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Vorrichtung zum Zusammenhalten zweier aneinander-
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stoßender und miteinander zu verschweißender Rohrenden oder ähnlicher
Hohlkörper
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zusammenhalten
zweier aneinanderstoßender und miteinander zu verschweißender Rohrenden oder ähnlicher
Hohlkörper.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Vorrichtung
so auszubilden, daß sie zwei aneinanderstoßende und miteinander zu verschweißende
Rohrabschnitte satt aneinander anliegend und zueinander ausgerichtet halten kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Vorrichtung gemäß der Erfindung
durch zwei mit gegenseitigem Abstand und beiderseits der Stoßfuge zwischen den beiden
Rohrenden in die beiden Rohrenden einzusetzende Halter mit jeweils daran angeordneten,
auswärts bewegbaren Spannelementen, und durch ein die beiden Halter tragendes und
relativ zu diesen drehbares Tragrohr gekennzeichnet, das ein auf den Zwischenraum
zwischen den beiden Haltern ausgerichtetes Fenster aufweist, durch welches ein Laserstrahl
zur Stoßfuge zwischen den beiden Rohrenden hin hindurchtreten kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere
in
Verbindung mit Laserschweißeinrichtungen einsetzbar.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann also in Verbindung mit einer
Schweißeinrichtung Anwendung finden, die beispielsweise auf einem Verlegeschiff
zum Bau einer Unterwasserrohrleitung oder auf einem Landfahrzeug zum Bau einer Rohrleitung
an Land, beispielsweise einer Ölleitung oder einer zur Förderung anderer Flüssigkeiten
dienenden Leitung eingerichtet ist.
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Sehr oft sind die aneinanderstoßenden Rohrenden nicht genau kreisrund
oder sie weisen geringfügig abweichende Abmessungen auf, weshalb die Vorrichtung
erfindungsgemäß vorzugsweise so ausgebildet ist, daß sie eine so große Kraft auf
die Rohrenden ausüben kann, daß diese Rohrenden in eine genau kreisrunde Form gedrückt
und außerdem auf gleiche Abmessungen gedehnt werden. Auf diese Weise erhält man
eine vollständige Ausrichtung längs der gesamten Stoßfuge.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann derart ausgebildet oder mit
entsprechenden Mitteln versehen sein, welche die beiden Rohrenden gegeneinander
drücken, so daß sie während des Schweißvorgangs satt aneinander anliegen.
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Beispielsweise kann eine etwa in der Achse eines an eine Rohrleitung
anzuschweißenden Rohrabschnittes verlaufende
Kraft auf das freie
Ende des Rohrabschnittes ausgeübt werden, um diesen letzteren gegen das Ende der
Rohrleitung zu drängen, an welchem der Rohrabschnitt anzuschweißen ist.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung kann mit mitteln versehen sein,
mittels welcher sie axial längs eines Rohrabschnittes verschiebbar ist.
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Vorzugsweise ist ein rotor zum Drehen des Tragrohrs an der Vorrichtung
angeordnet.
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Die für den Betrieb der Vorrichtung und für die Durchführung der
Schweißung erforderliche Versorgung beispielsweise mit elektrischer Energie, gegebenenfalls
auch mit Schutzgas und mit Kühlwasser, erfolgt über flexible Leitungen, die vorzugsweise
zu einem Versorgungsstrang zusammengefaßt und lösbar mit der Vorrichtung verbunden
sind.
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Es kann jede geeignete Laserstrahlquelle Anwendung finden, vorausgesetzt,
daß die Ausgangsleistung derselben zur Ausführung einer Schmelzschweißung mit ausreichender
Tiefe an der Stoßfuge zwischen den beiden Rohrenden
ausreicht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug
auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 Einen
schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 eine
schematische Darstellung einer weiteren Möglichkeit der Ausbildung der auswärts
bewegbaren Spannelemente der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, Fig. 3 einen schematischen
Längsschnitt einer alternativen Ausführungsform des Tragrohrs und des ersten Halters
der in Fig.1 gezeigten Vorrichtung, und Fig. 4 eine Ausführungsform, bei welcher
das Laserstrahlteleskop nicht drehbar ist.
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Gleiche Teile sind jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Fig. 1 zeigt eine innenliegende Vorrichtung mit einem ersten ringförmigen
Halter 2 und einem zweiten ringförmigen Halter 4, welche beide mittels Rollenlagern
6 koaxial auf einem Tragrohr 8 montiert sind.
