DE102014203422B3

DE102014203422B3 - Verfahren und Computerprogramm zum Analysieren der Wanddickenverteilung eines Rohres

Info

Publication number: DE102014203422B3
Application number: DE102014203422.1A
Authority: DE
Inventors: Hans Joachim Pehle
Original assignee: SMS Meer GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: SA115360319B1; AT515510A2; CN104858246A; US20150241211A1; AT515510A3; JP2015160248A; AT515510B1; CN104858246B; JP6049783B2

Abstract

Verfahren zum Analysieren der Wanddickenverteilung eines Rohres (10), aufweisend folgende Schritte: – Ermitteln der Verteilung einer Abweichung der Wanddicke in Umfangsrichtung (Φ) des Rohres (10) von einer Sollwanddickenverteilung; und – Approximieren der ermittelten Verteilung der Wanddickenabweichung durch additive Überlagerung einer Mehrzahl von vorgegebenen Verteilungen der Wanddickenabweichung in Umfangsrichtung (Φ); dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Verteilungen der Wanddickenabweichung jeweils unterschiedliche – bei der Herstellung des Rohres (10) mögliche – reale Fehlerarten repräsentieren; und dass mindestens eine der vorgegebenen Verteilungen eine nur in einem Umfangsbereich < 180° auftretende Fehlerart repräsentiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren der Wanddickenverteilung eines Rohres nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm zum Durchführen dieses Verfahrens.
Im Stand der Technik sind Verfahren zum Analysieren der Wanddickenverteilung eines Rohres durch Anwenden der Fourier Analyse auf die ermittelte Wanddickenverteilung bekannt, siehe z. B. die europäischen Patentschriften EP 1 611 969 B1 oder EP 1 889 670 B1 . Bei den dort offenbarten Verfahren entsprechen die einzelnen Komponenten der Fouriere Analyse jeweils Sinusfunktionen verschiedener Frequenz; es fehlt jedoch typischerweise ein direkter Bezug zu den realen möglichen Fehlern bei der Herstellung des Rohres. Die Interpretation bzw. Auswertung der Ergebnisse der Fourier Analyse im Hinblick auf konkrete Fehler bei der Herstellung des Rohres ist deshalb oftmals schwierig und liefert nur unzureichende Hinweise. Dies sei nachfolgend an einigen Beispielen erläutert:
Eine mögliche Fehlerart, die bei der Herstellung insbesondere von Nahtlos-Rohren auftreten kann, ist ein radialer Versatz einer Premium Quality Finishing PQF-Walze in einem PQF-Walzwerk. Diese Fehlerart führt zu einer asymmetrischen Wanddickenabweichung mit spezifischer lokaler Ausprägung. Die Fourier-Analyse setzt diese Wanddickenabweichung zusammen aus Sinuskurven verschiedener Frequenz. In diesem Fall liefert die Fourier-Analyse eine Abweichung erster, zweiter und dritter Ordnung, obwohl keine Exzentrizität vorliegt, eine Zweiseitigkeit im Dreiwalzengerüst als Fehler nicht auftritt und die Dreiseitigkeit den falschen Hinweis auf eine symmetrische Fehleinstellung der Walzen der beiden letzten PQF-Gerüste liefert.
Schließlich sei erwähnt, dass eine Approximation einer gemessenen realen Wanddickenabweichungsverteilung mit einer Sinuskurve gemäß der Fourier-Analyse bei symmetrischen Walzenfehleinstellungen (z. B. 6-Seitigkeit) regelmäßig problembehaftet ist. Es bleibt dann ein Rest, weil das Walzenkaliber nicht kreisförmig ist. Der Rest ist symmetrisch und täuscht eine weitere Wanddickenabweichung vor, die es aber tatsächlich nicht gibt.
Die europäische Patentschrift EP 1 918 034 B1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren, um ausgehend von realen Messwerten zur Walzbelastung und Rohrwanddicke, über eine Entscheidungseinheit definierte Innenflächen-Eindruckdefekte zu erkennen und auszugeben. Auf diese Weise werden reale Fehlerarten identifiziert, wenn Fehlerverteilung in einem Umfangsbereich < 180° auftreten.
Der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren und Computerprogramm zum Analysieren der Wanddickenverteilung eines Rohres dahingehend weiterzubilden, dass eine genauere Analyse der Wanddickenverteilungen in Rohren im Hinblick auf vorhandene Fehler bei der Produktion der Rohre möglich ist und die Fehlererkennung vereinfacht wird.
Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren gelöst. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Verteilungen der Wanddickenabweichungen jeweils unterschiedliche – bei der Herstellung des Rohres mögliche – reale Fehlerarten repräsentieren und dass mindestens eine der vorgegebenen Verteilungen eine nur in einem Umfangsbereich < 180° auftretende Fehlerart repräsentiert.
