DE102015106570B4

DE102015106570B4 - Verfahren zum Induktionsbiegeumformen eines druckfesten Rohrs mit großer Wandstärke und großem Durchmesser

Info

Publication number: DE102015106570B4
Application number: DE102015106570.3A
Authority: DE
Inventors: August Wilhelm Schäfer
Original assignee: Aws Schafer Tech GmbH; Aws Schafer Technologie GmbH
Current assignee: Aws Schaefer Technologie De GmbH
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2035-04-29
Also published as: CA2965580C; JP2018514386A; CN107073543B; KR101986030B1; US20180036780A1; PL3288695T3; BR112017007165B1; DE102015106570A1; EP3288695B1; MX2017004427A; EP3288695A1; RU2636427C1; CA2965580A1; US10478880B2; SG11201704990YA; BR112017007165A2; KR20170138389A; WO2016173583A1; CN107073543A

Abstract

Bei einem Verfahren zum Induktionsbiegeumformen eines druckfesten Rohrs (1) mit großer Wandstärke und großem Durchmesser, insbesondere an einem Kraftwerks- und Pipelinerohr, wird in einer Anfangsphase t1 eine Anfangstangente (3) des Rohres (1) wärmebehandelt, indem die Anfangstangente (3) ohne Eingriff des Biegeschlosses (31) durch den Induktor (20) geschoben wird. Am Ende der Anfangstangente (3) wird zu einem Zeitpunkt t2 der Rohrvorschub gestoppt und der Induktor (20) wird entgegen der Vorschubrichtung entlang des Rohres (1) bewegt, während das Biegeschloss (31) an dem Rohr (1) geschlossen wird. Zum Einleiten der Biegung in einer Phase t3 wird die Verfahrgeschwindigkeit des Induktors (20) bis auf null reduziert und dieser wird in seine Biegeposition bewegt; zugleich läuft der Vorschub des Rohres (1) an. In einer Phase t4 wird mit konstanter Prozess-Vorschubgeschwindigkeit des Rohres (1) ein Rohrbogen (4) hergestellt. In einer Phase t5 wird die Vorschubgeschwindigkeit des Rohres (1) reduziert und der Induktor (20) wird entgegen der Vorschubrichtung beschleunigt, wobei das Biegeschloss (31) geöffnet wird. In einer Phase t6 wird eine Endtangente (5) durch weiteren Vorschub des Induktors in Gegenrichtung erwärmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Induktionsbiegeumformen eines druckfesten Rohrs mit großer Wandstärke und großem Durchmesser mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Zur Durchleitung von flüssigen und gasförmigen Medien unter Druck werden Rohre aus Stahl benötigt, die eine große Wandstärke besitzen, um den Beanspruchungen Stand zu halten. Solche Anforderungen gelten beispielsweise für den Transport von Heißdampf in Kraftwerken, wo Rohrbiegungen erforderlich sind, um die Rohrleitungen an die baulichen Gegebenheiten anzupassen, oder für den Transport von Rohöl in Pipelines über weite Strecken, wo in regelmäßigen Abständen Kompensatoren, sogenannte Lyrabögen, eingesetzt sind, um thermisch bedingte Längenänderungen zu kompensieren. Um einen großen Durchsatz zu ermöglichen, ist ein großer Öffnungsquerschnitt und dementsprechend ein großer Rohraußendurchmesser erforderlich. Rohre, auf die sich das vorliegende Verfahren bezieht, besitzen üblicherweise Nenndurchmesser größer 300 mm und ein Verhältnis von Durchmesser zu Wandstärke von 10:1 bis 100:1, typischerweise von 20:1 bis 70:1.
Ein solches Verfahren zum Induktionsbiegeumformen ist seit langem bekannt, beispielsweise aus der DE 2513561 A1 und ist fortlaufend verbessert worden, um trotz der enormen Abmaße sehr maßhaltige Rohrbiegungen herstellen zu können. Die Umformung derartig massiver Rohre gelingt nur durch eine induktive Erwärmung einer schmalen Ringzone bis auf eine Umformtemperatur oberhalb von 850°C. In der Wärmeeinflusszone kommt es dabei zu Gefügeänderungen im Werkstoff, bei dem es sich meist um einen Feinkornstahl handelt. Um das Gefüge nach der Warmumformung zu homogenisieren und damit die mechanischen Eigenschaften des Stahls zu verbessern, wird der Rohrbogen oftmals nachträglich bei einer Temperatur von etwa 600°C wärmebehandelt. Die geraden Rohrstücke, die sich vor und nach dem Rohrbogen anschließen und auch als Tangenten bezeichnet werden, werden durch die nachträgliche Wärmebehandlung ebenfalls beeinflusst. Da sie aber zuvor nicht im Laufe des Umformprozesses auf hohe Temperatur erwärmt wurden und ihr Gefüge daher unverändert geblieben ist, wirkt sich die nachträgliche Wärmebehandlung auf diese Teilstücke negativ aus; sie verspröden. Diese Teilstücke müssen daher abgetrennt werden und der durch Induktionsbiegeumformen hergestellte Rohrbogen muss an neue Tangenten angeschweißt werden.