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Der erste ringförmige Halter 2 besteht im wesentlichen aus einem
in der Zeichnung linken Flansch 10 und einem in der Zeichnung rechten Flansch 12
sowie einem diese beiden Flansche miteinander verbindenden Hohlzylinder 14. Die
Außendurchmesser der beiden Flansche sind beide kleiner als der Innendurchmesser
zweier miteinander zu verschweißender Rohrenden 9 und 11, und der Hohlzylinder 14
verläuft zwischen den Innenrändern der beiden Flansche. Die beiden Flansche 10 und
12 und der Hohlzylinder 14 begrenzen zusammen einen außerhalb des Hohlzylinders
liegenden Ringraum, in welchem ein äußerer ringförmiger Kolben 18 angeordnet ist.
Der Kolben weist einen mit ihm einstückig ausgebildeten Axialflansch 20 auf, der
koaxial mit dem Hohlzylinder 14 am äußeren Kolbenrand angeordnet ist und die äußere
Randfläche des Flansches 12 mit Gleitsitz übergreift.
Folglich
umschließt der Kolben 18 zusammen mit dem Flansch 12 und dem Hohlzylinder 14 eine
Kammer 21, in welche Hydraulikmittel zum Vortrieb des Kolbens längs der gemeinsamen
Achse einleitbar ist. Der Deutlichkeit halber nicht gezeigte Dichtungen stellen
eine strömungsmitteldichte Abdichtung zwischen dem Axialansatz 20 und dem Flansch
12 und zwischen der zylindrischen Innenfläche des Kolbens und dem Hohlzylinder 14
her.
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Der Kolben 18 ist durch eine Anzahl von Zugfedern 23> die zwischen
dem Kolben und dem Flansch 12 angeordnet sind, in der Zeichnung nach rechts vorgespannt.
Alternativ dazu kann der Kolben doppeltwirkend ausgebildet sein.
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Die Außenfläche des Kolbens 18 weise nahe der in der Zeichnung linken
Kolbenstirnfläche einen kegeligen Bereich 22 auf, der an einer entsprechend geneigten
Gegenfläche 24 jedes Spannkeils 26 einer Spannkeilumfangsreihe zusammenwirkt. Die
Spannkeile 26 sitzen jeweils radial in einer ringförmigen Ausnehmung, die zwischen
dem äußeren Rand des Flansches 10 und der Kegelfläche 22 des Kolbens 8 gebildet
ist. Die Spannkeile 26 werden mittels einer Anzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden
Zugfedern oder ähnlichen Zuggliedern, welche die Spannkeile miteinander verbinden,
mit
der Kegelfläche des Kolbens in Berührung gehalten. Alternativ dazu kann jeder Spannkeil
26 mittels einer Zugfeder, welche den betreffenden Spannkeil mit dem linken Flansch
10 verbindet, zur Kegelfläche 22 des Kolbens 18 hin vorgespannt sein. Jeder Spannkeil
26 trägt einen mit seiner Außenfläche radial nach außen weisenden Schuh 28.
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Befindet sich die Vorrichtung in der Lösestellung, so ist der Kolben
18 zurückgezogen, d.h. die Kammer 21 weist ihr Minimalvolumen auf, und die Spannkeile
26 werden durch die Zugglieder nach innen gedrängt, bis jedes Spannglied mit seiner
radial inneren Fläche 30 an einer Schulter 32 des linken Flansches 10 anliegt.
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In dieser Stellung liegen auch die Schuhe 28 der Spannkeile jeweils
mit einem Teil ihrer inneren Fläche an der äußeren Randfläche des linken Flansches
10 an.
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Zum Spannen der Spannkeile 26 wird Hydraulikmittel in die Kammer
21 eingeleitet, so daß sich deren Volumen vergrößert und der Kolben 18 in der Zeichnung
nach links gedrängt wird, so daß die Spannkeile 26 durch die Keilwirkung aufgrund
des Druckes zwischen der Kegelfläche 22 des Kolbens und der radialen Fläche 33 des
linken
Flansches 10 radial nach außen gedrängt werden.
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Der maximale Kolbenhub des Kolbens 18 ist durch Anschläge 46 begrenzt.
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Die Spannkeile 26 können auswechselbar sein, so daß ein und derselbe
Halter zur Halterung von Rohren unterschiedlicher Größen verwendbar ist, indem jeweils
ein Satz Spannkeile entsprechender Größe eingesetzt wird.
