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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von warmgewalzten nahtlosen Rohren mit verdickten Enden gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Nach der Erfindung der Brüder Mannesmann aus einem erwärmten Block ein dickwandiges nahtloses Hohlblockrohr zu erzeugen, hat es verschiedene Vorschläge gegeben, dieses Hohlblockrohr in gleicher Hitze in einer weiteren Warmarbeitsstufe zu strecken. Stichworte dazu sind zum Beispiel die allgemein bekannten Kontiwalz-, Stoßbank-, Stopfenwalz- und Pilgerschrittverfahren.
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Alle genannten Verfahren haben für verschiedene Abmessungsbereiche und Werkstoffe ihre Vorzüge, wobei es auch Überschneidungen gibt. Für den mittleren Abmessungsbereich von 5'' bis 18'' kommen das Konti- und Stopfenwalzverfahren, für den Abmessungsbereich bis 26'' das Pilgerschrittverfahren zum Einsatz.
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Kennzeichnend für die Herstellung nahtloser Rohre aus einem erwärmten Block durch Warmwalzen sind die drei Schritte Lochen – Strecken – Reduzierwalzen mit einer eventuell sich anschließenden Kalibrierung des Durchmessers der Rohrenden in der Weiterverarbeitung.
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Bei Leitungsrohren, die durch eine Schweißverbindung zu einem Endlosstrang verbunden werden, kommt es darauf an, das Aneinanderschweißen möglichst schnell und ohne Innenversatz der Rohre bewerkstelligen zu können. Eine Methode dies zu erreichen ist eine mechanische Innenbearbeitung des Leitungsrohres auf einen eng tolerierten Innendurchmesser. Damit hierbei die vorgeschriebene Mindestwanddicke nicht unterschritten wird, ist es hilfreich, wenn diese Rohre an den Enden vor der mechanischen Bearbeitung an der Innenseite verdickt sind.
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Ein weiteres Beispiel sind Ölfeldrohre, bei denen die einzelnen Rohre durch eine Verschraubung zu einem Endlosstrang verbunden werden. Die Rohre werden mit einem Integralgewinde versehen und damit ohne zusätzliche Muffe miteinander verschraubt. Die in das Rohr eingebrachten Gewinde schwächen das Rohr, so dass die Verschraubungsstellen weniger Last aufnehmen können als der Rohrkörper. Am Außen- und am Innenumfang verdickte Enden erlauben es, diesen Mangel ganz oder teilweise auszugleichen.
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Bekannt ist, dass solche Rohre deshalb häufig in einem separaten Prozess an ihren Enden durch Warmstauchen verdickt werden.
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Ein solches Verfahren ist zum Beispiel aus der Patentschrift
EP 2 170 540 B1 der Anmelderin zur Herstellung von warmgefertigten nahtlosen Rohren bekannt, mit dem Rohre mit optimierten Ermüdungseigenschaften im verschweißten Zustand erzeugt und automatisiert auf einem Verlegeschiff oder an Land zu Leitungsrohren verschweißt werden.
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Bei diesem bekannten Verfahren wird in einem ersten Schritt am betreffenden Rohrende in einem Bereich eine größere Wanddicke erzeugt als am übrigen Rohrkörper. Die Wandverdickung des betreffenden Rohrendenbereiches wird durch ein Warmstauchen des Rohrendes erzeugt, wobei die beim Stauchen am Außen- und Innenumfang erzeugten Übergänge zum Rohrkörper bezogen auf die Rohrlängsachse versetzt angeordnet sind.
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In einem zweiten Schritt wird in diesem Bereich durch mechanische Bearbeitung der geforderte Rohrquerschnitt hergestellt und der Übergang vom bearbeiteten zum unbearbeiteten Bereich des Rohres absatzfrei mit einem so großen Radius oder mit Radiuskombinationen versehen, dass sich ein fließender und kerbfreier Übergang ergibt und die Fertigkontur im ursprünglich verdickten Endbereich des Rohres einen Außendurchmesser aufweist, der dem Ursprungsdurchmesser des Rohres entspricht.
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Ähnliche Verfahren, bei denen Verdickungen der Rohrenden nach innen und außen durch Warmstauchen und mechanische Bearbeitung erzeugt werden, sind beispielsweise auch aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 059 091 A1 und der Patentschrift
EP 0 756 682 B1 bekannt.
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Weitere Möglichkeiten, Verdickungen walztechnisch zu erzeugen, sind für das Warmpilgern bekannt. Zum einen kann durch ein Auffahren der Walzen der Walzspalt vergrößert und damit eine dickere Wand gepilgert werden. Pilgerwalzen sind so kalibriert, dass der im Glättteil eingeschnittene Kreisbogen seinen Mittelpunkt auf der Walzachse hat und der Radius des Kreisbogens dem Warmdurchmesser des zu Pilgerenden Rohres entspricht. Der Kreisbogen deckt etwa einen Umfang von 150° je Walze ab. Beim Auffahren der Walzen entsteht allerdings ein Hochoval (siehe die weiter unten aufgeführte Erläuterung zu 1), was zu einem Einklemmen des Walzgutes und zu einer im Flankenbereich dünner gepilgerten Wand im Vergleich zur Wand im Walzengrund führt. Aus diesem Grund können mit diesem Verfahren nur Verdickungen von wenigen Millimetern erzielt werden.
