DE10244060A1

DE10244060A1 - Verfahren zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit bei geschweißten Rohren

Info

Publication number: DE10244060A1
Application number: DE10244060A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Knauf; Ulrich Marewski; Oscar Reepmeyer
Original assignee: Mannesmannroehren Werke AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2003-04-30
Also published as: DE50202652D1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit bei geschweißten Rohren, insbesondere längsnahtgeschweißten Großrohren, mit einer einen Überhang auf der Innen- und Außenseite aufweisenden Schweißnaht. Dabei wird der sich nach dem Schweißen ergebende scharfkantige geometrische Übergang von der Schweißnaht zum angrenzenden Rohrkörper durch eine spanabhebende Bearbeitung mindestens auf der Innenseite abgerundet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit bei geschweißten Rohren, insbesondere längsnahtgeschweißte Großrohre, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Pipelines für Fluide, bei Lagerbehältern und Druckgasspeichern sind zeitlich veränderliche Innendruckbeanspruchungen die bestimmende Größe für die Dimensionierung der verwendeten Rohrkomponenten. Die für veränderliche Innendruckbeanspruchungen eingesetzten Rohrkomponenten sollten deshalb eine möglichst hohe Ermüdungsfestigkeit aufweisen.

Die Ermüdungs- bzw. Schwellfestigkeit von geschweißten Rohren wird im wesentlichen durch die starke Kerbwirkung der Schweißnaht eingeschränkt. Gegenüber nahtlosen Rohren wird daher im geltenden Regelwerk die Schwellfestigkeit geschweißter Rohre deutlich geringer eingestuft.

Aus der DE-OS 26 02 639 ist ein Verfahren und eine Maschine zum Bearbeiten wendelförmiger geschweißter Rohre bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Schweißnahtüberhöhung an der Innen- und Außenseite des Rohres gleichzeitig und jeweils an der gegenüberliegenden Schweißnahtstelle und dem Schweißnaht-Wendelverlauf folgend bis maximal auf Rohrwanddicke spanabhebend abgearbeitet. Die spanabhebende Bearbeitung erfolgt wahlweise durch Fräsen oder Schleifen.

Die Schweißnahtüberhöhung wird soweit abgearbeitet, dass die dann entstehende ebene Nahtfläche bündig mit der Außen- und Innenfläche des Rohres verläuft. Durch die Beseitigung der Schweißnahtüberhöhung auf der Innen- und Außenseite wird die Bruchdehnung und Biegefestigkeit des Rohres erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Bearbeitung des Schweißnahtbereiches anzugeben, das mit geringem Aufwand bei geschweißten Rohren zu einer signifikanten Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit führt.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.

Nach der Lehre der Erfindung wird der sich nach dem Schweißen ergebende scharfkantige geometrische Übergang von der Schweißnaht zum angrenzenden Rohrkörper durch eine spanabhebende Bearbeitung mindestens auf der Innenseite abgerundet. Die Abrundung ist vorzugsweise ein Radius, kann aber auch eine beliebig stetige Krümmung sein. Als effektiv hat sich herausgestellt, wenn der Abrundungsradius größer 2 mm ist. Vorzugsweise liegt der Abrundungsradius im Bereich von 4-15 mm. Die spanende Bearbeitung kann ein Fräsen oder ein Schleifen sein.

Der Vorschlag, den Übergang abzurunden, bietet gegenüber einem kompletten Abtrag der Nahtüberhöhung den Vorteil eines deutlich geringeren Arbeitsaufwandes sowie der einfacheren Realisierung mittels einer automatischen Schleifmaschine. Darüber hinaus besteht nicht die Gefahr, dass nach dem Abschleifen ein Absatz zwischen der Schweißnahtkante und dem Rohrkörper verbleibt.

Versuche haben ergeben, dass insbesondere die Abrundung der Nahtüberhöhung auf der Innenseite den größten Effekt bringt. Die Beseitigung des scharfkantigen Übergangs auf der Außenseite bringt zwar noch eine weitere Verbesserung, steht oftmals aber nicht mehr in einem vernünftigen Verhältnis zum erhöhten Aufwand.