Durch die beanspruchte Verwendung von lediglich solchen Verteilungen der Wanddickenabweichungen, welche real mögliche Fehlerarten bei der Herstellung des Rohres repräsentieren, kann sehr schnell, einfach und unmittelbar auf das Vorliegen dieser jeweiligen Fehlerart bei der Herstellung des Rohres geschlossen werden, wenn die jeweilige vorgegebene Verteilung der Wanddickenabweichungen einen sinnvollen Beitrag zur Approximation der ermittelten Verteilungen der Wanddickenabweichungen des Rohres leistet. Durch das Vorsehen des weiteren Merkmals, dass mindestens eine der vorgegebenen Verteilungen eine nur in einem Umfangsbereich < 180° auftretende Fehlerart repräsentiert, wird sichergestellt, dass mit dem beanspruchten Verfahren auch solche Fehlerarten unmittelbar erkannt werden können, die mit Hilfe der aus dem Stand der Technik bekannten Fourier-Analyse nicht aufgefunden werden können, weil die Fourier-Analyse regelmäßig nur vorhandene Fehlerarten aufgedeckt, die sich über den gesamten Umfang erstrecken. Aufgrund des letztgenannten Merkmals ist es vorteilhafterweise auch möglich, Fehlerarten bzw. Fehler aufzudecken, welche lediglich lokal oder bereichsweise in Umfangsrichtung vorkommen.
Allgemein kann mit dem beanspruchten Verfahren die Produktqualität der insbesondere in Nahtlosrohranlagen hergestellten Rohre deutlich verbessert werden.
Der Begriff „Sinus-Funktion” ist in der vorliegenden Beschreibung allgemein als trigonometrische Funktion zu verstehen.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel werden die zur Approximation der ermittelten realen Verteilung der Abweichungen der Wanddicke verwendeten realen Verteilungen jeweils geeignet parametriert, z. B. durch geeignete Einstellung ihrer Amplitude, ihrer Frequenz und/oder ihrer Phasenlage.
Das Ermitteln der realen Verteilung der Abweichung der Wanddicke in Umfangsrichtung schließt folgende Teilschritte ein: Messen der Verteilung der Wanddicke von außen auf der Oberfläche des Rohres oder von seinem Inneren her und bilden der Differenz zwischen der gemessenen Verteilung der Wanddicke und einer vorgegebenen Sollwanddicke. Der nur theoretische Fall, dass die Sollwanddicke 0 mm beträgt, soll bei der vorliegenden Erfindung mit erfasst sein; in diesem Fall entspricht dann die ermittelte Verteilung der Abweichung der Wanddicke von der Sollwanddicke der realen Verteilung der Wanddicke. In diesem Fall sind die zur Approximation dieser Verteilung heranzuziehenden vorgegebenen Verteilungen ebenfalls auf die Wanddicke zu beziehen.
Die zur Approximation verwendeten vorgegebenen Verteilungen der Wanddickenabweichungen, welche jeweils unterschiedliche Fehlerarten repräsentieren, können entweder theoretisch anhand geometrischer Ableitungen oder experimentell durch Versuche ermittelt werden.
2a und 2b zeigen beispielhaft und keinesfalls abschließend typische Fehlerarten mit ihren charakteristischen Verteilungen der Wanddickenabweichung in Umfangsrichtung.
In den 2a und 2b bedeuten:
a: Amplitude
b: Winkellage
c: Definitionsbereich
Die Fehlerart Walzen- oder Walzenstangenabdruck gemäß der laufenden Nr. 3 in der 2a sowie die Fehlerart einzelne Fehlerwulst gemäß der laufenden Nr. 7 in 2b sind solche Fehlerarten, welche jeweils nur in einem Umfangsbereich < 180° auftreten. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise einen direkten Rückschluss auf die bei der Herstellung eines Rohres vorhandenen Fehlerarten. Diese entsprechen den Fehlerarten, welche durch die für die Approximation der ermittelten und realen Verteilung der Wanddickenabweichungen des zu untersuchenden Rohres sinnvollerweise verwendeten bzw. erforderlichen vorgegebenen Verteilungen der Wanddickenabweichungen. Das schnelle und einfache Erkennen der Fehlerarten ermöglicht nachfolgend auch ein schnelles Beheben der Ursachen für diese Fehler bzw. das schnelle Einleiten von Korrekturmaßnahmen.
Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst. Die Vorteile dieser Lösung entsprechen den oben mit Bezug auf das beanspruchte Verfahren genannten Vorteilen.
Der Beschreibung ist sind folgende Figuren beigefügt, wobei
1 einen Querschnitt durch ein fehlerhaft hergestelltes Rohr,
2a + b typische Fehlerarten mit ihren charakteristischen Verteilungen der Wanddickenabweichung in Umfangsrichtung zeigen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Figuren in Form eines Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Analysieren der Wanddickenverteilung eines Rohres 10 umfasst folgende Schritte:
In einem ersten Schritt wird die Verteilung einer Abweichung der Wanddicke in Umfangsrichtung Φ des Rohres von einer vorgegebenen Solldickenverteilung ermittelt. In 1 wird diese reale Verteilung der Wanddickenabweichung mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Sollwanddickenverteilung, auf welche sich die Kurve mit dem Bezugszeichen 1 bezieht, ist in 1 nicht eingezeichnet; sie würde in 1 einem Kreis mit konstantem Radius um den Mittelpunkt entsprechen, wobei der Radius des Kreises kleiner als der konstante Radius der in 1 gezeigten Außenkontur 2 des Rohres wäre.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die ermittelte Kurve 1 approximiert durch eine Mehrzahl vorgegebener Verteilungen der Wanddickenabweichung, wobei diese vorgegebenen Verteilungen jeweils unterschiedliche – bei der Herstellung des Rohres mögliche – reale Fehlerarten repräsentieren. In 1 wird die reale Kurve 1 approximiert durch eine erste vorgegebene Verteilung der Wanddickenabweichung, welche die Fehlerart 6-Seitigkeit repräsentiert und in 1 mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet ist. Die Fehlerart 6-Seitigkeit erstreckt sich über den gesamten Umfang. Darüber hinaus wird die Approximation verfeinert, indem zusätzlich die Verteilungen der Wanddickenabweichungen verwendet werden, welche typisch sind für Walzenabdrücke, definiert jeweils über π/3. Diese Verteilungen werden in 1 mit dem Bezugszeichen 4a und 4b bezeichnet. Sie treten in 1 beispielhaft nur in den Umfangsbereichen 11 Uhr und 3 Uhr auf. Die Kurve 1 wird demnach approximiert durch eine additive Überlagerung von drei verschiedenen vorgegebenen Verteilungen, welche die besagten Fehlerarten 6-Seitigkeit und zwei Mal jeweils einen phasenverschobenen Walzenabdruck repräsentieren. Der Kurvenzug der additiven Überlagerung ist in 1 mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet. Überall entlang des Umfangs, wo die Fehlerart Walzenabdruck nicht vorkommt, entspricht der Kurvenzug 5 der vorgegebenen Verteilung für die Fehlerart 6-Seitigkeit. Lediglich in den Umfangsbereichen 11 Uhr und 3 Uhr entspricht der Kurvenzug den dort gezeigten Gradenabschnitten; dort überlagert sich die Verteilung für die Fehlerart 6-Seitigkeit mit der nur lokal auftretenden (hier gegenphasigen) Fehlerart Walzenabdruck gemäß den Kurvenabschnitten 4a und 4b.
Als Ergebnis dieser Analyse kann unmittelbar auf das Vorliegen dieser drei genannten Fehlerarten beim Herstellen des in 1 gezeigten Rohres geschlossen werden. Vorteilhafterweise kann dann unmittelbar an die so gestellte Diagnose eine entsprechende Korrektur bei der Anlage, auf der das Rohr hergestellt wurde, eingeleitet werden, indem die jeweiligen Ursachen für die genannten Fehlerarten gemäß der 2a und 2b auf bekannte Weise behoben werden.
Wie in den 1 und 2a und 2b zu erkennen ist, weichen die für die meisten Fehlerarten typischen Verteilungen der Wanddicke von einer reinen Sinusfunktion ab; dies gilt nicht für die Fehlerart Exzentrizität. Dies gilt allerdings beispielsweise für die Fehlerart Walzenabdruck, Innenwulst oder einzelner Innenwulst gemäß der laufenden Nr. 3, 6 und 7 in den 2a und 2b. Für die Fehlerart „Walzenabdruck” wird folgendes Beispiel genannt:
Ein großes PQF-Kaliber eines PQF-Walzwerks in einer Nahtlosrohrfertigung besteht in seinem mittleren Bereich aus einem Kreisbogen, der zusammen mit einer runden Walzstange eine konstante Wanddicke bei dem herzustellenden Rohr erzeugt. Wird die Walze zugefahren, entsteht ein sinusartiger Verlauf, aber nur im mittleren Bereich. Wird die Walze geöffnet, so entsteht im mittleren Bereich eine Kurve mit einem Maximum und zwei Minima. Dies ist in der 2a unter der laufenden Nr. 3 dargestellt. Die Randbereiche des Kalibers bestehen aus Graden. Zusammen mit der Walzstange ergibt sich eine entsprechende Zunahme der Wanddicke. In den Bereichen zwischen den Walzen bildet sich außerhalb des Werkzeugkontaktes eine konstante Wanddicke aus. Hier und gegebenenfalls in den Randbereichen mit gradlinigem Kaliberprofil zeigt sich gegebenenfalls der Fehler „Walzenabdruck des vorletzten Gerüstes”.
Weiteres Beispiel: Ein radialer Versatz einer PQF-Walze führt zu einer asymmetrischen Wanddickenabweichung mit spezifischer lokaler Ausprägung. Bei der Approximation der bei dieser Fehlerart ermittelten realen Verteilung der Wanddickenabweichung würde festgestellt, dass sich die vorgegebene Verteilung der Fehlerart Walzenabdruck bzw. fehlerhafte Walzenanstellung am besten für die Approximation eignet, und damit wäre die besagte Fehlerart direkt diagnostiziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise die Diagnose der Fehlerart Exzentrizität.
Grundsätzlich gilt: Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine umso genauere Fehleranalyse, je genauer die Auflösung der gemessenen bzw. erfassten realen Verteilung der Wanddickenabweichung ist; diese sollte deshalb möglichst hoch sein.