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Darüber hinaus ist Warmpilgern für den Hauptabmessungsbereich von Ölfeld- und Leitungsrohren auf Grund der geringen Stückzahlen von etwa 10 Rohren/Laufstunde des Walzwerks unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten kein geeignetes Verfahren.
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In der Offenlegungsschrift
DE 31 29 903 A1 wird zur Erzeugung von Wandverdickungen mittels Kaltpilgern vorgeschlagen, die beiden Pilgerwalzen mit zwei oder sogar drei Kalibern zu versehen, die jeweils für das Pilgern der unterschiedlichen Durchmesser vorgesehen werden. Kaltpilgern stellt einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt dar, der wesentlich mehr Kosten verursacht als zum Beispiel ein separates Warmanstauchen der Rohrenden und stellt somit ebenfalls keine geeignete Alternative zur Herstellung verdickter Rohrenden dar. Zudem ist das Rohr nur nach außen verdickt, und damit ebenfalls für die schweißtechnische Verbindung von Leitungsrohren ungeeignet.
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Aus wirtschaftlichen Gründen werden Ölfeld- und Leitungsrohre deshalb hauptsächlich auf Hochleistungsanlagen, d. h. auf Stangenwalzwerken, gewalzt. Stangenwalzwerke haben die Aufgabe, einen zuvor mittels Schrägwalzen erzeugten heißen Hohlblock auf einer Walzstange zu einem Mutterrohr abzustrecken. Dieses Mutterrohr wird anschließend in einem Maß- oder Streckreduzierwalzwerk auf die gewünschte Endabmessung reduziert.
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Moderne Stangenwalzwerke verfügen im Streckaggregat, dem eigentlichen Stangenwalzwerk, über Hydraulikeinheiten, die über Servoventile die Anstellungen der Walzen steuern, um so sehr schnell Positionsänderungen durchführen zu können. Dies wird heute bereits genutzt, um zum Beispiel Rohrenden mit etwas reduzierter Wanddicke zu erzeugen, die durch den verfahrenstechnisch bedingten verminderten Längszug beim Füllen und Leeren der Walzgerüste des nachgeschalteten Reduzier- bzw.
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Streckreduzierwalzwerks wieder angestaucht werden und so zumindest teilweise für das Gutrohr wieder zur Verfügung stehen und somit den Kopf- und Fußschrott minimieren.
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Bislang ist es allerdings noch nicht gelungen, in Bezug auf die geforderte Nennwanddicke des Rohres gezielt Wandverdickungen über eine bestimmte Länge am Rohrende mittels eines Stangenwalzwerks zu erzeugen, da die beim Pilgern vorhandenen Probleme beim Auffahren der Walzen auch bei Stangenwalzwerken vorhanden sind. Zudem ist es wünschenswert, Wandverdickungen an vorgegebenen Positionen am Rohr beispielsweise bei Doppellängen auf der halben Rohrlänge walztechnisch zu erzeugen, damit auch bei Doppellängen an den Enden beider Rohre Verdickungen zur Verfügung stehen.
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Des Weiteren ist aus der europäischen Patentschrift
EP 1 779 939 B1 bereits ein Walzsteuerungsverfahren eines mehrgerüstigen Stangenwalzwerkes für Rohre bekannt. In üblicher Weise weißt das Stangenwalzwerk ein Fertigwalzgerüst auf. Um bekannten Effekten entgegen zu wirken, die zu gewalzten Rohren mit Endbereichen mit geringerer Wanddicke im Vergleich zu den Zentralbereichen des Rohres führen, werden durch das Walzsteuerungsverfahren die Walzen des Fertiggerüstes und des in Walzrichtung gesehen stromaufwärts davor befindlichen Walzgerüstes mit gleicher walzreduzierender Richtung wie das Fertigwalzgerüst um einen vorbestimmten Betrag aufgefahren.
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Ferner ist aus dem deutschen Patent
DE 11 2013 004 557 T5 ein weiteres Steuerungsverfahren für ein Rohr-Stangenwalzwerk bekannt, in dem die Länge des Walzgutes gemessen und/oder berechnet wird und im Bereich eines vorbestimmten Abstandes zu dem Ende des Walzgutes die Einstellung der Walzgerüste in der Weise angepasst wird, dass die Dicke des Rohrs entlang der Walzachse so konstant wie möglich und auch so gleich wie möglich zu einer gewünschten Dicke ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung von warmgewalzten nahtlosen Rohren mittels eines Stangenwalzwerks anzugeben, mit dem Wandverdickungen am Rohrende oder an einer definierten Position am Rohr mit optimierter Rundheit ohne Nachschaltung eines separaten Stauchprozesses hergestellt werden können.
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In einer weiteren Aufgabe soll das Verfahren so flexibel ausgestaltet sein, dass die Wandverdickungen des Rohres sowohl auf der Innen- wie auch auf der Außenseite des Rohres variabel mittels der zur Herstellung des Fertigrohres notwendigen Umformaggregate hergestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Nach der Lehre der Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung von warmgewalzten nahtlosen Rohren mit an beliebigen Positionen über die Rohrlänge anordenbaren Wandverdickungen bereitgestellt, bei dem mittels eines mehrgerüstigen Stangenwalzwerkes mit mindestens drei Walzgerüsten und mindestens zwei Walzen pro Gerüst die Walzen ein Hohlblockrohr auf einer Walzstange als Innenwerkzeug auf eine geforderten Nennwanddicke walzen und an vorgegebenen Positionen über die Rohrlänge durch Auffahren der Walzen in den Walzgerüsten an der Rohraußenseite eine geforderte Wandverdickung im Vergleich zur Nennwanddicke erzeugen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die verdickte Wand nur mit den zwei Walzgerüsten an den vorgegebenen Positionen erzeugt und fertiggewalzt wird, bei denen die sich beim Auffahren der Walzen durch die Walzenkonturen ergebenden Abweichungen der Fertigkontur der Verdickung von einem idealen Kreisquerschnitt minimal werden, wobei die in Walzrichtung gesehen davor liegenden Walzgerüste für eine erforderliche Wanddickenstufung der Walzgerüste ebenfalls aufgefahren werden und alle nachfolgenden Walzgerüste mindestens soweit aufgefahren werden, dass ein Kontakt der Walzen dieser Walzgerüste mit der vorher erzeugten Verdickung und somit eine nachträgliche Reduzierung der erzeugten Wandverdickung mit Sicherheit vermieden wird.