Die praktische Bedeutung des beschriebenen Verfahrens besteht in

- einer deutlichen Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten Rohren;
- der einfacheren Realisierung und sichereren Durchführung.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von einem in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch den Schweißnahtbereich eines geschweißten Rohres mit abgerundetem Übergang,
Fig. 2 als Diagramm die Abhängigkeit der Formzahl K_t vom Abrundungsradius und der Wanddicke des Rohres,
Fig. 3 als Diagramm die Abhängigkeit der Schwellspannung und Lastwechselanzahl von der Formzahl K_t.
In Fig. 1 ist in der rechten Bildhälfte der Zustand des unbehandelten Schweißnahtbereiches dargestellt. Die in der Darstellung verwendeten Buchstaben haben die nachfolgende Bedeutung

p_i = Innendruck (schweifend)
s = Rohrwanddicke
t_a = Schweißnahtüberhang außen
t_i = Schweißnahtüberhang innen
r_a = scharfkantiger Übergang außen
r_i = scharfkantiger Übergang innen
R_a = Abrundungsradius außen
R_i = Abrundungsradius innen.
Charakteristisch für den unbehandelten Schweißnahtbereich ist der scharfkantige Übergang r_a, r_i von der Schweißnaht 1 zum angrenzenden Rohrkörper 2 sowohl auf der Außen- als auch auf der Innenseite. Dieser scharfkantige Übergang r_a, r_i mindert die Ermüdungsfestigkeit, insbesondere bei schwellender Innendruckbelastung p_i. Diese tritt auf, wenn das Rohr als Speicher benutzt wird, der häufig beladen und entladen wird.
Die linke Bildhälfte zeigt den behandelten Schweißnahtbereich. In diesem Ausführungsbeispiel ist sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite der Übergang stark abgerundet mit einem Radius R_a, R_i von mindestens 2 mm. Die Spannungserhöhung infolge der unbehandelten Schweißnaht lässt sich mittels der Formzahl unter Zuhilfenahme der Beziehung:

abschätzen. Sie ist eine rein geometrische Größe und gibt die Größe der Spannungsspitze im Verhältnis zum ungestörten Rohrquerschnitt an. Die in der aufgestellten Beziehung verwendeten Buchstäben haben die folgende Bedeutung.
A = Übergang (wahlweise kann, r_i, r_a, R_i, R_a eingesetzt werden)
t = Nahtüberhöhung (wahlweise kann t_i oder t_a eingesetzt werden)
s = Rohrwanddicke.
Eine Verminderung der Formzahl K_t wird durch Abrundung des ursprünglichen scharfen Überganges r_i bzw. r_a auf den Radius R_i bzw. R_a erreicht, der infolge eines Schleif- oder Fräsvorganges erzeugt wird. Die Abhängigkeit zwischen der Formzahl und der Größe des Abrundungsradius zeigt Fig. 2.
Die Formzahl K_t bestimmt im wesentlichen die Zeit- und Dauerfestigkeitseigenschaften des geschweißten Rohres. In Fig. 3 ist beispielhaft die Abhängigkeit der Schwellfestigkeit eines geschweißten Rohres (R_m ≍ 600 MPa) von der Größe der Formzahl K_t dargestellt. So lässt sich z. B. durch eine Verminderung des Formfaktors K_t = 5 auf K_t = 2 eine Erhöhung der Dauerfestigkeit um den Faktor 2 und eine Verzehnfachung der zulässigen Lastspielamplituden im Zeitfestigkeitsbereich erreichen.

Claims

1. Verfahren zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit bei geschweißten Rohren, insbesondere längsnahtgeschweißte Großrohre, mit einer einen Überhang auf der Innen- und Außenseite aufweisenden Schweißnaht, dadurch gekennzeichnet, dass der sich nach dem Schweißen ergebende scharfkantige geometrische Übergang von der Schweißnaht zum angrenzenden Rohrkörper durch eine spanabhebende Bearbeitung mindestens auf der Innenseite abgerundet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der scharfkantige Übergang auch auf der Außenseite abgerundet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrundung ein Radius ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abrundungsradius mindestens 2 mm beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abrundungsradius im Bereich von 4-15 mm liegt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die spanabhebende Bearbeitung ein Fräsen ist.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die spanabhebende Bearbeitung ein Schleifen ist.