DE102015121147B4

DE102015121147B4 - Verfahren zur Herstellung von Verbundrohren aus Stahl

Info

Publication number: DE102015121147B4
Application number: DE102015121147.5A
Authority: DE
Inventors: Holger Brauer; Björn Ehlers
Original assignee: Salzgitter Mannesmann Grossrohr GmbH; Salzgitter Mannesmann Line Pipe GmbH
Current assignee: Salzgitter Mannesmann Grossrohr GmbH; Salzgitter Mannesmann Line Pipe GmbH
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2018-08-23
Anticipated expiration: 2035-12-05
Also published as: DE102015121147A1; WO2017092729A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Verbundrohren aus Stahl, bestehend aus mindestens einem Innenrohr (2) und einem Außenrohr (1), die zumindest abschnittweise stoffschlüssig mittels Schweißen miteinander verbunden werden,
wobei auf das Innenrohr (2) schraubenlinienförmig ein Stahlband (B) zu einem Schlitzrohr gewickelt wird, wobei die sich gegenüberliegenden Bandkanten der einzelnen Windungen des Schlitzrohres zur Fertigstellung des Außenrohres (1) miteinander verschweißt werden und wobei im Zuge des Verschweißens der Bandkanten gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Innenrohr (2) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass zur Herstellung des Außenrohres (1) die Bandkanten des Stahlbandes (B) zunächst mittels einer Heftnahtschweißung miteinander verbunden werden und im Zuge der Heftnahtschweißung gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Innenrohr (2) erzeugt wird und wobei anschließend die Fertigschweißung des Außenrohres (1) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbundrohren als Rohr-in-Rohr-System, bestehend aus mindestens einem Innenrohr und einem Außenrohr aus Stahl, die stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Derartige Verbundrohre können beispielsweise einen Außendurchmesser von 114 mm bis 1422 mm aufweisen, wobei die Wanddicken von Außen- und Innenrohr 3 mm bis 25,4 mm betragen können.
Aus solchen Verbundrohren werden medienführende Rohrleitungen hergestellt, bei denen besondere Beanspruchungen seitens des zu transportierenden Mediums vorliegen. Ein Verbundrohr ist im einfachsten Fall ein Doppelwandrohr und zeichnet sich üblicherweise dadurch aus, dass ein die Statik übernehmendes äußeres Rohr als Tragrohr fungiert und das Innenrohr besondere funktionale Eigenschaften aufweist, wie zum Beispiel erhöhte Korrosions- oder Verschleißbeständigkeit. Dementsprechend können unterschiedliche Werkstoffpaarungen zum Einsatz kommen, wobei das äußere Rohr zum Beispiel aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl und das Innenrohr aus legiertem oder hochlegiertem Stahl bestehen kann. Ein Verbundrohr kann aber auch aus mehr als zwei miteinander verbundenen Rohren bestehen. Zur Herstellung von Doppelwandrohren als Verbundrohr sind zum Beispiel „Cladded Pipes“ und „Lined Pipes“ bekannt.
„Cladded Pipes“ bestehen im Regelfall aus einem metallurgischen Verbund zwischen einem unlegierten bzw. niedriglegierten Stahl und einer Schicht aus legiertem oder hochlegiertem Stahl. Ein typisches Herstellverfahren ist hier das Plasmaauftragsschweißen.
Beim „Lined Pipe“ wird im einfachsten Fall ein dünnwandiges Rohr aus hochlegiertem bzw. legiertem Stahl in das Rohr aus niedrig- oder unlegiertem Stahl eingeschoben. Ein formschlüssiger Verbund entsteht hier durch das gezielte Aufweiten des Innenrohres durch Innendruck. Das Rohr wird dazu an den Enden mit Dichtköpfen verschlossen und mit Wasser gefüllt. Durch Erhöhung des Innendrucks und dem gleichzeitigen Nachführen von Wasser weitet sich das Rohr. Bei diesem Aufweiteprozess hat das Rohr aus legiertem oder hochlegiertem Stahl das Bestreben sich zusammenzuziehen. Das Material für die Aufweitung stammt zum Teil aus dem Umfang, zum Teil aber auch aus der Rohrlänge. Derartige Prozesse erfordern daher entweder das Verschweißen der beiden Rohre oder aber das Nachfahren der Dichteinheit, wobei die Rohre in der Herstelllänge auf diesen Prozess abgestimmt werden müssen.
