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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Großrohres mit einer Rohreinheit aus einem eine Trägerschicht bildenden Außenrohr und mindestens einem eine Auflageschicht bildenden Innenrohr, wobei das Innenrohr in das Außenrohr eingebracht wird.
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In der
DE 10 2005 029 679 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fügen von Rohrprofilen mit einem Innenrohrprofil in einem Außenrohrprofil durch Aufweiten mittels eines Wälzelements angegeben, welches zum Aufbringen der Walzkräfte mittels einer rotierenden Stützwelle abgestützt ist. Das Wälzelement bewegt sich planetenradartig um die Rotationsachse der Stützwelle, welche außermittig um die Mittenachse der Rohrprofile umläuft. Zum Verstellen des Wälzelements in radialer Richtung weist die Stützwelle einen konischen Abschnitt auf und kann in axialer Richtung verstellt werden. Diese bekannte Vorrichtung ist insbesondere auch für das Fügen von Rohrprofilen bei kleineren Durchmessern ausgebildet.
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Ein weiteres Verfahren zum Anbringen eines Innenrohres in einem Außenrohr ist in der
WO 2004/103603 A1 angegeben. Bei diesem bekannten Verfahren wird das Innenrohr, auch als Linerrohr oder einfach Liner bezeichnet, in das Außenrohr, wegen seiner Funktion auch als Trägerrohr bezeichnet, eingeschoben. Danach wird ein Teil des Innenrohres mit einem Expandierwerkzeug radial bis zur Bindung mit dem Außenrohr expandiert, wobei das Innenrohr plastisch und das Außenrohr nur elastisch ausgedehnt wird. Dieser Vorgang wird schrittweise wiederholt, bis die gesamte Länge des Großrohres expandiert ist. Das beschriebene Expandierwerkzeug arbeitet hydraulisch aber trocken, d. h. die Berührung der Flüssigkeit mit dem Innenrohr ist ausgeschlossen. Die kraftschlüssige mechanische Bindung zwischen den beiden Rohren entsteht dadurch, dass die elastische Rückfederung des Außenrohres größer ist als die Rückfederung des Innenrohres. Voraussetzung für die Kombination der beiden Werkstoffe der Lagen ist, dass die Streckgrenze des Innenrohres niedriger liegt als die Streckgrenze des Außenrohres.
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Ein anderes bekanntes und etabliertes Verfahren zur Herstellung mechanisch plattierter bimetallischer Großrohre ist das sogenannte Hydroforming, wie es z. B. von der Firma Butting genutzt wird. Ein als Liner dienendes, in der Regel hochlegiertes Innenrohr wird in das Außenrohr eingeschoben und an den Enden dicht verschweißt. Danach erfolgt ein dreidimensionaler hydraulischer Expansionsprozess in einer Hydroforming-Presse. Mittels Wasserdrucks werden das Innenrohr und das Außenrohr bei Raumtemperatur gemeinsam geringfügig expandiert. Dabei werden Drücke eingesetzt, die das Außenrohr zum Fließen bringen, so dass ein Außengesenk notwendig ist, um das Großrohr vor unkontrollierter Ausdehnung und Bruch zu schützen. Aufgrund einer größeren elastischen Rückfederungsrate des Außenrohres wird das Innenrohr nach der Druckentlastung in einen Druckeigenspannungszustand versetzt. Dadurch entsteht eine kraftschlüssige mechanische Verbindung zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr. Um diese Verbindung durch die Ausdehnung des Rohres von innen bewirken zu können, muss das Material des Außenrohres eine höhere Streckgrenze aufweisen als das Material des Innenrohres. Je größer der Unterschied zwischen den Umfangsspannungen zum Zeitpunkt der maximalen Ausdehnung im Außenrohr und im Innenrohr desto größer ist die Restdruckeigenspannung im Innenrohr bzw. Liner σφi_ nach der Druckentlastung und somit auch die entstehende Verbindungskraft zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr.
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Ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Großrohres aus einem Außenrohr und einem Innenrohr in Form einer größtenteils kraftschlüssig verbundenen Auflageschicht ist in der
DE 10 2013 103 811 B3 gezeigt. Bei der Herstellung wird ein bereits mit einer Anfangsbiegung vorgebogenes Trägerblech verwendet, auf das ein ebenfalls bereits vorgebogenes Auflageblech aufgelegt wird, welches entlang seiner beiden Längskanten mit dem Trägerblech verbunden wird, wonach der Verbund zu dem mehrlagigen Großrohr eingeformt und mit einer Längsschweißnaht versehen wird.