Nachteilig ist dies wegen des hohen Arbeitsaufwandes insbesondere dann, wenn mehrere Rohrbiegungen, auch in unterschiedlichen Richtungen, nacheinander an demselben Rohrstück vorgenommen werden, wie dies durch die in der DE 10 2010 020 360 A1 beschriebene Vorrichtung ermöglicht wird. Die damit erreichte Vereinfachung und Beschleunigung des Leitungsbaus durch Herstellung eines dreidimensionalen Rohrgebildes in nur einem Arbeitsgang wird zunichte gemacht, wenn die geraden Tangentenstücke ersetzt werden müssen, weil zur Erreichung bestimmter Festigkeitswerte eine Wärmenachbehandlung des Rohrgebildes erforderlich ist. Um dies zu vermeiden, ist nur der Einsatz von Rohren aus höher festen Stählen und/oder mit größerer Wanddicke möglich, um nach der Wärmenachbehandlung an den Tangenten die mechanisch erforderlichen Mindest-Festigkeitswerte für das Gesamtgebilde zu behalten. Dieser Ausweg ist aber aufgrund der erheblich höheren Werkstoffpreise ebenfalls nachteilig.
Aus der US 6250124 B1 sowie der WO 8500023 A1 sind jeweils Einrichtungen zum Induktionsbiegeumformen von Rohren bekannt, bei denen der Induktor in Richtung des Rohres verfahrbar ist.
Aus der DE 2738394 A1 ist es außerdem bekannt, das Verhältnis zwischen den Geschwindigkeiten zwischen Rohr und Erhitzungsvorrichtung zu beeinflussen.
In der JP 2009-233731 A ist offenbart, mittels Erwärmen und Kühlen des Rohres die Gefügeausbildung des gebogenen Rohres zu beeinflussen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, das Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass negative Einflüsse des Umformprozesses auf die Festigkeitswerte des Werkstoffs in den sich an den Rohrbogen anschließenden Tangenten vermieden werden.
Zur Lösung sieht die Erfindung das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor.
Der erfindungsgemäße Lösungsansatz beruht darauf, die Tangenten vor und hinter der Biegung einer exakt gleichen Wärmebehandlung zu unterziehen, wie sie der Abschnitt des Rohres in der Biegung während der Umformung erfahren muss, also die Tangenten mit der gleichen Durchlaufgeschwindigkeit durch die Induktionsvorrichtung zu führen, wie der zu biegende Rohrabschnitt, und dabei außerdem die gleiche Temperatur in der Induktionsvorrichtung und auch die gleichen Kühlparameter im Anschluss daran anzuwenden. Der Unterschied beim Durchlauf der Tangenten besteht also lediglich darin, dass das Rohr während der Behandlung der Tangente nicht im Biegeschloss eingespannt ist und daher beim Vorschub keinerlei Gegenkräfte wirken.
Die alleinige Klemmung am hinteren Ende des Rohrs ohne eine weitere Abstützung ermöglicht es, unabhängig von der Einspannung des vorderen Endes in das Biegeschloss zu operieren und ermöglicht weiterhin, den Induktor ungehindert von Abstützeinrichtungen entlang der Rohrwand in Richtung des hinteren Endes zu verfahren.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine exakte Abstimmung der Bewegungen der Vorschubeinheit und des Induktors vor, die durch eine Steuerungseinheit ausgeführt und überwacht werden. Diese Schritte werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
1 eine Induktions-Rohrbiegevorrichtung in schematischer Ansicht;
2a–2d jeweils die Induktions-Rohrbiegevorrichtung in verschiedenen Stellungen während der Durchführung des Verfahrens; und
3, 4 je ein Ablaufdiagramm, in welchem Bewegungsgeschwindigkeiten über dem Weg aufgetragen sind.
