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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kalibrieren der Enden metallischer
Rohre gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
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Die
Rundheit der Enden metallischer Rohre ist bei Rohrleitungen, z.
B. für den Öl- oder Gastransport, von besonderer
Bedeutung, da zur Herstellung der Rohrleitung die Enden der Rohre
zusammengeschweißt werden müssen. Zur Vermeidung
von Schweißnahtfehlern und den daraus resultierenden aufwändigen
Nacharbeiten ist eine exakte Fluchtung der Rohrenden für
die nachfolgende Verschweißung unbedingte Voraussetzung.
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In
jüngerer Zeit haben sich aufgrund des Einsatzes automatisierter
Schweißverfahren die entsprechenden Anforderungen an die
Rundheit der Rohrenden deutlich erhöht. Das Rohrende wird
in den Normen mit einer Länge von 100 mm von der Schweißnahtkante
aus gemessen definiert. Dabei sind die Toleranzen an den Rohrenden
im allgemeinen geringer als im Rohrkörper selbst, sodass
durch zusätzliches Kalibrieren der Rohrenden ein höherer
Erfüllungsgrad der Spezifikationen erreicht wird.
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Vorrichtungen
zum Kalibrieren sind beispielsweise aus den japanischen Schriften
JP 01104419 ,
JP 04266424 ,
JP 05146825 ,
JP 05146826 ,
JP 08019901 ,
JP 56105835 ,
JP 56163803 ,
JP 2004114083 ,
JP 59127927 ,
JP 58138518 ,
JP 10094831 ,
JP 07246425 ,
JP 2006136887 bekannt, mit denen
durch mechanische Umformung die Rohrenden kalibriert werden.
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In
der Praxis haben sich diese teilweise sehr aufwändigen
Vorrichtungen jedoch kaum durchgesetzt.
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Gängige
betriebliche Praxis ist es deshalb, mit einfachen hydraulischen
Pressstempeln die Rohrenden an den von der Rundheit abweichenden
Stellen plastisch zu deformieren, d. h. zu runden. Nachteilig ist
dabei jedoch, dass der Pressstempel die Rohrwand nur sehr lokal verformt
und dabei den gesamten Rohrquerschnitt global beansprucht. So können
90° versetzt zu den vom Pressstempel beeinflussten Stellen örtliche
Plastifizierungen am Rohr auftreten, die zu unerwünschten
Verformungen und Eigenspannungen führen, wodurch die Einhaltung
der verschärften Rundheitstoleranzen erschwert wird.
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Vor
der Anwendung dieser einfachen Kalibriermethode mittels Pressstempel
müssen generell die Rundheit und somit die Positionen der
von der idealen Rundheit abweichenden Stellen genau bestimmt werden.
Dies erfordert zusätzliche Prozesszeit und wird teilweise
noch manuell durchgeführt.
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Weiterhin
ist es insbesondere bei Rohren mit großen Durchmessern
und/oder geringen Wanddicken notwendig, Pressstempel mit sehr großem
Hub einzusetzen, was je nach Rohrdurchmesser und Wanddicke zu einer
Vielzahl an vorzuhaltenden hydraulischen Zylindern oder entsprechenden
Konstruktionsteilen führt. Bei mehreren nachzukalibrierenden
Stellen am Rohrumfang muss der Pressstempel darüber hinaus
mehrfach angesetzt werden, was bei den großen Presswegen
sehr zeitaufwändig ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Kalibrieren der Enden
metallischer Rohre anzugeben, mit dem auf einfache Weise in einem
Arbeitsgang der komplette Rohrumfang kalibriert werden kann und unerwünschte
lokale Plastifizierungen sicher vermieden werden können.
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Diese
Aufgabe wird nach dem Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Nach
der Lehre der Erfindung wird erstmals eine Vorrichtung eingesetzt,
mit der die Kalibrierung der Rohrenden über ein Rollrunden über
den gesamten Rohrumfang erfolgt, wobei mittels am Rohraußen-
und Innenumfang des Rohres angreifender Rollenkörper das
Rohrende über den gesamten Rohrumfang mindestens einer
elastischen Drei-Punkt-Biegeumformung unterworfen wird, und nur
die außerhalb der Toleranz des Nenndurchmessers liegenden
Stellen des Rohres zusätzlich plastisch verformt werden,
wobei das Rohr bzw. die Rollenkörper bezogen auf die Rohrachse
relativ zueinander bewegt werden.