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Auch die
DE 10 2009 060 059 A1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Großrohres. Hierbei wird die Wandung des Großrohres aus mindestens zwei metallischen Blechen gebildet, die mittels eines zwischen den Blechen eingebrachten Lots miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Diese Art der Verbindung erfordert spezielle Materialpartner und eine darauf abgestimmte besondere Herstellungsweise, womit betreffende Einschränkungen vorgegeben sind.
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Des Weiteren sind mehrlagige Großrohre bekannt, die als sogenannte Clad-Rohre metallurgisch mit einer Auflageschicht plattiert sind und so bereits beim Produktionsprozess der Platte in besonderen Fertigungsschritten ausgebildet werden. Bei dieser Vorgehensweise sind der Materialwahl für viele Einsatzfälle jedoch enge Grenzen gesetzt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Großrohres der eingangs genannten Art sowie ein Großrohr bereitzustellen, das verbesserte Abstimmungsmöglichkeiten auf unterschiedliche Anforderungen ergibt.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 9 gelöst.
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Das Verfahren weist nach Anspruch 1 die Folge der Verfahrensschritte auf:
- – Einbringen des Innenrohres in das Außenrohr,
- – Einführen einer Andrückeinheit mit mindestens einer Andrückrolle, die geringeren Durchmesser als der Innendurchmesser des Innenrohres besitzt und mit ihrer Drehachse radial beabstandet von der Längsachse des Innenrohres drehbar gelagert ist,
- – Beaufschlagen der Andrückrolle mit radial nach außen gegen die Innenfläche des Innenrohres gerichtetem Anpressdruck,
- – Drehen der Andrückeinheit relativ zu der Rohreinheit unter Abrollen der Andrückrolle an der Innenfläche des Innenrohres und Andrücken der Außenfläche des Innenrohres an die Innenfläche des Außenrohres unter örtlicher plastischer Verformung der Innenrohrwandung, wobei während des Abrollens die Andrückeinheit relativ zu der Rohreinheit axial vorgeschoben wird und die Vorschubgeschwindigkeit der Andrückeinheit auf die Umlaufgeschwindigkeit der Andrückrolle entlang der Innenfläche des Innenrohres so abgestimmt wird, dass sich eine glatte Innenfläche der angedrückten Innenrohrbereiche durch mindestens einfache Überlappung umlaufend plastisch verformter Streifen ergibt.
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Durch das Einrollen und Andrücken (Anrollen) der inneren Auflageschicht fortlaufend in Umlaufrichtung unter plastischer Verformung und das axiale Vorschieben der Andrückeinheit relativ zu der Rohreinheit während des Abrollens wird die innere Auflageschicht kraftschlüssig stabil und dauerhaft auf der Innenfläche des Großrohres aufgetragen und gehalten, ohne dass das Außenrohr gedehnt werden muss. Es wird eine vorteilhafte, fortlaufende Vorgehensweise beim Aufbringen der Auflageschicht erhalten. Die Trägerschicht, die einen dickwandigen stabilen Mantel bildet, wird somit in ihrem Gefüge praktisch nicht beeinflusst, so dass auch in ihren metallurgischen und/oder geometrischen Eigenschaften (Dicke) sehr unterschiedliche Materialpartner zur Herstellung des Großrohres kombiniert werden können. Möglich ist auch eine geringe Dehnung der Trägerschicht innerhalb deren Streckgrenze, falls erwünscht. Die Ausbildung des ursprünglichen Außenrohres und des (mindestens einen) ursprünglichen Innenrohres ist weitgehend frei wählbar, wobei lediglich der Innendurchmesser des Außenrohres und der Außendurchmesser des angrenzenden Innenrohres so aneinander angepasst sein sollen, dass das Innenrohr leicht in das Außenrohr einbringbar ist und durch den Anrollvorgang unter Dehnung über die Streckgrenze bzw. Plastifizierung entlang der Innenfläche des Außenrohres kraftschlüssig verbindbar ist.
