DE3236745A1

DE3236745A1 - Verfahren zum explosionsverbinden von metallrohren und vorrichtung zum durchfuehren des verfahrens

Info

Publication number: DE3236745A1
Application number: DE19823236745
Authority: DE
Inventors: Bengt 29300 Olofström Persson
Original assignee: Volvo AB
Current assignee: Volvo AB
Priority date: 1981-10-07
Filing date: 1982-10-04
Publication date: 1983-04-21
Also published as: JPH0261356B2; FR2513921A1; FR2513921B1; SE434019B; GB2106817A; GB2106817B; JPS5870988A; DE3236745C2; CA1203970A; SE8105922L

Description

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PATENT- UND RECHTSANWÄLTE

PATENTANWÄLTE DIPL.-1NG. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-INQ. W. LEHN

DIPL.-INQ. K. FÜCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN · DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-IN6. K. GDRQ

DIPL.-ING. K. KOHLMANN ■ RECHTSANWALT A. NETTE

37 546/7 p/hl

AB VOLVO,

Göteborg / Schweden

Verfahren zum Explosionsverbinden von' Metallrohren und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Explosions verbinden von Metallrohren, entsprechend dem die aufeinander zu gerichteten Enden der Rohre·zwischen einem äußeren Metallring und einem inneren Metallring eingesetzt werden, von denen der letztgenannte ein Außenprofil mit geneigten Randseiten hat/ so daß ein keilförmiger Spalt zwischen dem inneren Ring und der äußeren Seitenfläche jedes Rohres gebildet wird, wodurch eine Explosionsladung dazu veranlaßt wird, innerhalb des inneren Ringes zu detonieren.

Verschiedene Verfahren des Explosionsverbindens von Rohren sind bereits bekannt. Beispielsweise beschreibt die GB-PS 766 741 ein Verfahren, gemäß dem die Rohrenden zwisehen einem äußeren Ring und einem inneren Ring eingesetzt werden. Eine Explosionsladung in Form eines Zylinders wird innerhalb des inneren Ringes zur Detonation gebracht. Die Rohrenden und der äußere Ring werden dabei so

ARABELLASTRASSE Λ · D-8000 MÖNCHEN B1 · TELEFON COB93 911Ο87 · TELEX OS-29619 CPATHEJ · TELEKOPIERER O1835S

deformiert, daß eine formabhängige Verbindung zwischen den Rohren erstellt wird« Der innere Ring, welcher aus weichem Material, wie Blei, besteht, wird in den Spalt zwischen den Endflächen der Rohre gepreßt, um diese Endflächen gegen Korrosion zu schützen. Bei der Verwendung dieses Verfahrens besteht ein erhebliches Risiko dahingehend, daß die Verbindung nicht für unter hohem Druck und hoher Temperatur stehende Medien dicht ist. Die mechanische Festigkeit der Verbindung ist praktisch vollständig abhängig von der Deformierung des äußeren Ringes und der Rohrenden, da der innere Ring aus weichem Material besteht, welches nicht die Festigkeit im gewünschten Maße erhöht.

Die US-PS 3 290 721 behandelt ein Verfahren des Explosionsverbindens von dünnwandigen Rohren, die mit einer korrosionsschützenden Beschichtung versehen sind. Die Rohrenden werden in Ringnuten oder Eindrückungen eingesetzt, die sich in den Enden einer Kunststoffhülse befinden, welche die Explosionsladung umgibt* Die Rohrenden sind außerdem von einem getrennten äußeren Ring umgeben, welcher ein Paar--von Ringnuten aufweist. Nach der Detonation geben die Nuten Anlaß zu alternatierenden Vertiefungen und Erhebungen in den Rohrenden der Hülse, wodurch die Rohrenden mit der Kunststoffhülse verriegelt werden. Nach der Detonation wird der äußere Ring aufgespalten und entfernt. Es ist nur möglich, dieses Verfahren 'dann zu verbinden, wenn dünne Rohre verbunden werden sollen. Zum Verbinden von schweren Eisenrohren, beispielsweise bei Pipelines für Öl oder Gas, kann dieses Verbindungsverfahren nicht verwendet werden. Auch kann dieses Verbindung sverfahren nicht für Heizrohre verwendet werden, welche einem Druck von bis zu 20 bar und Temperaturen bis zu 120⁰C widerstehen müssen.

