DE112011101975T5 - Verfahren zum Aufbringen einer Schutzumhüllung auf Rohre - Google Patents
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Abstract
Description
- QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
- Diese Anmeldung ist eine Continuation-in-Part zu der am 8. Juni 2010 eingereichten Vorläufigen US-Patentanmeldung 61/352.448 und bezieht deshalb diese Vorläufige Patentanmeldung ein und beansprucht Priorität aus dieser Anmeldung und den Vorteil ihres früheren Einreichungsdatums.
- TECHNISCHES GEBIET
- Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Ummanteln von Rohren, genauer auf ein Verfahren zum Umwickeln der äußeren Oberfläche von Rohren mit Materialstreifen, um sie zu ummanteln.
- ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
- Rohre für die Erzeugung von Dampf innerhalb eines Kessels sind korrosiven und erosiven Umgebungen ausgesetzt, die infolge der Abnahme der Wanddicke, die zum Bruch führt, den vorzeitigen Ausfall der Rohre verursachen.
- Der erzeugte Dampf wird üblicherweise beim Betrieb einer Turbine zur Erzeugung von elektrischem Strom und in chemischen Prozessen zum Bereitstellen von Energie, um eine chemischen Reaktion einzuleiten, verwendet. Einige Kessel haben eine oder mehr Wände, die jeweils durch eine Vielzahl von Rohren gebildet werden, wobei die Wände so aneinander befestigt sind, dass sie eine Verbrennungskammer innerhalb des Kessels umgeben. Zusätzliche Gruppen von Rohren können innerhalb der Verbrennungskammer angeordnet sein.
- Jedes der Rohre hat außerdem eine Innenfläche, die einen durch sie verlaufenden Durchgang festlegt. Ein Ende jedes aus der Vielzahl der Rohre kann in strömungstechnischer Verbindung mit einem Sammler zur Wasserversorgung stehen, während ein gegenüberliegendes Ende jedes aus der Vielzahl der Rohre in strömungstechnischer Verbindung mit einem Dampfsammler stehen kann. Während des Betriebes des Kessels findet die Verbrennung allgemein in der Verbrennungskammer statt und erwärmt das durch die Durchgänge strömende Wasser, wodurch sie Dampf erzeugt, der in den Dampfsammler eingespeist wird. Die äußeren Oberflächen der Rohre in der Verbrennungskammer und im gesamten Kessel sind dem Brennstoff, der Verbrennung, der Wärme und Nebenprodukten der Verbrennung, welche die Rohre korrodieren, ausgesetzt. Als Folge davon wird die Lebensdauer der Rohre verkürzt.
- Bisher ist eine Reihe von Verfahren angewandt worden, bei denen Standardrohre zusätzlich mit Schutzumhüllungen versehen wurden mit dem Ziel, ihre Widerstandsfähigkeit im Sinne einer erhöhten Festigkeit zu verbessern oder Korrosion und Erosion zu verhindern. Praktisch alle Verfahren, bei denen die Schutzumhüllungen aufgeschweißt werden, erfordern es, dass die Umhüllung vollständig geschmolzen wird, um die Umhüllung ausreichend fest am Rohr anzubringen.
- Beim konventionellen Schweißen wird ein Schweißstab an seiner Spitze geschmolzen. Die zu schweißende Struktur hat einen Trog aus Material, das ebenfalls geschmolzen wird. Der geschmolzene Schweißstab und die geschmolzene Oberfläche vermischen sich und bilden eine ,Schmelzperle'. Die ,Schmelzperle' setzt sich aus einer Mischung aus dem geschmolzenen Schweißstab und der geschmolzenen Oberfläche zusammen. Da eine signifikante Menge des Schweißstabes und eine signifikante Menge der Oberfläche gemischt werden, kommt es zu einer signifikanten Mischung der Metalle. Wenn also der Schweißstab aus einer hohen Konzentration eines hochwertigen Metalls hergestellt ist und die Oberfläche, die geschweißt wird, eine niedrigere Konzentration des hochwertigen Metalls hat, hat die entstehende Mischung (,Schmelzperle') im Vergleich zum ursprünglichen Schweißstab eine niedrigere Konzentration des hochwertigen Metalls. Dies führt zur Verdünnung der Konzentration des hochwertigen Metalls in der Schmelzperle der gemischten Metalle.
- Deshalb setzt sich in dem Maß, wie der Schweißstab und die Oberfläche immer weiter geschmolzen werden, die Verdünnung fort. Das verdünnte Metall besitzt eine niedrigere Korrosionsbeständigkeit, Erosionsbeständigkeit und/oder niedrigere Festigkeit.