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Zur Herstellung der Wandverdickung sind durch die über den Umfang versetzte Anordnung der Walzen immer zwei hintereinander liegende Walzgerüste erforderlich, da nur so der komplette Rohrumfang mit den Teilen der Walzenkalibrierung in Berührung kommt, welche die äußere Endgeometrie des Rohres ausbilden sollen.
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Der große Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zur Herstellung von Wandverdickungen zum einen ein leistungsfähiges Stangenwalzaggregat nach dem Kontiwalzverfahren für Ölfeld- und Leitungsrohre zum Einsatz kommt, zum anderen aber auf einen nachträglichen Warmstauchvorgang zur Erzeugung der Wandverdickung am Rohrende verzichtet werden kann. Zudem sind mit diesem Verfahren durch gezieltes Auffahren der Walzen in den Gerüsten auch an beliebigen Positionen über die Rohrlänge Wandverdickungen erzeugbar, so dass zum Beispiel beim Walzen von Doppellängen, also der doppelten Länge der geforderten Fertigrohrlänge, auch Wandverdickungen in Rohrmitte und an den Rohrenden erzeugbar sind. Nach Aufteilung des Rohres im Bereich der mittigen Wandverdickung weisen dann beide Rohre an den Enden die geforderten Wandverdickungen auf. Auf gleiche Art und Weise können die Wandverdickungen an den Rohrenden auch bei Walzungen von Rohren mit Mehrfachlängen hergestellt werden.
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Die Ermittlung der beiden Gerüste, die die Wandverdickung walzen sollen, kann in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung durch einfache Versuchswalzungen geschehen, bei denen zunächst mit der gewählten Walzstange ein Rohr ohne Verdickungen gewalzt wird. In anschließenden Versuchswalzungen werden dann mit gleicher Stange Rohre mit Wandverdickungen gewalzt und für die dazu gewählten Walzparameter (gewählte Walzgerüste für das Walzen der Verdickung, Walzenanstellung und Drehzahl, Zeitabläufe für alle Gerüste) die Abweichungen der Fertigkontur der erzeugten Wandverdickung vom idealen Kreisquerschnitt ermittelt. Die beiden Walzgerüste, die unter Berücksichtigung der späteren Verwendung und der noch anstehenden Umformung in der Endfertigung die geringsten geometrischen Abweichungen erzeugen, werden dann nachfolgend zum Walzen der Verdickungen ausgewählt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Versuchswalzungen durch eine rechnerische Ermittlung und Bewertung der erzeugbaren Querschnittsgeometrien an den Verdickungen je Gerüst ersetzt, so dass die einen möglichst optimal kreisrunden Querschnitt walzenden Gerüste auf einfache und kostengünstige Art vorherbestimmt und so Kosten für die Versuchswalzungen eingespart werden können.
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Hierzu wird eine in den nachfolgenden Beispielen näher beschriebene Bewertungskennziffer BWV,i zur rechnerischen Ermittlung der beiden Gerüste zum Walzen der Walzverdickungen eingeführt, wobei das Walzgerüst mit der betragsmäßig geringsten geometrischen Abweichung von einem idealen Kreisquerschnitt, die an Hand einer für jedes Gerüst i ermittelten Bewertungskennziffer BWV,i ermittelt wird, die als Gerüst zum Fertigwalzen der Wandverdickungen ausgewählt wird und als zweites Gerüst das in Walzrichtung gesehen davor angeordnete Walzgerüst ausgewählt wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für das Walzen der Rohrnennwanddicke am Austritt des Stangenwalzwerks der Stangendurchmesser so gewählt, dass die sich durch die Walzenkonturen ergebenden Abweichungen von einem idealen Kreisquerschnitt mit der Rohrnennwanddicke der beiden letzten Walzgerüste in Kombination mit der Bewertungskennziffer BWV,i für das Walzen der Verdickungen minimal werden und die Festlegung des Stangendurchmessers DSTist über eine ermittelte Bewertungskennziffer BWR für das Walzen der Rohrnennwanddicke erfolgt. Hierbei gilt: Je kleiner die Bewertungskennziffer BWR ist, desto geringer sind die geometrischen Abweichungen der Rohrnennwanddicke vom idealen Kreisring. Ein BWR-Wert von Null steht für den Idealfall.