Claims

Verfahren zum Analysieren der Wanddickenverteilung eines Rohres (10), aufweisend folgende Schritte: – Ermitteln der Verteilung einer Abweichung der Wanddicke in Umfangsrichtung (Φ) des Rohres (10) von einer Sollwanddickenverteilung; und – Approximieren der ermittelten Verteilung der Wanddickenabweichung durch additive Überlagerung einer Mehrzahl von vorgegebenen Verteilungen der Wanddickenabweichung in Umfangsrichtung (Φ); dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Verteilungen der Wanddickenabweichung jeweils unterschiedliche – bei der Herstellung des Rohres (10) mögliche – reale Fehlerarten repräsentieren; und dass mindestens eine der vorgegebenen Verteilungen eine nur in einem Umfangsbereich < 180° auftretende Fehlerart repräsentiert.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Schrittes des Approximierens die vorgegebenen Verteilungen der Wanddickenabweichungen jeweils geeignet parametriert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Verteilungen der Wanddickenabweichungen hinsichtlich ihrer Amplitude, ihrer Frequenz oder ihrer Phasenlage parametriert werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Wanddickenabweichungen folgende Schritte umfasst: Messen der Verteilung der Wanddicke von außen auf der Oberfläche des Rohres (10) oder vom Innern des Rohres her; und Bilden der Differenz zwischen der gemessenen Verteilung der Wanddicke und der Sollwanddicke.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Verteilungen der Wanddickenabweichungen, welche jeweils unterschiedliche Fehlerarten repräsentieren, theoretisch anhand geometrischer Ableitung oder experimentell durch Versuche ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den unterschiedlichen Fehlerarten um Abweichungen der Mittelwanddicke, um eventuell unterschiedliche Exzentrizitäten, um Walzen- oder Walzenstangenabdrücke, um Mehrseitigkeiten, um Innenpolygone oder um Innenwülste handelt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerarten Walzen- oder Walzenstangenabdrücke und Innenwulst jeweils nur in einem Umfangsbereich < 180° auftreten.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Rückschließen, dass die Fehlerarten derjenigen Verteilungen der Wanddickenabweichungen, welche für eine jeweilige Approximation sinnvollerweise erforderlich sind, bei dem jeweils untersuchten Rohr (10) vorliegen; und Beheben der Ursachen für diese Fehler.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm zum Ablaufen auf einem Mikroprozessor, wobei das Computerprogramm ausgebildet ist zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–7.