- Deshalb wird durch das Schweißen der gesamten Oberfläche eines Gegenstandes wie etwa Rohre eine große Wärmemenge benötigt. Die große Wärmemenge kann zum Verziehen der Rohre führen, und oft ist es schwierig, die Menge des aufgetragenen Umhüllungsmaterials bis zum Erreichen optimaler Stärken zu regeln. Dieses Verfahren der Rohrumhüllung ist schwer zu implementieren.
- Gewöhnlich werden Rohre, die in korrosiven oder erosiven Umgebungen eingesetzt werden, durch Verfahren wie thermisches Spritzen oder Aufdampfen beschichtet, um eine Oberflächenschicht zu erhalten, die mehr Schutz bietet. In den aggressivsten Umgebungen sind bisher ummantelte Rohre, die durch Coextrusion erzeugt wurden, eingesetzt worden. Jedoch können Beschränkungen der Unversehrtheit der auf diese Weise hergestellten Bindung besonders während langer Zeiten, in denen sie Wärmewechselbedingungen ausgesetzt ist, infolge der Spannungen im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten des austenitischen und des ferritischen Stahls zur Lockerung der Bindung führen.
- Derzeit besteht eine Notwendigkeit eines Verfahrens zum Schützen von Kesselrohren vor Erosion und Korrosion, das einfach und ohne die Notwendigkeit großer Energiemengen angewandt werden kann.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- In der vorliegenden Erfindung wird ein Streifen aus nichtkorrosivem Material auf die äußere Oberfläche des Rohrs aufgebracht, um das Rohr vor Korrosion zu schützen.
- Die vorliegende Erfindung kann ausgeführt werden als ein Verfahren zum Herstellen von ummantelten Rohren (
30 ) durch:
Bereitstellen eines ersten Rohrs (10 );
Bereitstellen eines verlängerten Streifens (20 );
Auftragsschweißen einer inneren Oberfläche (22 ) des Streifens (20 ) und der äußeren Oberfläche (12 ) des Rohrs (10 ) bei gleichzeitigem Wickeln des Streifens (20 ) spiralförmig um die äußere Oberfläche (12 ) des Rohrs (10 ); und Andrücken des Streifens (2 ) an das Rohr (10 ), während es auftragsgeschweißt wird. - KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die Figuren stellen beispielhafte Ausführungsformen dar, und in ihnen sind gleiche Elemente gleich nummeriert:
-
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Materialstreifens, der entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform auf die äußere Oberfläche eines Rohrs aufgebracht wird. -
2 ist eine Ansicht des Materialstreifens von oben beim Aufbringen auf die äußere Oberfläche eines Rohrs in1 . -
3 ist eine Ansicht des Materialstreifens im Aufriss beim Aufbringen auf die äußere Oberfläche eines Rohrs in den1 und2 . - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 illustriert ein Rohr10 aus kostengünstigerem Material wie etwa niedriglegiertem Stahl, dem es an Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Erosionsbeständigkeit oder hoher Festigkeit mangelt, das für den Einsatz in einem Kessel vorgesehen ist. Ohne Schutz verringern Korrosion und Erosion des Rohrs10 die Wanddicke des Rohrs so weit, dass es nicht die Festigkeit hat, um den Druck des Dampfes innerhalb der Rohre zu halten. Wenn das geschieht, bersten sie. Dieses Rohr10 aus niedriglegiertem Stahl sollte geschützt werden, um Korrosion und Erosion und die Abnahme der Wanddicke der Rohre zu verringern. - Ein Streifen
20 , der aus einem Material hergestellt ist, welches Korrosionsbeständigkeit, Erosionsbeständigkeit oder zusätzliche Festigkeit besitzt, ist in dieser Darstellung teilweise um die äußere Oberfläche12 des Rohrs10 gewickelt. Es wird vorzugsweise spiralförmig um das Rohr gewickelt oder gewunden und gleichzeitig unter Anwendung von Auftragsschweißverfahren geschweißt, wodurch ummantelte Rohre30 erzeugt werden. - Der Streifen