1 zeigt eine Induktions-Rohrbiegevorrichtung 100, die ein ortsfestes Maschinenbett 10 umfasst, auf dem eine Haltevorrichtung 11 für ein Rohr 1 angeordnet ist. Die Haltevorrichtung 11 greift das Rohr 1 an dessen hinterem Ende und spannt es fest ein. Außerdem ist die Haltevorrichtung 11 in Richtung einer Rohrmittelachse 2, welche zugleich die Vorschubrichtung angibt, gegenüber dem Maschinenbett 10 verschiebbar. Der Vorschub erfolgt über eine Hydraulikeinheit 12.
Eine Induktionseinrichtung umfasst einen ringförmigen Induktor 20, der mit seinem Zentrum im Bereich der Rohrmittelachse 2 positioniert ist. Erfindungsgemäß ist eine lineare Verstelleinrichtung 21 vorgesehen, um den Induktor 20 relativ zum Maschinenbett 10 verfahren zu können.
Ein Biegearm 30 ist schwenkbar an einer vertikalen Biegeachse 32 gelagert, wobei der Abstand der Biegeachse 32 senkrecht zur Rohrmittelachse 2 eingestellt werden kann, um den gewünschten Biegeradius vorzugeben. Auf dem Biegearm 30 ist ein Biegeschloss 31 angeordnet, mit dem das Rohr 1 gegriffen und geklemmt werden kann.
Relativ nahe zum Induktor 20 und der Wärmeinflusszone ist eine Kühlvorrichtung angeordnet, mit der z. B. über Wasser eine Abkühlung der Oberflächentemperatur bewirkt wird, sobald der entsprechende Längenabschnitt aus der Umformzone herausgetreten ist.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Sensoren zur Aufnahme von Weg und Geschwindigkeit des Rohrs 1 sowie des Induktorrings 20 vorgesehen sowie Steuerungsmodule in einer Steuereinheit, mit denen die Wege und Geschwindigkeit sowie die Zu- und Abschaltung der Induktoreinheit in die erfindungsgemäß vorgesehenen Zusammenhänge gebracht werden.
In den 2a bis 2d sind verschiedene Stadien während der Durchführung des Verfahrens dargestellt. 3 zeigt die zugehörigen Zeitpunkte bzw. Phasen t1 bis t6 in einem Diagramm, in welchem der obere Graph die Geschwindigkeit v_R der Vorschubeinrichtung bzw. den Längsvorschub des Rohrs über dem Weg angibt und der untere Graph die Geschwindigkeit v_I des Induktors über dem Weg. Positive Geschwindigkeitswerte entsprechen einer Bewegung in Vorschubrichtung; negative Werte kennzeichnen eine gegenläufige Bewegung.
Zu dem in 2a dargestellten Startzeitpunkt ist das vordere Rohrende in den Induktorring 20 geschoben, welcher sich auf seiner axialen Ausgangsposition befindet. Im Unterschied zum Induktionsbiegeumformen nach dem Stand der Technik ist das Rohrende, das auch die vordere Tangente 3 bildet, noch nicht im Biegeschloss 31 fixiert.
Die Induktionseinrichtung 20 und die Kühleinrichtung werden eingeschaltet und der axiale Vorschub des Rohres 1 erfolgt in einer ersten Phase mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit v_R. Diese beträgt typischerweise 3 mm–200 mm pro Minute. Hierdurch wird die Tangente 3 am Rohr 1 wärmebehandelt wie bei der anschließenden Umformung, ohne dass jedoch tatsächlich eine Umformung erfolgt. Diese Phase ist in dem Zeit-Geschwindigkeits-Diagramm in 3 als t1 bezeichnet. Wie daraus ebenfalls erkennbar, liegt keine Geschwindigkeit v_I des Induktors 20 vor; dieser steht also stationär.
Um nun mit dem Biegeprozess zu beginnen, muss das Biegeschloss 31 auf dem Biegearm 30 das Rohr 1 greifen und klemmen, so dass die Kräfte eingeleitet werden können, die zur Biegung führen. Allerdings benötigt das Zufahren des Biegeschlosses 31 und das Aufbringen der Klemmkräfte eine gewisse Zeitspanne. Während des Zufahrens muss aber eine Relativbewegung zwischen Biegeschloss 31 und Rohr 1 vermieden werden. Der Biegearm 30 mit seinem Biegeschloss 31 kann aber andererseits auch nicht parallel zum Vorschub des Rohres 1 bewegt werden, weil der konstruktive Aufwand für eine solche Längsverschiebung der Lagerung des Biegearms 30 viel zu hoch wäre und weil sich dann außerdem der Abstand des Biegeschlosses 31 von der Erwärmungszone am Induktorring 20 verändern würde.