Ein Beispiel für ein Herstellungsverfahren, bei dem das Aufweiten und Verbinden durch hydraulischen Innendruck erfolgt, ist aus der DE 10 2010 044 463 A1 bekannt. Wesentlich ist hier, dass der Druck und die Durchmesser der beiden Rohre so aufeinander abgestimmt werden, dass es gleichzeitig sowohl zu einer plastisch aufweitenden Verformung des Innenrohres wie auch zu einer elastisch aufweitenden Verformung des Außenrohres kommt. Durch die elastische Rückfederung des äußeren Rohres entsteht dann eine kraftschlüssige Schrumpfverbindung. Für die Druckeinleitung müssen die Rohrenden dicht verschlossen werden, wobei im Allgemeinen vorher zur Fixierung der ineinander geschobenen Rohre die Enden miteinander verschweißt werden. Eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Rohre kann nur durch nachträgliches Verschweißen zum Beispiel an den Stirnseiten der Rohre erfolgen.
Des Weiteren ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 019 046 A1 ein Verbundrohr, bestehend aus zwei bzw. drei ineinandergeschobenen Rohren bekannt, wobei Innen- und/oder Außenrohr spiralnahtgeschweißte Stahlrohre sind. Zur Herstellung des Verbundrohres werden die Stahlrohre ineinander gesteckt und anschließend über am Innen- oder Außenrohr eingebrachte Schweißöffnungen zumindest abschnittweise stoffschlüssig miteinander verbunden.
Diese Art der Herstellung von mittels Schweißen stoffschlüssig verbundenen Rohren ist sehr zeit- und kostenaufwändig, da eine Vielzahl separater Schweißöffnungen in das Innen- oder Außenrohr eingebracht und eine entsprechende Anzahl an Schweißverbindungen hergestellt werden müssen.
Aus der JP H09-122919 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Verbundrohren bekannt bei dem ein Innenrohr und ein Außenrohr zumindest abschnittweise stoffschlüssig mittels Schweißen miteinander verbunden werden. Dabei wird auf das Innenrohr aus Stahl ein Metallband schraubenlinienförmig zu einem Schlitzrohr mit sich überlappenden Rändern gewickelt, wobei die übereinander liegenden Ränder der einzelnen Windungen zur Fertigstellung des Außenrohres miteinander verschweißt werden und wobei im Zuge des Verschweißens der Bandränder gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Innenrohr erzeugt wird.
Aus der FR 1200216 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Verbundrohren bekannt, bei dem ein Metallband chraubenlinienförmig zu einem Schlitzrohr gewickelt wird und gleichzeitig auf dieses Schlitzrohr schraubenlinenförmig ein zweites Metallband zu einem Schlitzrohr gewickelt wird, wobei die sich gegenüber liegenden Bandkanten der einzelnen Windungen der Schlitzrohre zur Fertigstellung eines Innenrohres und eines Außenrohres miteinander verschweißt werden. Im Zuge des Verschweißens der Bandkanten des Innenrohres wird gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Außenrohr und im Zuge des Verschweißens der Bandkanten des Außenrohres gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Innenrohr erzeugt.