20 wird aus einem geeigneten korrosions-/erosionsbeständigem Material hergestellt, das hohen Temperaturen und korrosiven Umgebungen widerstehen kann, wie etwa aus austenitischem Stahl. Während der Streifen20 als aus austenitischem Stahl hergestellt beschrieben wird, ist vorgesehen, dass das Ummantelungsrohr je nach dessen Verwendungszweck aus anderen korrosionsbeständigen, erosionsbeständigen, hochfesten oder sonstigen Ummantelungsmaterialien hergestellt werden kann. - Wie in
1 gezeigt, ist es vorzuziehen, dass der Streifen20 auf seiner inneren Oberfläche22 auf die äußere Oberfläche12 des Rohrs10 , wo sie in einem Übergangsbereich14 zusammentreffen, auftragsgeschweißt wird. - Eine Art der elektrischen Widerstandsschweißung ist eine Hochfrequenzschweißung. Bei dieser Art der Schweißung wird ein hochfrequenter Wechselstrom durch den Streifen
20 und das Rohr10 geleitet, wodurch ein Strompfad aufgebaut wird. Der Strom fließt durch die Oberfläche des Streifens20 und des Rohrs10 und erzeugt ähnlich dem Heizdraht eines Toasters eine widerstandsbedingte Erwärmung im Metall. -
2 ist eine Ansicht des Materialstreifens20 von oben beim Aufbringen auf die äußere Oberfläche12 eines Rohrs10 in1 .3 ist eine Ansicht des Materialstreifens im Aufriss beim Aufbringen auf die äußere Oberfläche eines Rohrs in den1 und2 . - In den
2 und3 wird ein Rahmen50 mit Rollen51 zum Tragen des Rohrs10 während dessen Bearbeitung gezeigt. Die Rollen51 erlauben es, das Rohr zu drehen. Ein Motor61 versetzt das Rohr10 in Drehung. Ein zweiter Motor71 versetzt das Rohr10 in eine Längsbewegung. Vorzugsweise werden die Motoren sowie sonstige Aspekte des System von der Steuerung100 aktiviert, koordiniert und gesteuert. - Der Streifen
20 wird auf einer Rolle24 gespeichert und von ihr abgenommen. Eine Führung26 ist in Bezug auf eine Längsachse des Rohrs10 angewinkelt. Während das Rohr von der Steuerung100 und den Motoren61 ,71 gedreht wird, wird der Streifen20 von einer Zuführrolle24 , geführt von der Führung26 , abgenommen, von der Andrückrolle28 an das Rohr10 gedrückt und spiralförmig um das Rohr10 gewickelt. - Ein Kontakt
41 ist an einen Leiter einer Schweißeinheit90 angeschlossen und so positioniert, dass an einer mit „A” gekennzeichneten Stelle nahe der Stelle „B”, wo der Streifen20 das Rohr10 berührt, ein Kontakt mit dem Streifen20 hergestellt wird. - Ein an einen zweiten Leiter der Hochfrequenz-Schweißeinheit
90 angeschlossener, zweiter Kontakt43 ist so positioniert, dass er das Rohr10 an einer mit „C” gekennzeichneten Stelle berührt. - Die Schweißeinheit
90 wird von der Steuerung100 aktiviert und gesteuert. Wenn sie aktiviert ist, bewirkt sie, dass ein Oberflächenstrom zwischen dem ersten Kontakt41 und dem zweiten Kontakt43 fließt. Da es sich um einen starken Strom handelt, bewirkt sogar eine niedrige Induktanz in dem Streifen20 und/oder dem Rohr10 die Erzeugung einer signifikanten Wärme. - Der Strom fließt zwischen der Oberfläche des Streifens
20 an der Stelle „A”, durch den Punkt des Zusammentreffens des Rohrs10 und des Streifens20 an der Stelle „B” und zum zweiten Kontakt43 an der Stelle „C”. - Der Stromverlauf zwischen A-B-C bildet eine V-Form. Es liegt im Wesen von Oberflächenströmen, dass sie konvergieren und ihre Energie an der Stelle ”B”, wo das Schweißen stattfindet, konzentrieren.