Die Erfindung ist ganz allgemein gesehen dazu bestimmt, ein Verfahren zu schaffen, mit dem durch Explosion eine dichte und hochfeste Verbindung von in erster Linie schweren Metallrohren, wie Rohren für Pipelines oder Distriktheizleitungen hergestellt werden kann. Bis jetzt wurden derartige Rohre miteinander verschweißt, was teuer ist und hochqualifizierte Fachkräfte erfordert, insbesondere da die Schweißarbeit häufig an unzugänglichen Stellen, wie an der Innenseite der Rohre durchgeführt werden muß. In vielen Fällen müssen die Schweißpunkte X-bestrahlt werden, was weiterhin die Kosten erhöht. So ist die Erfindung weiterhin dazu bestimmt, ein einfacheres, weniger Zeit in Anspruch nehmendes Verfahren zum Verbinden von Rohren, insbesondere Rohren, die schwer zugänglich sind, zu schaffen, ohne daß eine aufwendige Ausrüstung erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird entsprechend der Erfindung dadurch gelöst, daß eine ringförmige Explosionsladung verwendet wird, die mit Hilfe von Detonatormitteln zur Detonation gebracht wird, wodurch in der radialen Mittelebene der Ladung eine gleichmäßig über den Umfang der Ladung verteilte Detonation erzeugt wird, um entgegengesetzt gerichtete Detonationswellen zu erzeugen, die von der Mittelebene der Ladung ausgehen, wobei die Explosionskraft der Ladung so angepaßt ist, daß der Kollisionsdruck zwischen den Rohrenden und dem inneren Ring beim Expandieren des letzteren eine Verschweißung zwischen dem Material des inneren Ringes und dem Material der Rohrenden erzeugt.

Die Erfindung basiert auf der Idee des Schaffens von Zuständen gleich denen beim Explosionsschweißen von zwei Blechen (beispielsweise), bei dem ein Blech nach einem kurzen Beschleunigungsabstand mit dem anderen Blech zusammenstößt, indem die Detonation an einem Ende angesetzt wird, so daß die

Kollision sukzessive in Richtung auf das andere Ende stattfindet. Dadurch, daß entsprechend der Erfindung ein innerer Ring mit geneigten Profilflächen verwendet wird und die Detonation im Zentrum eingeleitet wird, pflanzen sich die Kollisionszonen vom Zentrum in entgegengesetzten Richtungen zu den Enden des inneren Ringes fort.

Das Verbinden der Rohre an unzugänglichen Stellen ist insbesondere einfach, wenn bei der bevorzugten Anwendung des Verfahrens entsprechend der Erfindung der innere Ring zuerst mit dem äußeren Ring fest verbunden wird, und zwar unter Zuhilfenahme von Abstandsmitteln, welche zentral zwischen den Seitenrändern der Ringe angeordnet werden. Der äußere Ring mit dem angebrachten inneren Ring kann dann über ein Rohrende geschoben werden, bis die Kante des Rohrendes gegen die Abstandsmittel im Spalt zwischen den Ringen anstößt. Nach dem Befestigen der ringförmigen Explosionsladung an der Innenseite des inneren Ringes wird das äußere Rohrende in den Spalt zwischen den Ringen eingesetzt, bis dessen Endkante gegen die AbStandsmittel stößt. Dieses Verfahren erfordert keinen Zugang zur Verbindung selbst. Eher ist es ausreichend, daß das äußere Ende eines der Rohre zugänglich ist, so daß eine Kraft auf dieses Ende aufgebracht werden kann, um die Rohre zusammenzustoßen. Die Abstandsmittel stellen sicher, daß die Ringe präzise in Relation zu den Rohrenden zentriert werden, das für die Erzielung einer gleichförmigen Deformation und einer gleichförmigen Verschweißung der Rohrenden wesentlich ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht durch eine Ausführungsform einer Kupplungsvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens entsprechend der Erfindung, angewendet auf ein Paar von Rohrenden,

Fig. 2 eine modifizierte Ausführungsform des Innenrings gemäß Fig. 1,

Fig. 3 und 4 Längsschnittansichten durch zusätzliche Ausführungsformen des Außenringes und des Innenringes vor und nach der Detonation und

Fig. 5 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Abstandselements.

In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 Endabschnitte eines Paares von Standardeisenrohren mit einem Durchmesser von 32 cm, auf die eine Kupplungsvorrichtung entsprechend der Erfindung befestigt wird. Diese Kupplungsvorrichtung umfaßt einen äußeren Eisenring 3 größerer Dicke als die*Dicke der Rohre und konsequenterweise höherer Festigkeit in Radialrichtung als die Rohre. Der Ring 3 ist mit einer inneren Umfangsnut 4 hergestellt, die im wesentlichen eine V-Form hat, deren Randseiten 5, 6 jeweils auf einer Seite einer schmalen, flachen Bodenflache 7 zueinander geneigt verlaufen. Wie der Figur zu entnehmen ist, verlaufen die Ende der Rohre 1,2 nur bis zu der Grenze zwischen der Bodenfläche 7 und den genannten Randseiten 5,6.