Daher ist nach der Erfindung in einer kurzen Phase t2 (vgl. 3) vorgesehen, die Relativbewegung zwischen Rohr 1 und Biegeschloss 31 dadurch aufzuheben, dass der Rohrvorschub gestoppt wird, und zugleich den Vorschub des Rohres 1 relativ zum Induktor 20 dadurch beizubehalten, dass dieser entgegengesetzt zur Vorschubrichtung und mit dem gleichen Betrag der Geschwindigkeit wie der Rohrvorschub v_R bewegt wird. Soweit ein allmähliches, lineares Abbremsen des mechanischen Rohrvorschubs notwendig ist, beginnt zugleich bereits die rückläufige Bewegung des Induktors 20, so dass die Relativgeschwindigkeit immer konstant ist, was in gleich bleibenden Abständen der beiden Graphen in 3 erkennbar ist.
Mit dem Stillstand des Rohres 1 kann das Biegeschloss 31 zugefahren werden, wie 2b zeigt. Währenddessen führt der Induktor 20 seine gegenläufige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit v_I fort. Sobald das Biegeschloss 31 das Rohr 1 geklemmt hat, wird die Induktorgeschwindigkeit v_I in der Phase t3 auf Null zurückgeführt und zugleich die Vorschubgeschwindigkeit v_R des Rohrs 1 linear erhöht. Die Geschwindigkeitsdifferenz ist immer gleich, so dass die Durchlaufgeschwindigkeit jedes differentiellen Längenabschnitts am Rohr 1 durch den Induktor 20 gleich ist und stets derselbe Energieeintrag erfolgt. Der Induktor 20 bewegt sich während t3 zurück in seine Ausgangsposition, die der Arbeitsposition für den Biegevorgang entspricht.
Soll nun ein Rohrbogen hergestellt werden, kann die Anfangsstelle der Biegung, die am Ende der Phase t3 vorliegt, beliebig auf der Längsachse 2 des Rohres 1 liegen. Hingegen müssen die vorstehend beschriebenen Vorgänge bei t1, t2 und t3 mit einem genau berechneten Vorlauf begonnen werden, damit eine bestimmte axiale Rohrposition für den Beginn der Biegung erreicht wird, wenn die Biegung begonnen wird.
Während der Phase t4 erfolgt das an sich bekannte Induktionsbiegeumformen zur Herstellung eines Rohrbogens 4 mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit v_R und stationärem Induktor 20, wie in 2c dargestellt.
Um nach der Fertigstellung des Rohrbogens 4 auch eine hintere Tangente 5 am Rohr 1 der gleichen Wärmebehandlung zu unterziehen, erfolgen die Bewegungen von Rohr 1 und Induktor 20 entgegen gesetzt zu dem oben beschriebenen Startvorgang.
Kurz vor Erreichen der vorgesehenen Bogenlänge wird in Phase t5 der Rohrvorschub allmählich abgebremst und zugleich startet die gegenläufige Bewegung des Induktors 20, und zwar mit einer solchen Geschwindigkeit, dass die Relativbewegung zwischen Rohr 1 und Induktor 20 konstant bleibt. Dadurch bleibt auch die Verweilzeit jedes Längenabschnitts des Rohrs 1 in der wandernden Wärmeeinflusszone konstant. Bei Stillstand des Rohres 1 kann das Biegeschloss 31 geöffnet werden. Damit ist das Rohr 1 nun völlig ungehindert durch den Biegearm 30.
Um nur eine kurze endseitige Tangente 5 am Rohr 1 zu behandeln, kann der Induktor 20 einfach in Phase t6 mit konstanter Geschwindigkeit v_I bis in eine über dem Maschinenbett 10 liegende Endposition verfahren werden, siehe 2d. Dort wird dann der Induktor 20 gestoppt und die Induktionseinrichtung abgestellt. Das nicht wärmebehandelte Reststück am Rohr 1 wird gekennzeichnet und direkt abgetrennt, spätestens aber nach der Wärmebehandlung des so hergestellten Rohrbogens 3 mit seinen endseitigen Tangentenabschnitten 3, 4.