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Die
Vorrichtung weist zylindrische, drehbar gelagerte, fest zueinander
positionierte, in Rohrumfangsrichtung angeordnete und nur auf das
Rohrende wirkende Rollenkörper auf mit mindestens zwei
auf den Rohraußenumfang einwirkenden voneinander beabstandeten
Rollenkörpern und mindestens einem zwischen diesen Rollenkörpern
auf den Rohrinnenumfang einwirkenden Rollenkörper, wobei
das Rohr und die Rollenkörper bezogen auf die Rohrachse
relativ zueinander drehbar gelagert und die Rollenkörper
in ihrem radialen Abstand zur Achse des Rohres verstellbar angeordnet
sind.
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Die
Rollenkörper sind dabei so positionierbar, dass durch mindestens
eine Drei-Punkt-Biegeumformung über eine lokale plastische
Deformation an der außerhalb der Toleranz des Nenndurchmessers
liegenden Stelle des Rohres nach elastischer Rückfederung
eine möglichst ideale Rundheit an dieser Stelle erreicht wird.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es jetzt
möglich in einem Arbeitsgang den kompletten Umfang des
Rohrendes zu kalibrieren ohne zuvor die Position der von der idealen
Rundheit abweichenden Stellen zu bestimmen, wobei die Kalibrierung über
ein Rollrunden zwischen den Rollenkörpern erfolgt.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist es, diese durch relativ geringe radiale und/oder
axiale Verstellung der Rollenkörper in Bezug auf die Rohrachse,
flexibel auf verschiedene Rohrdurchmesser und Wanddicken anpassen
zu können, so dass eine breite Abmessungspalette an Rohren kalibriert
werden kann. Dies führt in Summe zu geringen Investitions-
und Instandhaltungskosten für die vorzuhaltenden Werkzeuge.
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Gleichzeitig
führt gegenüber der Pressstempel-Methode die Art
der Beanspruchung durch Rollrunden vorteilhaft zu einer Vergleichmäßigung
der Eigenspannung über den Rohrumfang, was sich positiv
in der Rundheitstoleranz und damit in der Qualität der
Schweißverbindungen auswirkt.
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Die
Rollenkörper können in einer ersten Ausgestaltung
der Erfindung z. B. so angeordnet sein, dass mit drei Rollenkörpern
eine Drei-Punkt-Biegeumformung des Rohrendes erreicht wird. Hierbei
wirken zwei voneinander beabstandete Rollenkörper auf den
Außenumfang des Rohres und auf den Innenumfang ein radial
verstellbarer Rollenkörper zwischen den beabstandeten außen
wirkenden Rollenkörpern ein.
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Die
Rollenkörper sind dabei so positioniert, dass die Rohrwand
am Rohrende über eine Biegung in Bereichen, die innerhalb
der geforderten Toleranzen liegen, nur elastisch verformt wird und
in außerhalb der Toleranzen liegenden Bereichen mit geringerer Krümmung
plastisch soweit verformt wird, dass nach elastischer Rückfederung
die Krümmung der Rohrwand über den gesamten Rohrumfang
vergleichmäßigt ist und das Rohrende damit die
geforderte Rundheit erfüllt.
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Nachfolgend
wird der Begriff „Nennkrümmungsradius" eingeführt,
um zwischen der globalen Beschreibung der Rohrrundheit über
den Nenndurchmesser und der lokalen Beschreibung der Rohrwandkrümmung
zu unterscheiden.
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Während
bei der Vorrichtung mit drei Biegerollen bauartbedingt nur Bereiche
mit einem im Vergleich zum Nennkrümmungsradius vergrößerten
Krümmungsradius kalibriert werden können, ist
es in einer vorteilhaften Weiterbildung mit einer mindestens vier
Rollenkörper umfassenden Vorrichtung möglich, über
eine Vier-Punkt-Biegeumformung auch Bereiche mit im Vergleich zum
Nennkrümmungsradius verringertem Krümmungsradius
zu kalibrieren.
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Aus
Symmetriegründen ist die Kalibrierung eines Rohrendes mit
fünf Rollenkörpern vorteilhaft. Dazu weist diese
Vorrichtung drei auf den Außenumfang des Rohres einwirkende
axial beabstandete Rollenkörper und im Bereich der von
diesen Rollenkörpern gebildeten Zwischenräumen
zwei auf den Innenumfang einwirkende Rollenkörper auf. Über
die in Bezug auf die Rohrachse radialen und axialen Verstellmöglichkeiten
der am Außen- und am Innenumfang angreifenden Rollen ist
ebenfalls ein sehr breites Abmessungsspektrum an Rohren auf einfache
Weise und mit geringen Verstellwegen kalibrierbar.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Kalibrieren von Rohrenden mittels Rollrunden über drei
Rollenkörper in einer Frontansicht,
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2a eine
Prinzipskizze wie 1 jedoch mit fünf Rollenkörpern,
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2b eine
Prinzipskizze wie 2a in einer Seitenansicht.