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Die Vorschubgeschwindigkeit der Andrückeinheit ist dabei auf die Umlaufgeschwindigkeit der Andrückrolle entlang der Innenfläche des Innenrohres so abgestimmt, dass sich eine glatte Andrückfläche bzw. Innenfläche der angedrückten Innenrohrbereiche ergibt. Die gewählten physikalischen Parameter sind dabei auch in Abhängigkeit des Materials des Innenrohres und der Geometrie der (mindestens einen) Andrückrolle festlegbar. Beispielsweise kann die Außenfläche der Andrückrolle in ihrem Querschnitt gerade und parallel zur Längserstreckung der Innenfläche des Innenrohres ausgebildet oder z. B. konisch oder nach außen konvex gewölbt sein, um unterschiedliche Andrückeigenschaften zu erzielen. Dadurch kann die Andrückfläche entsprechend variiert und ein Anrolleffekt unter örtlicher Materialverformung (ähnlich einem Walkvorgang) mehr oder weniger in Umlaufrichtung bzw. mehr oder weniger in Vorschubrichtung bewirkt werden.
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Dabei bestehen vorteilhafte Maßnahmen darin, dass beim Abrollen der Andrückrolle der Andrück so gewählt wird, dass das Außenrohr nicht gedehnt wird oder nur geringfügig unter seiner Streckgrenze gedehnt wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante des Verfahrens besteht beispielsweise darin, dass die Andrückeinheit relativ zu der Rohreinheit pro Umlauf der Andrückrolle über den Innenumfang des Innenrohres axial um einen Weg zwischen 1 mm und 10 mm vorgeschoben wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvariante besteht beispielsweise darin, dass die relative Drehgeschwindigkeit zwischen Andrückeinheit und Rohreinheit zwischen 5 und 100 Umdrehungen pro Minute liegt.
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Hohe Andrückkräfte können dadurch bewirkt werden, dass die Andrückeinheit beim Abrollen der Andrückrolle dieser diametral entgegenwirkend mittels einer Stützeinheit an der Innenfläche des Innenrohres abgestützt wird. Die Stützeinheit kann sich dabei gleitend oder mit einer oder mehreren an den Basiswinkeln eines gleichschenkligen (spitzwinkligen) Dreiecks angeordneten Stützrollen an der Innenfläche des Innenrohres abstützen. Im letzteren Falle ist die Andrückrolle vorzugsweise in Verlängerung der Winkelhalbierenden des Zentriwinkels des gleichschenkligen Dreiecks angeordnet.
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Eine für die Durchführung des Verfahrens vorteilhafte Ausgestaltung besteht des Weiteren darin, dass die Andrückeinheit mittels einer koaxial in die Rohreinheit eingeführten Achse relativ zu der Rohreinheit gedreht wird, wobei die Achse mittels eines außerhalb oder innerhalb des Rohreinheit angeordneten Antriebs und/oder die Rohreinheit mittels eines Drehantriebs gedreht wird.
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Für die Funktion und eine Optimierung des Fertigungsprozesses sind des Weiteren die Maßnahmen von Vorteil, dass die Drehung der Andrückeinheit relativ zu der Rohreinheit und/oder der Andruck gesteuert oder geregelt durchgeführt wird.
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Hierbei bestehen weitere vorteilhafte Maßnahmen darin, dass die Steuerung oder Regelung in Abhängigkeit von geometrischen und/oder metallurgischen Materialeigenschaften der Auflageschicht erfolgt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Rohreinheit aus Außenrohr und Innenrohr mit einer eingesetzten Andrückeinheit in stirnseitiger Ansicht und
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2 eine Andrückeinheit in perspektivischer Ansicht.
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1 zeigt eine Rohreinheit 1 aus einem Außenrohr 10, das eine stabile, außenliegende metallische Trägerschicht 10 bildet, und einem Innenrohr 11, das eine im Vergleich zur Trägerschicht relativ dünne, innenliegende metallische Auflageschicht 11 bildet, sowie eine in das Innere der Rohreinheit 1 eingesetzte (schematisch dargestellte) Andrückeinheit 22, um das Innenrohr 11 in einem Einrollvorgang kraftschlüssig und dauerhaft stabil an die Innenfläche des Außenrohrs 10 anzudrücken und ein mehrlagiges, innen beschichtetes Großrohr zu erhalten. Unter dem Begriff des Großrohres sollen Rohre mit Durchmessern von mindestens 150 mm und einer Gesamtwandstärke von mindestens 5 mm verstanden werden, wobei die Dicke der Trägerschicht ein Vielfaches der Dicke der Auflageschicht betragen soll. Die Materialeigenschaften der Auflageschicht sind so gewählt, dass sie mechanischen, physikalischen und/oder chemischen Einwirkungen eines zu befördernden Gutes möglichst gut und dauerhaft wiederstehen. Hierzu ist es von erheblichem Vorteil, wenn die Materialauswahl durch das Fertigungsverfahren möglichst wenig eingeschränkt ist, was durch den Einrollvorgang erreicht wird.