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Die Kernidee des vorgeschlagenen bislang unüblichen Verfahrens zur Erzeugung von Wandverdickungen bei Stangenwalzwerken besteht darin, dass für jedes Gerüst des Walzwerks die aus Walzengeometrie und Innenwerkzeug resultierenden unterschiedlichen geometrischen Konturen des erzeugten Rohrquerschnitts im Kalibergrund und der Kaliberflanken gezielt ausgewertet werden. Durch die gezielte Nutzung nur der beiden Gerüste zum Fertigwalzen der geforderten Wandverdickung, die die geringsten geometrischen Abweichungen von einem Kreis ergeben, lassen sich jetzt Wandverdickungen walzen, die so bislang auf Stangenwalzwerken nicht realisierbar waren.
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Hierdurch können bislang nicht herstellbare Wandverdickungen am Rohrende oder an vorgegebenen Positionen am Rohr erzeugt und so die bekannten Probleme beim Auffahren der Walzen minimiert und ein Höchstmaß an Rundheit an den verdickten Stellen am Rohr realisiert werden.
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Je nach Anforderungen an die Rundheit des Rohres im Bereich der Nennwanddicke und/oder der Verdickung kann diese vorteilhaft an Hand der erfindungsgemäßen Bewertungskennziffern BWV,i und BWR beim Walzen entsprechend optimiert werden.
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Die grundsätzliche Problematik beim Auf- oder Zufahren der Gerüste beim Walzen von Rohren mittels eines Stangenwalzwerks wird im Folgenden noch einmal dargestellt.
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Im Gegensatz zum Walzen verdünnter Enden, bei denen der Walzspalt reduziert wird, ergibt sich, wie oben bereits beschrieben, beim Öffnen des Walzspalts das Problem, dass je weiter man sich im eingeschnittenen Walzenprofil von der Mitte, dem Walzengrund, zur Flanke hin bewegt, die radiale Distanz von der Walze zur Walzachse weniger zunimmt als das Auffahrmaß, so dass ein Hochoval entsteht. Wie vorher bereits beschrieben tritt dieses Problem nicht nur beim Pilgerwalzen sondern auch beim Kontiwalzen mit Stangenwalzwerken auf.
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Bedingt durch die Kalibrierung der Walzen fallen nur im Walzengrund die Richtung des Auffahrmaßes, welche senkrecht zur Walzenachse liegt, und die radiale Richtung, welche für die Wanddicke relevant ist, zusammen.
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Die 1a, 1b und 1c zeigen beispielhaft für eine Walze 3 eines Dreiwalzen-Stangenwalzwerks die geometrischen Situationen für die Nullstellung (siehe 1a) sowie für das Zu- und Auffahren der Walzen 3 (siehe 1a und 1b), wobei vereinfacht die Walzenkontur der Walze 3 als Kreisbogen dargestellt ist. In der 1a sind in Nullstellung beziehungsweise in neutraler Stellung die Walzstange 2 im Querschnitt, die Walzachse 1 und ein Teil einer Walze 3 dargestellt. Die Walzachse 1 und die Achse der Walzstange liegen übereinander. Der Walzspalt stellt sich als Kreisring dar. Der Spalt zwischen Walze 3 und Walzstange 2 ist für den Walzengrund SGrund und die Walzenflanke SFlanke gleich groß.
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Beim Auffahren der Walzen (siehe 1b) ergibt sich für den Walzengrund ein größerer Spalt als für die Flanke, also SGrund > SFlanke. Die Walzachse 1 ist gegenüber der Achse der Walzstange nach oben verschoben.
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Wird die Walze 3 zugefahren (siehe 1c), kehren sich die Verhältnisse um und für den Walzengrund ergibt sich ein kleinerer Spalt als für die Walzenflanke, also SGrund < SFlanke. Die Walzachse 1 ist gegenüber der Achse der Walzstange nach unten verschoben.
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Ein im Vergleich zum Walzengrund kleinerer Walzspalt in der Flanke ist kritisch, da die Umfangsgeschwindigkeit der Walze vom Grund zur Flanke zunimmt. In Kombination mit dem zur Flanke hin kleiner werdenden Walzspalt kann dies zum Dünnziehen des Materials an der Flanke führen, was im Extremfall zu Löchern führen kann.
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Damit diese Abweichungen beherrschbar bleiben, setzt sich die Walzenkalibrierung typischerweise aus zwei Kreisbögen zusammen. 2 zeigt, dass der Kalibergrundradius R1 einem Mittelpunkt M1 aufweist, der um eine Mittenverschiebung e zu der der Walzachse 1 angesetzt ist und der Kalibergrundradius R1 beim Winkel alpha tangential in den Flankenradius R2 mit dem Mittelpunkt M2 übergeht. Die Mittenverschiebung e entspricht dem senkrechten Abstand zwischen der Walzachse 1 und dem Mittelpunkt M1. Da die Walzen 3 in den aufeinander folgenden Gerüsten jeweils um den Winkel beta zueinander verdreht angeordnet sind, ergibt sich bei gleicher Kalibrierung von zwei hintereinander angeordneten Gerüsten eine Kontur, die für einen Winkel alpha = beta/2 nur aus den Kaliberteilen mit dem Kalibergrundradius R1 gebildet wird. Beispielsweise ergibt sich für ein Gerüst mit drei Walzen ein Winkel alpha von 30°.
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Für eine Mittenverschiebung von e = 0 ergibt sich somit ein exakter Kreis. In der Praxis wird jedoch der Winkel alpha geringfügig größer als die Hälfte des Winkels beta gewählt. Dieser Zuschlag Delta alpha sollte jedoch nicht größer als 5% des Winkels beta betragen.
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Als Nullstellung der Walzen wird die Position bezeichnet, bei der die Mittenverschiebung e dem vom Kalibreur vorgegebenem Sollwert entspricht.