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3 eine
Prinzipskizze der Kalibrierung eines Rohrendes mittels eines Hydraulikzylinders
(Stand der Technik),
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3 zeigt
in einer Prinzipskizze die Kalibrierung eines Rohrendes mittels
eines Hydraulikstempels nach dem Stand der Technik.
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Das
Rohr 1 weist an der Stelle 3 einen im Vergleich
zum Nenndurchmesser außerhalb der Toleranz liegenden verkleinerten
Durchmesser auf, der mittels eines an diesen Stellen des Rohres 1 angesetzten
Hydraulikstempels 2 nachkalibriert wird.
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Der
Hydraulikstempel 2 wird dabei soweit auseinander gefahren,
dass das Rohr 1 zunächst elastisch verformt wird
und bei weiterer Dehnung an der Stelle 3a des Rohres 1 örtlich
plastifiziert wird. Erkennbar ist, dass es an der der Stelle 3a als
Reaktionsstelle gegenüber liegenden Stelle 3b und
auch ±90° dazu versetzt im Rohr 1 Stellen 4, 4a gibt,
an denen Plastifizierungen im Rohr 1 auftreten können,
die wie zuvor beschrieben zu unerwünschten Verformungen
und Eigenspannungen führen und die Einhaltung der verschärften
Rundheitstoleranzen erschweren.
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1 zeigt
in einer Prinzipskizze eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Kalibrieren von Rohrenden mittels Rollrunden über
drei Rollenkörper. Die Vorrichtung besteht aus zylindrischen,
drehbar gelagerten, fest zueinander positionierten, in Rohrumfangsrichtung
angeordneten und nur auf das Rohrende wirkenden Rollenkörpern 5, 7, 7',
mit zwei auf den Außenumfang des Rohres 1 einwirkenden voneinander
axial beabstandeten und in einer fest positionierten Lagereinheit 8 angeordneten
Rollenkörpern 7, 7' und einem zwischen
diesen Rollenkörpern auf den Rohrinnenumfang einwirkenden
und in einer Lagereinheit 6 angeordneten Rollenkörper 5,
wobei das Rohr 1 und die Rollenkörper 5, 7, 7' bezogen
auf die Rohrachse relativ zueinander drehbar gelagert sind.
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Zum
Einführen des Rohres 1 in die Vorrichtung wird
die Lagereinheit 6 des Rollenkörpers 5 zunächst radial
in Richtung Rohrmitte verfahren, so dass sich ein genügend
großer Freiraum zwischen dem Rollenkörper 5 und
den Rollenkörpern 7, 7' ergibt.
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Nach
Einführen des Rohrendes in die geöffnete Vorrichtung
wird die Lagereinheit 6 des Rollenkörpers 5 radial
in Richtung Rohrinnenwand so weit verfahren, dass das Rohr 1 an
Stellen mit im Toleranzbereich liegendem Krümmungsradius
nur einer elastischen und an der Stelle 3c mit vergrößertem
Krümmungsradius zusätzlich einer plastischen Drei-Punkt-Biegeverformung
durch Rollrunden unterworfen wird.
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Damit
es bei dieser Kalibriermethode nicht zu lokalen Plastizierungen
kommt, sollte das Rohr während des gesamten Verfahr- und
Halteprozesses des Rollenkörpers 5 rotiert werden.
Dadurch werden die beim Biegevorgang an den Reaktionsstellen 3d, 3e zusätzlich
eingebrachten plastischen Deformationen globalisiert und die Biegeeigenspannungen
vergleichmäßigt.
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Desweiteren
wirkt die Vorrichtung durch die Rotation des Rohres in ihrer Kalibrierung
auf den gesamten Rohrumfang, so dass es nicht notwendig ist, vorab
die Position der von der idealen Rundheit abweichenden Stellen zu
bestimmen.
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In
diesem Ausführungsbeispiel wird das Rohr 1 relativ
zur fest positionierten Vorrichtung in Rotation versetzt. Dies kann
z. B. über einen separaten Antrieb des Rohres 1 oder über
einen motorisch angetriebenen Rollenkörper 5, 7, 7' erfolgen.
Alternativ ist es auch möglich, die Vorrichtung als Einheit
um das fest positionierte Rohr 1 rotieren zu lassen.
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Zur
Kalibrierung von Rohren mit unterschiedlichen Durchmessern und Wanddicken
können die Rollenkörper 7, 7' in
der Lagereinheit 8 in ihrer axialen Lage zueinander und
die Lagereinheit 6 mit dem Rollenkörper 5 radial
hierzu verfahren werden.