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Die in das Rohrinnere eingebrachte Andrückeinheit 22 weist eine Andrückrolle 20 mit wesentlich geringerem Durchmesser als der Innendurchmesser des Innenrohres 11 auf. Die Andrückrolle 20 ist um eine parallel zur Rohrachse gerichteten Drehachse in einem Andrücklagerteil 23 drehbar gelagert. Der Andrückrolle 20 bezüglich der Rohrachse beim Anrollvorgang diametral gegenüberliegend ist eine Stützrolle 21 angeordnet, die sich auf der Innenfläche des Innenrohres 11 beim Einrollvorgang abstützt, um eine genügende Stützkraft zum Andrücken der Andrückrolle 20 beim Einrollvorgang zu bieten. Die Stützrolle 21 ist ebenfalls um eine zur Längsachse der Rohreinheit 1 parallele Drehachse drehbar gelagert und in einem Stützlagerteil 24 der Andrückeinheit 22, und zwar einer Stützeinheit 28, aufgenommen. Der Andrücklagerteil 23 und der Stützlagerteil 24 sind in der Andrückeinheit 22 diametral (in radialer Richtung) bezüglich der Rohrachse gegeneinander z. B. hydraulisch oder mittels eines mechanischen Verstellmechanismus verstellbar gelagert, wie der in 1 eingetragene Doppelpfeil zeigt. Anstelle nur einer Stützrolle können auch mehrere, vorzugsweise in gleichem Winkelabstand zur Diagonalen des Innenrohres durch die Drehachse der Andrückrolle 20 angeordnete Stützrollen 21 und/oder mehrere parallel zur Rohrachse voneinander beabstandete Stützrollen 21 vorhanden sein. Auch können anstelle nur einer Andrückrolle 20 mehrere vorhanden sein.
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Bei dem in 2 perspektivisch gezeigten Ausführungsbeispiel eines Anrollwerkzeugs 2 mit einer Andrückeinheit 22 weist der Stützlagerteil 24 beispielsweise zwei Stützrollen 21 auf, die im eingesetzten Zustand der Andrückeinheit 22 bezüglich der Diagonalen des Innenrohres 11 durch die Drehachse der Andrückrolle 20 in gleichen Winkelabständen (symmetrisch) versetzt angeordnet sind, wobei in 2 nur eine der beiden Stützrollen 21 sichtbar ist. Zum rotierenden Antrieb der Andrückeinheit 22 um eine zur Rohrachse konzentrische Rotationsachse wird diese über einen Verbindungsabschnitt 25 mit einem Zwischenteil 27 und einem Koppelteil 26 an eine (nicht gezeigte) stabile Achse bzw. Antriebswelle angeschlossen und über diese mittels eines außerhalb oder innerhalb der Rohreinheit 1 angeordneten (ebenfalls nicht dargestellten) Antriebseinheit rotierend angetrieben um die Andrückrolle 20 in Umlaufrichtung über die Innenfläche des Innenrohres 11 abzurollen und so den Einrollvorgang zum Aufbringen der Auflageschicht durchzuführen. Der Koppelteil 26 und der Zwischenteil 27 des Verbindungsabschnitts 25 sind zum Zentrieren der Andrückeinheit 22 in dem Rohrinnern gegeneinander verstellbar und der Koppelteil 26 ist flanschartig ausgestaltet, um eine stabile Verbindung mit der Stirnseite bzw. einem Gegenflansch der Drehwelle herzustellen.
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Zum Einführen der Andrückeinheit 22 bzw. des Andrückkopfs des Anrollwerkzeugs 2 in die Rohreinheit 1 können der Andrücklagerteil 23 und der Stützlagerteil 24 genügend weit diametral zusammengefahren werden, um sie anschließend in der gewünschten axialen Position auseinander zu bewegen und die Andrückrolle 20 unter Abstützung gegen die Stützrolle(n) 21 mit der erforderlichen Andrückkraft zum Einrollen des Innenrohres 11 und bilden der Auflageschicht mit der erforderlichen Druckkraft hydraulisch oder mittels einer Verstellmechanik zu beaufschlagen. Beim Einrollvorgang wird die Andruckkraft auf die Andrückrolle 20 soweit erhöht, dass beim Abrollen in Umfangsrichtung auf der Innenfläche des Innenrohres 11 dieses gegen die Innenfläche des Außenrohres 10 gepresst und örtlich plastisch so weit verformt wird, dass die gebildete Auflageschicht stabil kraftschlüssig an der Innenfläche des Außenrohres in Anlage bleibt.
