kinetischen Energie auf die Innenmantelfläche des rohrförmigen Körpers (1) mit dem rohrförmigen Körper verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech (10) gewölbt ausgebildet ist und mit der Innenmantelfläche des rohrförmigen Körpers (1) abschnittsweise umlaufend durch Magnetimpulsschweißen verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech (10) als rohrförmige Innenhülse ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhülse einen in Längsrichtung der Hülse verlaufenden Schlitz (12) aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech (10) elektrisch leitfähig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech (10) eine Schicht (15) aus einem elektrisch leitfähigem Material aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Schicht (15) aus elektrisch leitfähigem Material Aluminium verwendet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper (1) in Richtung der Längsachse einen Schlitz aufweist.
Schweißvorrichtung zum Verschweißen eines gewölbten Bleches, insbesondere einer Innenhülse an der Innenmantelfläche eines rohrförmigen Körpers nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine nach Art eines Schwertes ausgebildete Spule (20).
Schweißvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule eine einseitige Wicklung aufweist.
Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule nach Art einer Platte ausgebildet ist.
Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule nach Art einer rechteckigen Platte ausgebildet ist, die einen L-förmigen Schlitz (21) aufweist.