Aufgabe der Erfindung ist es, Verbundrohre als Rohr-in-Rohr-System aus mittels Schweißen stoffschlüssig verbundenen Rohren einfacher und kostengünstiger herzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Kerngedanke dieser Idee ist es, dass die stoffschlüssige Verbindung von Innen- und Außenrohr mittels Verschweißen nicht durch zusätzliche Fertigungsschritte erfolgt, sondern das Verschweißen von Innen- und Außenrohr im Zuge der Herstellung des Außenrohres erfolgt. Da das Außenrohr erfindungsgemäß als ein Schraubennahtrohr, auch Spiralnahtrohr genannt, ausgebildet ist, kann der Schweißprozess zur Herstellung des Rohres vorteilhaft dazu verwendet werden, eine Schweißverbindung gleichzeitig mit dem Innenrohr herzustellen. Auf diese Weise lassen sich sehr wirtschaftlich Mehrlagenrohre mit zwei, drei oder mehr Lagen herstellen.
Bei Herstellung von Schraubennahtrohren ist es bekannt, die Bandkanten des Schlitzrohres zunächst mit einer Heftnaht zum Beispiel mittels Schutzgasschweißen zu verschweißen und anschließend mittels Unterpulverschweißen in einer oder mehreren Lagen fertig zu schweißen. Bekannt ist auch, die Bandkanten des Schlitzrohres ohne vorheriges Heften direkt in einer oder mehreren Schweißlagen miteinander zu verbinden. Alternativ zu den vorgenannten Schweißverfahren zum Verbinden der Bandkanten, kann zum Beispiel auch das Laserstrahlschweißen zur Anwendung kommen.
Die Erfindung macht sich diesen bekannten Herstellprozess zu Nutze, um in einem Arbeitsgang gleichzeitig mit der Herstellung des Außenrohres eine Schweißverbindung mit dem innenliegenden Rohr zu erzeugen. Gegenüber dem Stand der Technik werden durch diese erfindungsgemäße Herstellungsweise von Verbundrohren Fertigungszeit, zusätzliche Fertigungsschritte zum stoffschlüssigen Verbinden der Rohre und damit Herstellkosten gespart.
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung eines aus mindestens zwei Rohren bestehenden Verbundrohres durch Verbinden eines Außen- mit einem Innenrohr, wobei zumindest das äußere Rohr durch eine Spiralnahtschweißung hergestellt wird. Das innere Rohr kann nahtlos oder als längs- oder spiralnahtgeschweißtes Rohr ausgeführt sein. Zunächst wird das innere Rohr gefertigt und, so vorhanden, die Schweißnaht spezifikationsgerecht mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren, wie zum Beispiel mittels Ultraschall, Wirbelstrom, Streufluss oder Röntgen, geprüft.
Um dieses Rohr wird dann ein Stahlband so gewickelt, dass ein Schlitzrohr entsteht, wobei die sich gegenüber liegenden Bandkanten des Schlitzrohres anschließend verschweißt werden.
Die Herstellung der Schweißverbindung und die gleichzeitige Verbindung mit dem Innenrohr kann dann erfindungsgemäß auf zwei Arten erfolgen. Zum einen direkt beim „Heften“ des Spiralnahtrohres. Die Heftnaht des äußeren Rohres dient dabei nicht nur als Wurzellage sondern auch als Verbindungsnaht zwischen dem äußeren und inneren Rohr. Das innere Rohr kann dabei gleichzeitig als Wurzelbadsicherung dienen. Anschließend erfolgt die Erstellung der Decklagen zum Beispiel mittels Unterpulver-Schweißverfahren. Für ein einwandfreies Verbinden des Außenrohrs mit dem Innenrohr, sollte das Außenrohr möglichst spaltfrei auf dem Innenrohr aufliegen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist es auch denkbar, das äußere Spiralnahtrohr erst zu heften, dann das fertige Innenrohr in das Spiralnahtrohr einzuschieben. Abhängig von der Länge des in das Außenrohr einzuschiebenden Innenrohres, muss der Außendurchmesser des Innenrohres kleiner sein als der Innendurchmesser des Außenrohres, um es problemlos einschieben zu können. Eventuell kann es dann für eine einwandfreie Schweißverbindung des Außenrohres mit dem Innenrohr notwendig sein, das Innenrohr leicht aufzuweiten, um es an das äußere Rohr anzuschmiegen und dann die Verbindungsnaht mit dem Innenrohr beim Fertigschweißen zu erzeugen.