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Die Mindestgröße des Faktors C mit R2 = C × R1 für die Berechnung des Flankenradius R2 aus dem Grundradius R1 ergibt sich ebenfalls aus geometrischen Überlegungen. Auch noch beim maximal vorgesehenen Auffahren der Walze sollte an der Flanke keine Abnahme der dort einlaufenden Wanddicke erfolgen sondern sogar noch ein Luftspalt vorhanden sein. Deswegen sind z. B. beim Drei-Walzen-Stangenwalzwerk C-Werte größer 2 üblich.
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3 zeigt für verschiedene Kaliberdurchmesser die Walzspaltänderung, die sich beispielhaft für ein Drei-Walzen-Stangenwalzwerk bei alpha = 30° Umfangsposition für verschiedene Kaliberdurchmesser und e-Maße einstellt.
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Zur Überwindung der erläuterten Problematik beim Auffahren der Walzen zur Erzeugung von Wandverdickungen werden erfindungsgemäß die mit den einzelnen Gerüsten erzeugten Geometrien der Wandverdickungen und deren Abweichung von einem idealen Kreisquerschnitt bewertet. Ausgehend von den Wanddicken im Kalibergrund wird am Austritt aller Gerüste festgestellt, in welchen Gerüsten die geforderte Wandverdickung beim Walzen des Rohres bereits unterschritten wird.
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Die beiden Gerüste die die geringsten geometrischen Abweichungen von einem Kreis ergeben, werden jetzt zum Walzen der Wandverdickungen eingesetzt. Die Anstellungen der Walzen der verbleibenden Gerüste und der Walzen des Gerüstes, welches die geforderte Wandverdickung als erstes unterschreitet, werden dann gezielt aufgefahren. Dieses Auffahren muss erfindungsgemäß folgende beiden Kriterien erfüllen.
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Kriterium 1: Die zwei gewählten Gerüste walzen im Kalibergrund die gewünschte verdickte Wanddicke fertig. Sie werden entsprechend aufgefahren. Alle verbleibenden davor liegenden Gerüste werden ebenfalls aufgefahren, so dass sich eine geeignete Wanddickenstufung pro Gerüst für das Walzen der Verdickung ergibt. Geeignet heißt in diesem Zusammenhang, dass sich die Wanddickenabnahmen in den Gerüsten, die für das Walzen der verdickten Wand benötigt werden, relativ ähnlich verhalten wie beim Walzen der Rohrnennwanddicke. Alle nachfolgenden Gerüste werden soweit aufgefahren, dass ein Kontakt der Walzen mit dem Rohr an der Stelle der Verdickung und damit eine nachträgliche Reduzierung der erzeugten Wandverdickung mit Sicherheit vermieden werden.
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Kriterium 2: Die für das Fertigwalzen der Wandverdickung zuständigen Gerüste werden über die Bewertungsziffer BWV,i ermittelt. Je kleiner die Bewertungsziffer BWV,i desto besser entspricht die zu erzielende Fertigkontur des verdickten Rohrteils einem exakten Kreisring.
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Folgende Beispiele erläutern die Auswahl der Gerüste zum Fertigwalzen der gewünschten Wandverdickung.
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Beispiel 1
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Zum Strecken und zum Walzen der Wandverdickung wird ein Stangenwalzwerk mit 5 Gerüsten und 3 Walzen/Gerüst eingesetzt.
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Es gilt:
- i
- = laufende Nummer des Gerüstes, beginnend mit 1 und aufsteigend in Walzrichtung
- i-max
- = laufende Nummer des letzten Gerüstes
Anzahl der Gerüste = 5 - s-R
- = Rohrwanddicke am Austritt des Stangenwalzwerks
- s-V
- = verdickte Wand
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Weiter gilt für jedes Gerüst i:
- s,i
- = Wanddicke im Kalibergrund von Gerüst i
- e,i
- = exzentrische Verschiebung des Mittelpunkts des Kalibergrundradius R1 in Nullstellung der Walzen im Gerüst i. Die Nullstellung der Walzen ist die Stellung, welche der Kalibreur für das Festlegen der Kaliberkonturen vorgegeben hat, d. h. vorgegebene Kaliberkontur und Ist-Kontur sind bei der Nullstellung der Walzen im Gerüst identisch.
- DSTideal
- = idealer Walzstangendurchmesser mit dem bei Walzenposition in Nullstellung die Rohrwand s-R gewalzt wird
- DSTist
- = verwendeter Walzstangendurchmesser für das Walzen von s-R
- A-ges.
- = für alle Walzenpositionen gleiches Anstellmaß, damit mit dem Ist-Stangendurchmesser die Rohrwanddicke s-R gewalzt werden kann,
- +
- = Walzen sind gegenüber der Nullstellung aufgefahren,
- –
- = Walzen sind gegenüber der Nullstellung zugefahren.