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Gleichzeitig während der Drehung der Andrückeinheit 22 und damit des Abrollens der Andrückrolle 20 in Umfangsrichtung über die Innenfläche des Innenrohres 11 wird die Andrückeinheit 22 mit der Antriebswelle vorgeschoben. Die Vorschubgeschwindigkeit ist dabei so gewählt, dass der während eines Umlaufs mittels der Andrückrolle 20 plastisch verformte, schraubenlinienförmig mit geringer Steigung umlaufende Streifen von mindestens dem nächsten plastisch verformten, ebenfalls schraubenlinienförmig umlaufenden Streifen überlappt wird und sofort, bis die Auflageschicht über die gewünschte Länge in dem Außenrohr 10 angerollt ist. Durch die mindestens einfache Überlappung der umlaufenden plastisch verformten Streifen wird eine praktisch sehr glatte Struktur der Innenfläche der Auflageschicht erhalten, wie Untersuchungen der Erfinder gezeigt haben.
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Bei dem Einrollvorgang können die Umlaufgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl und der Vorschub je nach geometrischen und metallurgischen Eigenschaften auf das jeweilige Material des Innenrohres 11 optimal abgestimmt werden und auch die Querschnittskontur und/oder der Durchmesser der vorzugsweise gehärteten Andrückrolle 20 sowie auch deren Material geeignet gewählt werden.
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Die Andrückkraft der Andrückrolle 20 ist vorzugsweise so gewählt, dass das Außenrohr 10 zumindest im Wesentlichen nicht verformt wird. Dadurch wird die Gefügestruktur der Trägerschicht durch den Beschichtungsvorgang nicht negativ beeinflusst. Jedoch kann, falls erwünscht, auch eine geringe Dehnung des Außenrohres 10 innerhalb der Streckgrenze der Trägerschicht zugelassen werden.
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Als Material für das Innenrohr 11 (Schutzrohr, Linerrohr, Inliner, Liner) können alle schweißbaren, korrosionsbeständigen Stähle, Nickel, Nickellegierungen und Titan u. a. eingesetzt werden. Für das dickwandige Außenrohr (Trägerrohr) kommt bevorzugt Kohlenstoffstahl in Betracht.
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Anstelle oder zusätzlich zur Drehung der Andrückeinheit 22 beim Einrollvorgang kann die Rohreinheit 1 relativ zu der Andrückeinheit 22 gedreht werden, um den Einrollvorgang zu bewirken.
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Das beschriebene Verfahren kann auch zu einer örtlich begrenzten Herstellung oder Wiederherstellung einer mechanischen Bindung eines Rohr-in-Rohr-Systems der genannten Art eingesetzt werden. Auch mehrere aufeinander abgestimmte Innenrohre können in einem Außenrohr 10 eingesetzt und zu einer mehrlagigen Auflageschicht in der beschriebenen Weise eingerollt werden.
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Der Einrollvorgang mit der Andrückeinheit 22 lässt einen weiten Steuerungs- bzw. Regelbereich der Einrollkraft und somit des örtlichen Verformungsgrades der Auflageschicht (Inliners) zu. Die maximal mögliche kraftschlüssige Verbindung des Außenrohres 10 und des Innenrohres 11 (Rohrpartner) ist abhängig von der Dicke des Innenrohres 10, den mechanischen Eigenschaften, dem örtlichen Verformungsgrad beim Einrollen und auch von den Reibeigenschaften.
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Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, Werkstoffe des Innenrohres 11 bzw. der Auflageschicht mit einer höheren Streckgrenze im Vergleich zu dem Werkstoff des Außenrohres 10 bei der Herstellung mehrlagiger Großrohre zu verwenden. Dies bietet neben der vorteilhaften Herstellungsweise einen weiteren Vorteil gegenüber den in bekannter Weise hergestellten innen beschichteten Mehrlagenrohren z. B. mittels Hydroforming, bei denen der Werkstoff der Auflageschicht eine niedrigere Streckgrenze haben muss, damit nach der Ausdehnung des Innen- und Außenrohres und der anschließenden gemeinsamen Schrumpfung der beiden Rohre eine kraftschlüssige Verbindung entsteht.