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Der zweite ringförmige Halter 4 ist im wesentlichen gleich wie der
erste ringförmige Halter 2 ausgebildet, der oben beschrieben worden ist, mit der
Ausnahme, daß er in entgegengesetzter Richtung orientiert ist und einen vom inneren
Rand seines Flansches 12 aus in der Zeichnung nach links ragenden hohlzylindrischen
Ansatz 34 aufweist.
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Dieser hohlzylindrische Ansatz 34 ragt über das Ende des Tragrohrs
8 hinaus und ist durch eine Stirnplatte 35 verschlossen, an welcher zentrisch ein
in beiden Drehrichtungen wirkender Motor 37 mit einer Welle 38 zur Drehung des Tragrohrs
8 montiert ist.
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Das Tragrohr 8 ragt koaxial durch die beiden Halter 2 und 4 hindurch
und ist durch Rollenlager 6 mit diesen verbunden. Die beiden Halter 2 und 4 sind
derart auf dem
Tragrohr 8 angeordnet, daß ihre einander zugewandten
Stirnflächen 36 und 36' einen so großen Abstand zwischen sich aufweisen, daß zwischen
ihnen ein ununterbrochener Radialspalt gebildet ist, der den Durchtritt und einen
3600-Umlauf eines aus kohärenter Strahlung 49 bestehenden Strahles gestattet, der
von einer Laserstrahlquelle 47 erzeugt wird. Die Laserstrahlquelle 47 ist schematisch
innerhalb des Rohrabschnittes 11 dargestellt, befindet sich jedoch normalerweise
außerhalb des Endes dieses Rohrabschnittes.
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Ein Teleskopsystem 40 dient dazu, den von der Laserstrahlquelle 47
ausgehenden kohärenten Strahl so auszurichten, daß er auf die zu verschweißende
Stoßfuge 41 fällt. Das Teleskopsystem bildet keinen Teil der Erfindung und wird
deshalb nicht näher beschrieben. Das Teleskop 40 ist längs der Achse des Rohrabschnittes
11 angeordnet, und sein Objektivende 39 ragt durch das offene Ende des Tragrohrs
8 in dieses hinein und wird darin durch Lager 50 abgestützt, die eine Winkelbewegung
des Teleskops 40 relativ zur Tragrohrachse ermöglichen. Das andere Ende des Teleskops
40 ist durch vier hydraulisch betätigbare Stützen 52 abgestützt, von denen zwei
(nicht dargestellt) horizontal
verlaufen. Das Teleskop 40 ist über
ein Lager 54 mit den Stützen 52 verbunden, welches eine Drehung des Teleskops mit
Bezug auf die Stützen ermöglicht. An den Enden der Stützen 52 angeordnete Rollen
56 ermöglichen das Entlangfahren der Stützen an der Innenfläche des Rohrabschnittes
beim Verschieben der Vorrichtung entlang des Rohres. Das Objektivende 39 des Teleskops
40 enthält einen vorderseitig reflektierenden Spiegel 42, der so angeordnet ist,
daß er den einfallenden Laserstrahl reflektiert und auf die Stoßfuge 41 zwischen
den aneinanderstoßenden Enden des Rohres 9 und des Rohrabschnittes 11 fokussiert.
Dazu sind das Teleskopgehäuse und das Tragrohr 8 mit Öffnungen 43 bzw. 44 versehen.
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Die Ausgangsleistung der Laserstrahlquelle ist so groß, daß eine Schmelzschweißung
mit ausreichender Tiefe an der Stoßfuge 41 erfolgt.
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Um arbeiten zu können, muß die Vorrichtung unter anderem mit elektrischer
Energie und Hydraulikmittel versorgt werden. Die dazu erforderlichen Versorgungsleitungen
sind zu einem Versorgungsstrang 45 zusammengefaßt, der an beiden Enden lösbar ausgebildet
ist. Der Versorgungsstrang 45 enthält auch Zuleitungen für Wasser und verschiedene
Gase, die für die Schweißung benötigt werden.
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Zum Gebrauch wird die Vorrichtung derart in das freie Ende eines
Rohrabschnittes 9 eingesetzt, daß sich der zweite Halter 4 innerhalb desselben befindet.
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Sodann wird die Vorrichtung koaxial zu diesem Rohrabschnitt ausgerichtet,
wobei sich die zum Halter 4 gehörenden Schuhe 28' neben dem offenen Rohrende befinden.