Um eine längere Tangente 5 zu erhalten, insbesondere eine Tangente 5, an die sich unmittelbar eine weitere Rohrbiegung anschließt, kann das Verfahren fortgesetzt werden, wie aus dem weiteren Ablaufdiagramm nach 4 ersichtlich. Dazu wird in der Phase t7, in gleicher Weise wie in Phase t3, der Längsvorschub des Rohres 1 allmählich aufgenommen werden und der Induktor 20 in seine Ausgangsposition zurückgeführt. Nun kann in Phase t8 bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit die Wärmebehandlung der Tangente 5 solange fortgesetzt werden, wie es erforderlich ist, um eine ausreichend lange, wärmebehandelte Tangente 5 zu erhalten. Das Biegeschloss 31 ist in dieser Phase unbeteiligt. Die Phase t8 entspricht somit der Phase t1.

Claims

Verfahren zum Induktionsbiegeumformen eines druckfesten Rohrs (1) mit großer Wandstärke und großem Durchmesser, mit wenigstens folgenden Schritten – Lagerung des unbearbeiteten Rohrs (1) auf einem Maschinenbett (10) – Vorschub des Rohres (1) durch einen ringförmigen Induktor (20) einer elektrischen Induktionseinheit; – Klemmung des vorderen Rohrabschnitts (3) in einem Biegeschloss (31), das auf einem Biegearm (30) gelagert ist, der um eine seitlich des Rohrs (1) angeordnete vertikale Drehachse (32) schwenkbar ist. – Strombeaufschlagung der Induktionseinrichtung zur Erwärmung eines innerhalb des Induktors (20) liegenden Rohrabschnitts; – Auslenken des Biegearms (30) durch Längsvorschub des Rohrs (1) bis zum Fertigstellen eines Rohrbogens (4); dadurch gekennzeichnet, – dass das Rohr (1) mit seinem hinteren Ende in einer auf dem Maschinenbett (10) in Richtung einer Rohrlängsachse (2) verschiebbar gelagerten Haltvorrichtung (11) eingespannt wird, – dass in einer Anfangsphase t1 eine Anfangstangente (3) des Rohres (1) wärmebehandelt wird, indem die Anfangstangente (3) ohne Eingriff des Biegeschlosses (31) durch den Induktor (20) geschoben wird; – dass am Ende der Anfangstangente (3) zu einem Zeitpunkt t2 der Rohrvorschub gestoppt wird und der Induktor (20) entgegen der Vorschubrichtung entlang des Rohres (1) bewegt wird, während das Biegeschloss (31) an dem Rohr (1) geschlossen wird; – dass zum Einleiten der Biegung in einer Phase t3 die Verfahrgeschwindigkeit v_I des Induktors (20) bis auf null reduziert wird und dieser in seine Biegeposition bewegt wird und dass zugleich der Vorschub des Rohres (1) anläuft bis zum Erreichen einer Prozess-Vorschubgeschwindigkeit v_R; – dass in einer Phase t4 mit konstanter Prozess-Vorschubgeschwindigkeit v_R des Rohres (1) ein Rohrbogen (4) hergestellt wird, – dass in einer Phase t5 die Vorschubgeschwindigkeit v_R des Rohres (1) reduziert wird und der Induktor (20) entgegen der Vorschubrichtung beschleunigt wird, wobei das Biegeschloss (31) geöffnet wird; – dass in einer Phase t6 eine Endtangente (5) durch weiteren Vorschub des Induktors in Gegenrichtung erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (20) in eine Anfangsposition bewegt wird, die in Vorschubrichtung gesehen vor einer Biegeposition liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (20) vor Beginn der Phase t1 von einer in Vorschubrichtung gesehen rückwärtigen Position in seine Ausgangsposition verfahren wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (20) während der Phase t1 von einer in Vorschubrichtung gesehen rückwärtigen Position in seine Ausgangsposition verfahren wird, wobei die Vorschubgeschwindigkeit v_R des Rohres (1) um die Verfahrgeschwindigkeit v_I des Induktors (20) erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativgeschwindigkeit als Differenz zwischen der Vorschubgeschwindigkeit v_R des Rohres (1) und der Verfahrgeschwindigkeit v_I des Induktors (20) in den Phasen t1 bis t6 konstant ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das druckfeste Rohr (1) mit großer Wandstärke und großem Durchmesser ein Kraftwerks- oder Pipelinerohr ist.