- Da die Wärme von einem Oberflächenstrom geliefert wird, wird sie gleichmäßig über die innere Oberfläche des Streifens
20 und die äußere Oberfläche12 des Rohrs10 aufgebracht. Die Menge des geschmolzenen Metalls sowohl am Streifen20 als auch am Rohr10 ist im Vergleich zum konventionellen Schweißen sehr gering. Es kommt zu einer deutlich geringeren Mischung der Metalle und einer deutlich geringeren Verdünnung. - Während des erfindungsgemäßen Auftragsschweißens finden eine wesentlich geringere Mischung und Verdünnung statt, und die Schweißung geschieht nicht nur in einer Schmelzperle, sondern auch entlang der inneren Oberfläche
12 des Streifens10 . Wenn also ein stark nickelhaltiger Stahl als Streifen10 verwendet wird, wird er durch die Anwendung des Hochfrequenzschweißens weniger verdünnt als beim konventionellen Schweißen und behält deshalb mehr seiner korrosionsbeständigen Eigenschaften. Dies ergibt deutliche Kosteneinsparungen. - Diese Art der Schweißung bringt die Wärme nur in dem gerade geschweißten Bereich ein und schmilzt nicht das Rohr- und Streifenmaterial insgesamt. Deshalb kommt es zu weniger Verwerfung und Verzug des Rohrs
10 und des Streifens20 als bei Verfahren nach dem Stand der Technik, die das Schmelzen des äußeren Schutzmaterials erfordern, und die Korrosionsbeständigkeit der Streifenlegierung wird durch das Mischen mit der geringwertigeren Legierung des Rohrmaterials nicht herabgesetzt. - Sobald der Streifen
20 und das Rohr10 erwärmt werden, schmelzen sie etwas auf den Oberflächen12 ,22 . Beim Anwenden des Hochfrequenz-Widerstandsschweißens schmelzen die Oberflächenströme nur 5–15% der Dicke des Streifens20 . Er kann etwa 0,040 Zoll dick sein. Das ist beträchtlich weniger als die 0,1 bis 0,3 Zoll, die beim konventionellen Schweißen mit ähnlicher Geometrie und ähnlichem Verwendungszweck üblich sind. Eine Andrückrolle28 drückt den Streifen an das Rohr10 , wodurch sie bewirkt, dass die geschmolzene innere Oberfläche22 des Streifens22 an die geschmolzene äußere Oberfläche12 des Rohrs10 geschmiedet wird. - Die Drehung und die Längsbewegung des Rohrs
10 werden von der Steuerung100 so gewählt, dass der Streifen20 spiralförmig um das Rohr10 gewickelt wird. Da der Strom auch durch die Kanten31 ,33 des Streifens20 fließt, erwärmen sich auch die Kanten. Sind die Drehung und die Längsbewegung des Rohrs10 korrekt gewählt, so kommt das Band bündig am Rohr10 und an der vorausgehenden Wicklung des Streifens20 zu liegen. Da es auch zu einer Konzentration des Stromflusses kommt, wenn eine erste Kante31 des Streifens20 mit der zweiten Kante33 nahe dem Übergangsbereich14 zusammentrifft, bewirkt diese Konzentration des Stroms außerdem, dass die angrenzenden Kanten31 ,33 des spiralförmig gelegten Streifens20 schmelzen und zusammenschmelzen. Deshalb können die Streifenkanten auch zusammengeschmiedet werden, was eine Bindung einer Wicklung des Streifens20 an die vorangegangene Wicklung des Streifens20 bewirkt. - Das Schweißen wird vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre durchgeführt. Deshalb strömt aus einer Quelle ein inertes oder nicht reaktionsfähiges Gas
97 wie etwa Neon, Argon oder Xenon durch eine Zuführleitung99 in eine inerte Einhüllung95 . Die inerte Einhüllung umschließt den Schweißbereich und dichtet ihn so weit ab, dass sie eine allgemein inerte Atmosphäre aufrechterhalten kann. Dies reduziert oder verhindert die Oxidation und sonstige Reaktionen, die während des Schweißens auftreten. - In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Rohr
10 gedreht, während der Streifen20 um seine äußere Oberfläche gewunden wird. Es ist auch möglich, dass eine Vorrichtung sich um das Rohr10 drehen würde. - Weil das Rohr
10 aus einem hochfesten Material hergestellt ist, weist das resultierende ummantelte Rohr30 Festigkeit auf. Das ummantelte Rohr30 besitzt auch Korrosionsbeständigkeit, weil der Streifen20 das Rohr10 umhüllt. Das Rohr30 ist deutlich kostengünstiger als ein Rohr, das vollständig aus einem hochfesten, korrosionsbeständigem Material hergestellt ist. - In einer alternativen Ausführungsform kann das Rohr
10 vor dem Wickeln des Streifens20 um das Rohr10 vorgewärmt werden. Viele unterschiedliche Vorwärmgeräte können verwendet werden, in2 wird jedoch eine induktiv gekoppelte Spule80 bereitgestellt. Die Spule80 induziert einen schnell wechselnden Strom im Rohr10 , der in einer widerstandsbedingten Erwärmung resultiert. Die Verwendung der Vorwärmspule80 erhöht die Wirksamkeit der Vorrichtung. - Es wurde festgestellt, dass, um die vorliegende Erfindung umzusetzen, vorhandene Maschinen zum Anbringen von Rohrrippen umgebaut werden könnten, um den Metallstreifen
20 an der Oberfläche eines Rohrs10 zu befestigen. Dies führt zu niedrigen Anlaufkosten und einer zweifachen Nutzung vorhandener Maschinen. - Während die Erfindung unter Bezug auf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird Fachleuten klar sein, dass eventuell verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Gleichwertiges an die Stelle von Elementen davon treten kann, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Umfang abzuweichen. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmte Ausführungsform, die als die beste zur Umsetzung dieser Erfindung vorgesehene Weise offenbart worden ist, beschränkt wird, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen, die in den Umfang der angefügten Ansprüche fallen, enthalten soll.