Hierbei wird dann die Schweißnaht, insbesondere Unterpulver-Schweißnaht bis auf das innere Rohr „durchgeschweißt“. Die anschließende zerstörungsfreie Prüfung der äußeren Spiralnaht erfolgt dann zum Beispiel mittels bekanntem röntgenografischen Prüfverfahren oder anderen zerstörungsfreien Prüfverfahren.
Als Innenrohr ist auch die Verwendung eines Mehrlagenrohres denkbar, um ein drei- oder mehrlagiges Rohr herzustellen. Ein dreilagiges Rohr kann zum Beispiel aus einem Trägerrohr in der Mitte bestehen, welches statische Funktionen übernimmt und einem Innen- und Außenrohr, welche im Hinblick auf verstärkte Korrosions- und/oder Verschleißbeanspruchungen ausgelegt sind. Das mittlere Rohr kann dabei aus unlegiertem Stahl und die außenliegenden Rohre aus niedrig- oder hochlegiertem Stahl bestehen.
Aus der schematischen Darstellung in den Zeichnungen der 1 und 2 ergibt sich das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise.
In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohres aus Stahl in einer ersten Variante dargestellt. Bei dem fertigen Verbundrohr sind das Außenrohr mit 1 und das Innenrohr mit 2 bezeichnet. Bei dieser Verfahrensvariante wird auf das fertige Innenrohr 2 schraubenlinienförmig ein Stahlband B zu einem Schlitzrohr gewickelt, wobei die sich gegenüber liegenden Kanten des Stahlbandes B der einzelnen Windungen des Schlitzrohres miteinander verschweißt werden, so dass ein Außenrohr 1 entsteht. Die Schweißung wird dabei mittels eines Schweißkopfes 5 durchgeführt.
Erfindungsgemäß werden bei dieser Variante zunächst mittels einer Heftnaht 3 die Bandkanten des auf das Innenrohr 2 gewickelten Stahlbandes B miteinander verbunden, wobei im Zuge des Verschweißens der Bandkanten gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Innenrohr 2 erzeugt wird. Die Heftnaht 3 wird dabei so ausgeführt, dass auch geringfügige Spalten zwischen Innenrohr 2 und dem darauf aufgewickelten Stahlband B überbrückt werden und somit über die gesamte Länge der zu verschweißenden Bandkanten ein stoffschlüssiger Verbund mit dem Innenrohr 2 gegeben ist. Nach der Heftnahtschweißung wird dann die Decklage 4 des Außenrohres 1 in einer oder mehreren Schweißlagen fertiggestellt (hier nicht dargestellt). In 1 ist im dargestellten Schnitt A-A das Verbundrohr, hergestellt aus einem Innenrohr 2 und damit mittels einer Heftnaht 3 stoffschlüssig verbundenem Außenrohr 1, dargestellt.
Eine zweite Verfahrensvariante zeigt 2. Hier werden zur Herstellung des Außenrohres 1 die Bandkanten des schraubenförmig eingeformten Stahlbandes B zunächst mittels einer Heftnahtschweißung miteinander verbunden (hier nicht dargestellt). Anschließend wird das bereits vorab gefertigte Innenrohr 2 in das geheftete Außenrohr 1 eingeschoben. Im Zuge der Fertigschweißung des Außenrohres 1 mit einer Decklage 4 wird die Schweißung mit einer solchen Streckenenergie ausgeführt, dass die Heftnaht 3 wieder aufgeschmolzen und gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Innenrohr 2 erzeugt wird. Die Schweißung wird dabei mittels eines Schweißkopfes 5' durchgeführt. Das fertige Verbundrohr ist im Schnitt A-A dargestellt.