Sodann werden die Spannkeile 26' betätigt, indem Hydraulikmittel in die Kolbenkammer
21' gepumpt wird, so daß der Kolben 18' die Spannkeile 26' nach außen drängt und
diese sich an der Innenfläche des Rohres 9 anlegen.
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Obwohl bei der Fertigung kreisrunde Rohrabschnitte angestrebt werden,
ist es aufgrund der Herstellungstoleranzen möglich, daß die Rohrabschnitte eine
geringfügige Unrundheit aufweisen. Außerdem werden die Rohrabschnitte häufig durch
Transport- und Lagerungseinflüsse verformt, so daß die Querschnitte ihrer Rohrenden
eine elliptische Form haben oder auf andere Weise von der genau kreisrunden Form
abweichen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung werden sämtliche
Spannkeile 26' bei einem gegebenen Hubweg des Kolbens 18' um die gleiche Distanz
radial nach außen verschoben, so daß, wenn das Rohr unrund ist, der engste
Teil
des Rohres zuerst von den Schuhen 28' erfaßt und nach außen gedrängt wird. Liegen
sämtliche Schuhe 28' and der Innenfläche des Rohres an, ist dieses genau kreisrund.
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Danach wird ein an das Rohr 9 anzuschweißender Rohrabschnitt 11 auf
eine nicht gezeigte Ausrichtvorrichtung gebracht und durch Überschieben über das
Teleskop 40 und den ersten Halter 2 der Vorrichtung unmittelbar an das Rohr 9 herangeführt.
In dieser Stellung befinden sich die Spannkeile 26 der Halterung 2 neben dem anzuschweißenden
Ende des Rohrabschnittes 11.
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Mittels der Ausrichtvorrichtung wird nun der Rohrabschnitt 11 so ausgerichtet,
daß er koaxial mit dem Rohr 9 ist und daß zwischen den beiden miteinander zu verschweißenden
Rohrstirnflächen der gewünschte Spalt gewöhnlich weniger als 0,2 mm, vorhanden ist.
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Die Spannkeile 26 des Halters 2 werden sodann in der gleichen Weise
betätigt, wie anhand der Spannkeile des Halters 4 beschrieben worden ist, so daß
sie sich an die Innenfläche des Rohrabschnittes 11 anlegen.
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Wie zuvor, wird, falls der Rohrabschnitt nicht genau kreisrund ist,
eine vorhandene Unrundheit durch die Vorrichtung beseitigt. Es kann auch vorkommen,
daß
aufgrund von Herstellungstoleranzen die Innendurchmesser der Rohrabschnitte geringfügig
voneinander abweichen. In einem solchen Fall kann die Vorrichtung dazu benützt werden,
das den kleineren Innendurchmesser aufweisende Rohrende radial aufzuweiten, bis
die Abmessungen der beiden Rohrenden gleich sind. Dies erfolgt durch Betätigung
des jeweils entsprechenden Satzes der Spannkeile 26 bzw. 26'.
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Das Maß, bis zu welchem das oder jedes Ende des Rohres 9 und des
Rohrabschnittes 11 aufgeweitet wird, kann entweder durch Anschläge 46 und 46' oder
durch Steuerung des Hydraulikdruckes in den Kammern 21 und 21' begrenzt werden.
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Durch das Angreifen beider Sätze von Spannkeilen 26 und 26' an den
zugehörigen Innenflächen des Rohrabschnittes 11 und des Rohres 9 werden die beiden
Rohrenden in ihrer ausgerichteten Stellung festgehalten und die Stoßfuge wird konstant
gehalten, während die Schweißung stattfindet.
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Vor der Schweißung wird die Breite der Stoßfuge mittels einer Spaltbreitenprüfeinrichtung
geprüft, die
in die Schweißeinrichtung eingebaut ist. Diese Prüfeinrichtung
bildet jedoch keinen Teil der Erfindung und wird deshalb nicht näher beschrieben.
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Die Schweißung erfolgt durch Erregung der Laserstrahlquelle, deren
ausgesandter kohärenter Laserstrahl durch den Spiegel 42 auf die zu verschweißende
Stoßfuge 41 reflektiert wird. Durch Drehung des Tragrohrs 8 und des Teleskops 40
um mindestens eine vollständige Umdrehung kann eine vollständige innere Schweißnaht
zwischen dem Rohrabschnitt 11 und dem Rohr 9 hergestellt werden.