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Die Auf- oder Zufahrmaße sind als radiale Wegstrecken definiert. A-ges. = ½ × (DSTist – DSTideal)
- eR,i
- = Ist-Mittelpunktsverschiebung des Kalibergrundradius R1,i im Vergleich zur Walzachse (+ = über Walzmitte, – = unter Walzmitte beim Walzen der Rohrwand s-R)
- A,i
- = theoretisches Auffahrmaß von Gerüst i, um die verdickte Wand im Kalibergrund zu walzen
A,i = s-V – s,i - ev,i
- = Mittelpunktsverschiebung des Kalibergrundradius R1,i im Vergleich zur Walzachse (+ = über Walzmitte, – = unter Walzmitte beim Walzen der verdickten Wand s-V)
ev,i = eR,i + A,i - BWR
- = Bewertungskennziffer für das Walzen der Rohrnennwanddicke in Form eines absoluten Betrags
BWR = |eR,i-max – 1 + eR,i-max| für i-max = 5 - BWV,i
- = Bewertungskennziffer für das Walzen der verdickten Wand s-V in Form eines absoluten Betrags
BWV,i = |ev,i – 1 + ev,i| für i = 2 bis i-max (5) - MIN BWV,i
- = kleinster Wert, aus den für alle ab dem zweiten Gerüst mit den jeweiligen laufenden Nummern i ermittelten Bewertungskennziffern BWV,i
Tabelle 1: Basiskonfiguration eines 5-gerüstigen Stangenwalzwerks und Beispiele 1 und 2 für das Walzen von Verdickungen alle Maße in mm Tabelle 2: Basiskonfiguration eines 5-gerüstigen Stangenwalzwerks und Beispiele 3 und 4 für das Walzen von Verdickungen alle Maße in mm
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Die in Tabellen 1 und 2 als Basis bezeichnete Ausgangsposition zeigt die Walzenpositionen in Nullstellung, die benutzte Walzstange entspricht der idealen Stange für das Walzen einer Nennrohrwanddicke von 10 mm am Austritt des Stangenwalzwerks.
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Im Beispiel 1 der Tabelle 1 beträgt die herzustellende verdickte Wand 11 mm. Es soll also eine Wandverdickung von 1 mm erzeugt werden. Da die verwendete Walzstange der idealen Walzstange entspricht, ist die Walzenanstellung gesamt (A-ges) gleich Null und die Mittelpunktsverschiebungen eR,i sind identisch mit den Werten für die Nullstellung der Walzen. Für das Walzen einer Wanddicke von 11 mm müssen die Walzen gegenüber der Nennrohrwanddicke von 10 mm um 1 mm aufgefahren werden.
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Den betragsmäßig kleinsten Wert für die Wertungskennziffer MIN BWV,i weist Gerüst 4 mit einem Wert von 1,0 auf, das heißt, beim Walzen der Verdickung mit Gerüst 4 treten die geringsten Abweichungen zu einem idealen Kreisring auf. Da Gerüst 4 den kleinsten Wert MIN BWV,i aufweist, wird die Verdickung mit dem in Walzrichtung davor liegenden Gerüst 3 und dem bereits bestimmten Gerüst 4 fertiggewalzt, da das Gerüst 4 im Sinne eines Fertiggerüstes, ein Rohr mit den geringsten geometrischen Abweichungen von einem idealen Kreisring ergibt.
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Damit werden nur die ersten 4 Gerüste zum Erzeugen der Wandverdickung benötigt, wobei die Gerüste 3 und 4 die genannte Wanddicke von 11 mm fertigwalzen. Gerüst 5 wird dann nur noch zum Walzen der Rohrnennwanddicke von 10 mm benötigt.
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Beispiel 2
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Im Beispiel 2 der Tabelle 1 wird bei einer Rohrnennwanddicke von ebenfalls 10 mm und einer geforderten Wandverdickung um 1 mm mit einer im Durchmesser um 2 mm kleineren Stange, also DSTideal minus 2 mm gewalzt. Hier ergibt sich als günstigste Bewertung MIN BWV,i eine 0,0 für Gerüst 5. Damit werden in dieser Variante alle 5 Gerüste zum Walzen der Verdickung benötigt, wobei die letzten beiden Gerüste, also Gerüst 4 und 5 die Verdickung von 11 mm Wanddicke fertig walzen.
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Beispiele 3 und 4
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Die Beispiele 3 und 4 der Tabelle 2 zeigen die Situation für eine verdickte Rohrwand von 13 bzw. 18 mm bei einer Rohrnennwanddicke von ebenfalls 10 mm. Hier werden bei einer Wandverdickung auf 13 mm (Beispiel 3) nur die ersten 3 Gerüste benötigt, da sich für Gerüst 3 der niedrigste BWV-Wert MIN BWV,i von 2,0 ergibt. Im Beispiel 4 für eine Verdickung der Rohrwand auf 18 mm weist Gerüst 2 mit 3,5 den niedrigsten BWV-Wert auf, so dass nur die ersten beiden Gerüste die Wandverdickung fertigwalzen.
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Weiter ist aus der Tabelle 2 zu sehen, dass sich nicht in allen Fällen positive ev,i Werte vermeiden lassen. Damit ergeben sich theoretisch auch Bereiche, in denen die angestrebte Verdickung nicht erreicht werden kann. 4 zeigt für den Fall eines Drei-Walzen-Stangenwalzwerks und damit passend zu den angeführten Beispielen welche Wanddickenabweichungen sich relativ (4a) und absolut (4b) für verschiedene Mittelpunktsverschiebungen ev,i (im Bereich vom –2,0 mm bis +5,0 mm) der Kalibergrundradien ergeben.