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Bauartbedingt
können mit dieser Vorrichtung keine Rohre kalibriert werden,
die Bereiche mit einem im Vergleich zum Nennkrümmungsradius
außerhalb der Toleranz liegenden verkleinerten Krümmungsradius
aufweisen, da der am Innenumfang des Rohres 1 wirkende
Rollenkörper 5 das Rohr 1 nur radial
nach außen deformieren und dabei plastifizieren kann.
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2a zeigt
die Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform einer Kalibriervorrichtung
zum Rollrunden von Rohrenden mit fünf Rollenkörpern
mit der auch Rohre mit Bereichen mit im Vergleich zum Nennkrümmungsradius
außerhalb der Toleranz liegenden verkleinerten Krümmungsradien
kalibriert werden können.
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Gleiche
Merkmale der Vorrichtung sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Einführen des Rohres 1 in die Vorrichtung
geschieht auf die gleiche Weise wie zu 1 beschrieben,
so dass hierauf nicht weiter eingegangen wird.
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Im
Unterschied zu der in 1 beschriebenen Kalibriervorrichtung
werden hier drei in einer Lagereinheit 8' angeordnete und
auf den Außenumfang des Rohres 1 einwirkende Rollenkörper 7, 7', 7'' axial
beabstandet so positioniert, dass in den zwischen den Rollenkörpern 7, 7', 7'' entstehenden
zwei Zwischenräumen 9 die in einer Lagereinheit 6' angeordneten
Rollenkörper 5', 5'' auf den Rohrinnenumfang
des Rohres 1 einwirken, so dass hier eine Fünf-Punkt-Biegeumformung
des Rohres 1 erreicht wird.
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Über
eine entsprechende Höhenpositionierung des Rollenkörpers 7'' in
Relation zu den Rollenkörpern 7, 7' kann
jede außerhalb der Toleranz liegende Abweichung des Rohrdurchmessers
problemlos über diese Fünf-Punkt-Biegeverformung
ausgeglichen und gleichzeitig über den Rohrumfang ein homogener
Spannungszustand eingestellt werden.
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Die
beiden am Innenumfang des Rohres 1 einwirkenden Rollenkörper 5', 5'' sind
in der gemeinsamen Lagereinheit 6' so angeordnet, dass
diese ebenfalls in ihrem axialen Abstand zueinander veränderbar
sind, so dass sich in Kombination mit den radialen und axialen Einstellmöglichkeiten
der am Außenumfang des Rohres 1 einwirkenden Rollenkörpern 7, 7', 7'' ebenfalls
eine sehr große Abmessungspalette an Rohren mit unterschiedlichen
Rohrdurchmessern und Wanddicken kalibrieren lassen.
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2b zeigt
in einer Seitenansicht von
2a eine
Möglichkeit die Lagereinheit
6' mit den darin
angeordneten Rollenkörpern
5',
5'' radial
anzustellen bzw. zu verfahren. Hierzu ist ein stirnseitig vor dem
Rohr
1 auf der Lagereinheit
8' angeordneter Hydraulikzylinder
10 mit
der Lagereinheit
6' über einen auf einer Stütze
11 mittig
gelagerten Hebel
12 in der Weise schwenkbar verbunden,
dass beim Auseinanderfahren des Zylinders entsprechend der Pfeilrichtung
die Lagereinheit
6' über den Hebel
12 in
Richtung der Rohrwand abgesenkt wird. Bezugszeichenliste
| Nr. | Bezeichnung |
| 1 | Rohr |
| 2 | Hydraulikstempel |
| 3, 3 | Plastifizierungen
im Einwirkbereich des Hydraulikstempels |
| 4, 4' | Plastifizierungen
90° zum Einwirkbereich des Hydraulikstempels |
| 5, 5' | Rollenkörper
Rohrinnenseite |
| 6, 6' | Lagerung
Rollenkörper Rohrinnenseite |
| 7, 7', 7'' | Rollenkörper
Rohraußenseite |
| 8, 8' | Lagerung
Rollenkörper Rohraußenseite |
| 9 | Zwischenräume |
| 10 | Hydraulikzylinder |
| 11 | Stütze |
| 12 | Hebel |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 01104419 [0004]
- - JP 04266424 [0004]
- - JP 05146825 [0004]
- - JP 05146826 [0004]
- - JP 08019901 [0004]
- - JP 56105835 [0004]
- - JP 56163803 [0004]
- - JP 2004114083 [0004]
- - JP 59127927 [0004]
- - JP 58138518 [0004]
- - JP 10094831 [0004]
- - JP 07246425 [0004]
- - JP 2006136887 [0004]