Claims (14)
- Verfahren zum Herstellen von ummantelten Rohren, beinhaltend: Bereitstellen eines Rohrs mit einer äußeren Oberfläche; Bereitstellen eines verlängerten Streifens; Auftragsschweißen einer inneren Oberfläche des Streifens und der äußeren Oberfläche des Rohrs bei gleichzeitigem Wickeln des Streifens spiralförmig um die äußere Oberfläche des Rohrs; und Andrücken des Streifens an das Rohr, während er auftragsgeschweißt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Rohr aus einem ersten Metall hergestellt ist und der Streifen aus einem zweiten Metall hergestellt ist und das Auftragsschweißen eine Verdünnung des Streifens mit dem ersten Metall minimiert.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei die innere Oberfläche des Streifens auf die äußere Oberfläche des Rohrs geschweißt wird, während der Streifen spiralförmig um das Rohr gewickelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, wobei die innere Oberfläche des Streifens unter Anwendung von Auftragsschweißverfahren auf die äußere Oberfläche des Rohrs geschweißt wird, während der Streifen spiralförmig um das Rohr gewickelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, wobei die innere Oberfläche des Streifens unter Anwendung von Hochfrequenz-Auftragsschweißverfahren auf die äußere Oberfläche des Rohrs geschweißt wird, während der Streifen spiralförmig um das Rohr gewickelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, wobei die innere Oberfläche des Streifens unter Anwendung von Auftragsschweißverfahren auf die äußere Oberfläche des Rohrs geschweißt wird, die nur 5–15% der Dicke des Streifens schmelzen, was eine minimale Verdünnung des Streifens bewirkt.
- Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit folgendem Schritt: Verbinden einer Kante des Streifens mit einer Kante eines zuvor gewickelten Streifens, um eine durchgängigere Umhüllung zu erzeugen.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Andrückens beinhaltet: Andrücken des Streifens an das Rohr mit einer Andrückrolle.
- Ummanteltes Rohr, hergestellt durch folgende Schritte: Bereitstellen eines ersten Rohrs mit einer äußeren Oberfläche; Bereitstellen eines verlängerten Streifens aus einem korrosionsbeständigen Material; Bereitstellen eines Hochfrequenz-Oberflächenstroms am Streifen und am Rohr, um eine innere Oberfläche des Streifens und die äußere Oberfläche des Rohrs zu schmelzen, und Wickeln des Streifens spiralförmig um die äußere Oberfläche des Rohrs bei gleichzeitigem Drücken des Streifens an das Rohr.
- Ummanteltes Rohr nach Anspruch 9, wobei die innere Oberfläche des Streifens bei gleichzeitigem Wickeln des Streifens spiralförmig um das Rohr auf die äußere Oberfläche des Rohrs auftragsgeschweißt ist.
- Ummanteltes Rohr nach Anspruch 9, wobei die innere Oberfläche des Streifens bei gleichzeitigem Wickeln des Streifens spiralförmig um das Rohr unter Anwendung von elektrischen Widerstandsschweißverfahren auf die äußere Oberfläche des Rohrs auftragsgeschweißt ist.
- Ummanteltes Rohr nach Anspruch 9, wobei die innere Oberfläche des Streifens bei gleichzeitigem Wickeln des Streifens spiralförmig um das Rohr unter Anwendung von elektrischen Hochfrequenz-Widerstandsschweißverfahren auf die äußere Oberfläche des Rohrs auftragsgeschweißt ist.
- Ummanteltes Rohr nach Anspruch 9, wobei eine erste Kante des Streifens mit einer zweiten Kante eines zuvor gewickelten Abschnitts des Streifens verbunden ist.
- Ummanteltes Rohr nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Hochfrequenzstroms am Streifen und am Rohr in einer allgemein inerten Atmosphäre stattfindet.
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