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Da die Kontur der Walzen die Außenkontur des Rohres bestimmt und die Wanddicke über den Stangendurchmesser gebildet wird, sind die absoluten Wanddickenabweichungen beim Auf- oder Zufahren der Walzen immer die gleichen. So ergibt sich beim Auffahren um 1 mm eine Wandverdünnung von etwa 0,13 mm und bei 5 mm eine um etwa 0,69 mm dünnere Wand. Beim Zufahren um 1 mm liegt die maximale Abweichung bei +0,14 mm. Die relativen Werte werden mit zunehmender Wanddicke immer kleiner. Die Darstellung mit aus Geradenstücken zusammengesetzten Kurven wurde nur der einfacheren Darstellung wegen gewählt.
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Letzten Endes entscheiden die Art der Weiterverarbeitung und die zum Kalibrieren der Rohrenden verwendete Methode über die noch tolerablen Wanddickenabweichungen.
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Theoretisch lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren verdickte Wände erzeugen, die maximal der Hohlblockwanddicke entsprechen. In den Beispielen gemäß Tabelle 1 beträgt die Hohlblockwanddicke 25 mm.
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Wie oben beschrieben, erfolgt die Festlegung des Stangendurchmessers DSTist für eine optimale Rundheit für das Walzen der Rohrnennwanddicke über eine ermittelte Bewertungskennziffer BWR.
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In den Beispielen 1 und 2 der Tabelle 1 sind bei sonst gleichen geometrischen Vorgaben für das zu walzende Rohr die Bewertungskennziffern BWR im Beispiel 1 mit 0,0 und im Beispiel 2 mit 2,0 über die Formel BWR = |eR,imax – 1 + eR,imax| für i-max = 5 errechnet.
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Wie beschrieben sind die geometrischen Abweichungen der Rohrnennwanddicke vom idealen Kreisring geringer, je kleiner der BWR-Wert ist. Im vorliegenden Fall würde man also den Stangendurchmesser DSTideal gemäß Beispiel 1 wählen.
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Allerdings ist dabei die Anforderung an die Wanddickentoleranzen des Rohres, walztechnische Gesichtspunkte und die Anforderungen an die Wanddickengleichmäßigkeit der Verdickungen gegeneinander abzuwägen, um den am besten geeigneten Stangendurchmesser festzulegen und damit den BWR-Wert, sowie die für die Verdickungen geltenden BWV,i und damit die für das Walzen der Verdickung benötigten Gerüste.
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Ein BWR-Wert von Null ist zwar theoretisch der Beste, aber wegen der Längszugspannungen im Flankenbereich können negative eR,max und eR,imax – 1, die zu einem von Null abweichenden BWR bei gleichzeitiger Verbesserung der BWV,i Werte führen die bessere Lösung darstellen. In der Praxis wird das Beispiel 2 mit einem Stangendurchmesser DSTist = DSTideal minus 2 mm bei dünnen Wanddicken, wo die Längszüge kritisch werden können, daher die besseren Walzergebnisse liefern.
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Allerdings muss die Walzstange noch aus dem sogenannten Kontirohr, wie das Rohr nach dem Walzen im Stangenwalzwerk genannt wird, entfernt werden. Üblicherweise wird als Kontirohr das Rohr hinter Stangenwalzwerken mit zwei Walzen/Gerüst bezeichnet. Hier steht der Begriff jedoch ganz allgemein für ein in Stangenwalzwerken gewalztes Rohr, unabhängig wie viele Walzen/Gerüst verwendet werden.
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Das Entfernen der Walzstange aus dem Kontirohr kann durch Ausziehen im Nebenfluss über eine Kette nach dem Walzen erfolgen. Die gängige Methode ist jedoch ein sogenanntes Ausziehwalzwerk, welches in der Walzlinie das Kontirohr von der Stange zieht und vorteilhaft dazu genutzt werden kann, um die an der Rohraußenseite liegende Wandverdickung zur Rohrinnenseite hin zu verschieben.
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Hierzu werden in der Regel drei Drei-Walzen-Gerüste verwendet, die minimal den Durchmesser des Kontirohres um etwa 2,5% reduzieren. Das Abziehen des Rohres mit Hilfe des Ausziehwalzwerks beginnt bereits, wenn der Rohrkopf das Ausziehwalzwerk erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ist in den allermeisten Fällen das Walzen im Stangenwalzwerk noch nicht zu Ende. Das Walzen im Stangenwalzwerk endet spätestens, wenn der Stangenkopf kurz vor dem Ausziehwalzwerk zum Stehen kommt. Das Ausziehwalzwerk zieht dann noch den restlichen Teil des Rohres, der sich noch auf der Stange befindet, von dieser ab.
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Die Maximalwerte der Durchmesserreduzierung liegen bei etwa 4,5% in Summe über alle drei Gerüste. Wird beispielsweise eine 11 mm Kontirohrwanddicke gewalzt und die Verdickung soll 10 mm betragen, so bedeutet das eine Erhöhung der Außendurchmesserreduktion um 20 mm, was bei einem Kaliber von 200 mm bereits 10% ausmacht. Da die Anstellungen der Walzen der Ausziehgerüste im Regelfall nicht veränderlich sind, ist für größere Wandverdickungen ein Anpassen der Kalibrierung erforderlich. Dies hat so zu erfolgen, dass die minimale Abnahme für das Filetteil nur in maximal zwei Gerüsten erfolgt, bevorzugt nur im letzten. Damit können die beiden vorderen jeweils die zusätzlich notwendige Durchmesserabnahme vornehmen, die allerdings 4,5% pro Gerüst nicht überschreiten sollte.