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Nach Herstellung der vollständigen Schweißnaht werden die Spannkeile
26 und 26' gelöst und die Vorrichtung wird längs des Rohrabschnittes 11 zu dessen
offenem Ende bewegt, wozu eine Antriebseinheit 58 dient. Am Ende eines Armes 60
ist ein Mikroschalter 48 angeordnet, der das freie Ende des Rohrabschnittes abtastet
und dann der Antriebseinheit ein entsprechendes Signal zuführt, so daß die Energiezufuhr
zur Antriebseinheit unterbrochen wird, wenn die Vorrichtung die gewünschte Postition
am offenen Rohrende erreicht hat.
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Befindet sich die Vorrichtung in der Arbeitsstellung,
so
befindet sich der Mikroschalter vom offenen Rohrende entfernt in der in Fig. 1 gezeigten
Stellung.
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Die Arbeitsfolge des Festspannens der Vorrichtung, des Aufschiebens
eines weiteren Rohrabschnittes und des Verschweißens der Stoßfuge wird dann bei
jedem weiter anzusetzenden Rohrabschnitt wiederholt.
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Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Spannkeile und
des Flansches des zugehörigen Halters, die so ausgebildet ist, daß die von den Spannkeilen
62 und 62' erfaßten Rohrenden 9 und 11 gegeneinander gespannt werden, um eine satte
Anlage zwischen den beiden Rohrenden sicherzustellen. Infolge der geneigten Flächen
66 und 66' der Flansche 10 und 10' und der entsprechenden Ausbildung der Flächen
68 und 68' der Spannkeile 62 und 62' bewegen sich die Spannkeile beim Vorschub der
Kolben 18 und 18' in Richtung zu den Flanschen 10 und 10 nicht nur nach außen, sondern
gleichzeitig auch axial zur Stoßfuge 41 zwischen den Rohrenden 9 und 11 hin. Wenn
sich die Spannkeile 62 und 62' an die Innenflächen der entsprechenden Rohrenden
anlegen, so werden diese Rohrenden gegeneinander gedrängt.
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Die beiden Rohrenden können auch mittels der in Fig. 3 gezeigten
Anordnung gegeneinander gespannt werden. Bei dieser Anordnung dient der erste Halter
2 als äußerer Kolben in einer äußeren Kammer 78. Der Halter 2 weist einen ringförmigen
Axialflansch 70 auf, der mit Gleitsitz die äußere Randfläche 72 eines Flansches
74 übergreift, der am offenen Ende des Tragrohrs 8 angeordnet ist. Der Axialflansch
70 und der Flansch 74 bilden zusammen mit einer ringförmigen Schulter 76, die vom
Flansch 74 einwärts ragt, die Kammer 78, in welche Hydraulikmittel einleitbar ist.
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Um eine Relativbewegung zwischen dem Tragrohr 8 und dem Halter 2 zu
ermöglichen, sind die Lager 6 auf einer Hülse 80 montiert, die mit Gleitsitz auf
dem Tragrohr 8 sitzt. Eine Erhöhung des Hydraulikdruckes in der Kammer 78 drängt
den Flansch 74 vom Halter 2 weg und bewirkt dadurch, daß das Tragrohr 8 und der
darauf montierte zweite Halter 4 axial zum ersten Halter 2 herangezogen werden.
Auf diese Weise werden, wenn die Spannkeile 26 und 26' an den Rohrenden 9 und 11
angreifen, bei Erhöhung des Hydraulikdruckes in der Kammer 78 die beiden Rohrenden
gegeneinander gedrängt.
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Eine Rückholfeder dient zum Zurückziehen des Halters 2, der als Kolben
wirkt, wenn der Hydraulikdruck verringert wird.
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Bei der in Fig. 4 gezeigten Form des Teleskops 40 ist das in das
Innere des Tragrohrs 8 hineinragende Ende 44 durch eine Kupplung 62 mit dem Teleskopkörper
verbunden, die eine Drehung des Teleskopendes 44 bei feststehendem Teleskopkörper
ermöglicht. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines Lagers, daß die Hydraulikstützen
52 unmittelbar mit dem Eintrittsrohr 64 des Teleskops verbunden sind.
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Eine kleinere weitere Abwandlung besteht darin, daß die Enden der
Stützen 52 mit daran angelenkten Kufen 66 zur Übertragung der Stützkraft auf das
umgebende Rohr versehen sind, während eine Längsverschiebbarkeit des Teleskops und
der Vorrichtung durch die motorgetriebene Antriebseinheit 58 möglich ist.