Zur Minimierung von Spalten zwischen dem Außenrohr 1 und dem darin eingeschobenen Innenrohr 2 kann es zum besseren Anschmiegen des Innenrohres 2 an das Außenrohr 1 für die Fertigschweißung notwendig sein, das Innenrohr 2 nach dem Einschieben in das heftnahtgeschweißte Außenrohr 1 geringfügig aufzuweiten.
Bezugszeichenliste

1: Außenrohr
2: Innenrohr
3: Heftnaht
4: Decklage
5,5': Schweißkopf
B: Stahlband

Claims

Verfahren zur Herstellung von Verbundrohren aus Stahl, bestehend aus mindestens einem Innenrohr (2) und einem Außenrohr (1), die zumindest abschnittweise stoffschlüssig mittels Schweißen miteinander verbunden werden, wobei auf das Innenrohr (2) schraubenlinienförmig ein Stahlband (B) zu einem Schlitzrohr gewickelt wird, wobei die sich gegenüberliegenden Bandkanten der einzelnen Windungen des Schlitzrohres zur Fertigstellung des Außenrohres (1) miteinander verschweißt werden und wobei im Zuge des Verschweißens der Bandkanten gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Innenrohr (2) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Außenrohres (1) die Bandkanten des Stahlbandes (B) zunächst mittels einer Heftnahtschweißung miteinander verbunden werden und im Zuge der Heftnahtschweißung gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Innenrohr (2) erzeugt wird und wobei anschließend die Fertigschweißung des Außenrohres (1) erfolgt.
Verfahren zur Herstellung von Verbundrohren aus Stahl, bestehend aus mindestens einem Innenrohr (2) und einem Außenrohr (1), die zumindest abschnittweise stoffschlüssig mittels Schweißen miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Außenrohres (1) ein Stahlband (B) schraubenlinienförmig zu einem Schlitzrohr geformt wird, wobei die sich gegenüber liegenden Bandkanten des Stahlbandes (B) zunächst mittels einer Heftnahtschweißung miteinander verbunden werden, anschließend das schon vorab gefertigte Innenrohr (2) in das geheftete Außenrohr (1) eingeschoben und anschließend im Zuge der Fertigschweißung des Außenrohres (1) die Heftnaht (3) wieder aufgeschmolzen und gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Innenrohr (2) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anschmiegen des Innenrohres (2) an das Außenrohr (1) für die Fertigschweißung das Innenrohr (2) nach dem Einschieben in das heftnahtgeschweißte Außenrohr (1) aufgeweitet und das Außenrohr (1) anschließend fertiggeschweißt und mit dem Innenrohr (2) stoffschlüssig verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Innenrohr (2) ein längsnahtgeschweißtes, schraubenlinienförmig geschweißtes oder nahtloses Rohr verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Außen- (1) und Innenrohr (2) aus unterschiedlich legierten Werkstoffen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem zweilagigen Verbundrohr ein drei- oder mehrlagiges Verbundrohr erzeugt wird, wobei auf das Außenrohr (1) des zweilagigen Verbundrohres mindestens ein weiteres Stahlband (B) schraubenlinienförmig gewickelt wird welches anschließend beim Verschweißen der Bandkanten mit dem jeweils darunter liegenden Rohr stoffschlüssig verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem dreilagigen Verbundrohr das mittlere Rohr aus unlegiertem Stahl und die außenliegenden Rohre aus niedrig- oder hochlegiertem Stahl erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1,3-7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem geschweißten Innenrohr (2) vor dem schraubenlinienförmigen Umwickeln mit einem Stahlband (B) die Schweißnaht einer zerstörungsfreien Prüfung unterzogen wird und anschließend die Schweißnaht des fertigen mit dem Innenrohr (2) verschweißten Außenrohres (1) ebenfalls einer zerstörungsfreien Prüfung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als zerstörungsfreie Prüfverfahren Ultraschall, Wirbelstrom, Streufluss oder Röntgen angewendet werden.