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In einer weiteren Variante kommt zum Ausziehen der Stange kein Ausziehwalzwerk zum Einsatz sondern das Ausziehen der Stange erfolgt durch ein Maß- oder Streckreduzierwalzwerk. Hier ist das Ausziehen der Stange einfacher als beim Ausziehwalzwerk, da lediglich vor die Gerüste, die für das Reduzieren der Filetteile benötigt werden, noch je nach Verdickung der Rohrenden ein oder mehrere Zusatzgerüste gesetzt werden müssen. Als Filetteile werden die Rohrabschnitte bezeichnet, welche die Nennwanddicke aufweisen.
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Die Durchmesserabnahme im Auszieh- oder Streckreduzierwalzwerk bewirkt, dass die Verdickungen nach innen gedrückt werden und das Rohr außen einen konstanten Außendurchmesser aufweist. Das hat den Vorteil, dass sowohl der Transport der Rohre wie auch die in den meisten Fällen notwendige Wärmebehandlung ohne zusätzliche Maßnahmen durchgeführt werden können. Es ist aber ebenfalls möglich, die Wandverdickung zur Rohraußen- und -innenseite hin beliebig zu verteilen.
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Beim Einsatz in der Fertigungslinie für Leitungs- und Ölfeldrohre werden die Enden dann über eine Kalibrierpresse oder ein anderes passendes Aggregat so kalibriert, dass sich ein Wanddickenverlauf der Rohrenden passend zu den Vorgaben ergibt. Die dazu notwendige Umformung und die Kundenspezifikation hinsichtlich erlaubter Verformungen im kalten Zustand und Eigenspannungen kann dazu führen, dass die Rohrenden vorgewärmt und oder auch nachgewärmt werden müssen. Danach werden die weiteren Schritte durchgeführt, um letztlich das gewünschte spezifikationsgerechte Endprodukt zu erzeugen. Die in den meisten Fällen vorgeschriebene Wasserdruckprüfung erfolgt je nach Spezifikation vor oder nach dem Kalibrieren der Rohrenden.
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Zum Erzeugen verdickter Enden wird damit erfindungsgemäß wie folgt vorgegangen:
- 1. Vorgabe des Wanddickenverlaufs an den Rohrenden des Fertigrohrs und der einzuhaltenden Toleranzen vor der mechanischen Weiterverarbeitung wie Innen- und oder Außenbearbeitung, Gewindeschneiden oder ähnliches.
- 2. Vorgabe des Längenbereichs mit der Rohrfertigwand, dem Filetteil, und der einzuhaltenden Toleranzen.
- 3. Umrechnen des Wanddickenverlaufs am Fertigrohr in einen Wanddickenverlauf mit Wanddickenzunahme nach außen für das Rohr im Auslauf des Stangenwalzwerks, dem Kontirohr, unter Berücksichtigung der Streckung und der Wanddickenveränderung durch das Maß- oder Streckreduzierwalzwerk und das Ausziehwalzwerk, falls vorhanden, sowie der notwendigen Schopfschnitte. Das Kontirohr kann gegebenenfalls Mehrfachlängen des Fertigrohres enthalten.
- 4. Berechnung der Vorgaben für die Walzenanstellung der einzelnen Gerüste passend zum vorberechneten Geometrieverlauf des Kontirohres in allen Gerüsten unter Berücksichtigung der eingeführten Bewertungskennziffer BWV,i und BWR zum Ermitteln der Gerüste zum Fertigwalzen der gewünschten Verdickung und der sich ergebenden Geometrie im aufgefahrenen Zustand wie oben beschrieben. Gerüste, die nicht mehr für das Walzen der Verdickung bzw. den Übergang benötigt werden, werden soweit aufgefahren, dass diese sicher keine Wandverformung mehr bewerkstelligen.
- 5. Berechnung der Querschnitte des Kontirohres über die Länge mit den zugehörigen Flächeninhalten am Austritt jeden Gerüstes
- 6. Vorgabe der gewünschten Austrittsgeschwindigkeit des Kontirohres hinter dem letzten Gerüst. Wenn das Kontirohr mit konstanter Geschwindigkeit ausläuft, brauchen die Walzendrehzahlen des Ausziehwalzwerks nicht geregelt zu werden.
- 7. Berechnung der Walzenanstellungen über die Zeit für alle Gerüste passend zu den Punkten 5 und 6.
- 8. Berechnung der Kontirohrgeschwindigkeiten über die Zeit am Auslauf jeden Gerüstes passend zu Punkt 7.
- 9. Berechnung der Walzendrehzahlen über die Zeit für alle Gerüste.
- 10. Erzeugen des für die Steuerung des Stangenwalzwerks notwendigen Einstellvorgaben und Datensätze zur Steuerung der Walzenanstellungen und der Walzendrehzahlen.
- 11. Walzen des warmfertigen Rohres im Maß- oder Streckreduzierwalzwerk, bei dem bedingt durch das Reduzieren des Außendurchmessers jetzt alle Wandverdickungen innen liegen und Durchführen der notwendigen Schopf- und Teilschnitte.
- 12. Falls erforderlich Vergüten des Rohres mit Überprüfung der mechanisch technologischen Eigenschaften.
- 13. Spezifikationsgerechte zerstörungsfreie Prüfung des Rohres.
- 14. Kalibrieren der Rohrenden, gegebenenfalls mit Erwärmung zum Vermeiden von Kaltverfestigung und Eigenspannungen.
- 15. Durchführen der Wasserdruckprüfung und weiterer Schritte zum Erzeugen des spezifikationsgerechten Endprodukts.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Walzachse
- 2
- Walzstange
- 3
- Walze