Innerhalb des Rohres befindet sich im Zentrum der Nut 7 ein innerer Eisenring 8, dessen Breite nahezu gleich der Breite der Nut 4 ist. An ihrer Oberseite weist dieser innere Eisenring 8 geneigte Flächen 9,10 auf, welche dieselbe Neigung haben wie die Randseiten 5,6 der Nut. Die Flächen 9, 10 sind durch eine flache Nut 11 mit einem ebenen, flachen Boden von-

einander getrennt, wobei die Breite dieser Nut gleich der Breite der Bodenfläche 7 ist. Der äußere Eisenring 3 und der innere Eisenring 8 sind mit Hilfe von Abstandsmitteln miteinander befestigt, welche Abstandsmittel aus einem wellenförmig ausgebildeten Stahlband 12 bestehen können.Dieses Stahlband ist detailliert in Fig. 5 dargestellt und hat einander abwechselnde, versetzte Abschnitte 13 und 14, die in der in Fig. 2 dargestellten Lage der Ringe mit dem Boden der Nut 4 punktgeschweißt und in die Nut 11 des inneren Eisenrings 8 eingeschnappt sind. Das Stahlband 12 hat eine Elastizität, die eine Federbewegung entsprechend der Tiefe der Nut 11 erlaubt. In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 15 die Schweißpunkte mit der Nut 4. Alternativ kann das Stahlband 12 in gleichmäßig verteilte kurze Segmente unterteilt sein, d.h. zwischen den strichpunktierten Linien in Fig. 5. Durch Verwendung eines elastisch nachgiebigen Bandes, welches in die Nut des inneren Eisenringes einschnappt, wird die Anordnung einfach, da die vorhandenen geneigten Flächen 9, 10 dazu verwendet werden, das Stahlband außerhalb des Weges zu drücken. Ein zusätzlicher Vorteil hinsichtlich der Verwendung von Abstandsmitteln des beschriebenen Typs besteht darin, daß dieser nach der Deformation einen nur sehr geringen Raum einnimmt, wie dies weiter unten beschrieben wird.

In Fig. 1 zeigt die obere Hälfte die Lage und die Form der Komponententeile vor der Detonation einer Explosionsladung (schematisch dargestellt), die am inneren Eisenring 8 befestigt ist. Die Explosionsladung, welche aus einer ringförmigen Dynamitladung besteht, die in eine Papierhülle eingeschlossen ist, wird mittels einer Anzahl von Detonatoren 17 zur Detonation gebracht, welche Detonatoren gleichmäßig über den.Umfang der Ladung verteilt angeordnet und mit elektrischen Drähten 18 verbunden sind, die durch eines der Rohre verlaufen. Nach der Detonation mit der'begleitenden Expansion des inneren Eisenringes 8 wird eine Verbindung mit einem Erscheinungsbild erzielt,

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welches in der unteren Hälfte der Fig. 1 dargestellt ist. Die Rohrenden werden konisch nach außen erweitert und zwischen den Eisenringen 3 und 8 eingeklemmt, woraus eine Verbindung mit einer Zugfestigkeit erzielt wird, die vollständig mit der des Rohres selbst vergleichbar ist. Eine geeignete Proportionierung der Explosionsladung zusammen mit einer sorgfältigen Reinigung der Verbindungsbereiche schafft ebenso ein Verschweißen zwischen dem Material des inneren Eisenringes 8 und des Materials der Rohre 1, 2 im

TO Bereich zwischen den Pfeilen in Fig. 1, um so auch eine dichte Verbindung zu schaffen. Das Stahlband 12 wird leicht im Raum zwischen den Rohrenden zusammengefaltet, so daß es den Deformationsvorgang nicht behindert bzw. unterbricht. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sieht der innere Eisenring 8 einen praktisch glatten - Übergang zwischen den Rohrenden "vor, so daß die Verbindung keine Turbulenzen in dem durch die Rohre strömenden Medium erzeugt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird die größte Länge des Momentenarmes bei der anfänglichen Deformation der Rohre erzielt, wenn der innere Eisenring 8 gegen die Rohrenden stößt, und zwar in der Nähe ihrer äußeren Ränder. Da die Größe der Ladung zunächst von der durchzuführenden Deformationsarbeit abhängig ist, minimiert diese Anordnung die Größe der erforderlichen Ladung. Über Ventilationslöcher bzw. Leitungen 19, die gleichmäßig um den äußeren Eisenring 3 angeordnet sind und die Nut 4 mit der Atmosphäre verbinden, kann das in der Nut eingeschlossene Medium schnell evakuiert werden, was weiterhin dazu beiträgt, die Größe der Ladung klein zu halten.

Die optimale Form der Nut 4 des äußeren Eisenringes 3 und des inneren Eisenringes 8 kann in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren verändert werden, wie beispielsweise die 35

Rohrdimension, die Materialeigenschaften, die Schweißanforderungen etc. Fig. 2, 3, und 4 zeigen verschiedene modifizierte Ausführungsformen des äußeren Eisenringes 3 und des inneren Eisenringes 8, bei denen dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 für die entsprechenden Teile verwendet werden.

Claims

PATENT-UND RECHTSANWÄLTE

PATENTANWÄLTE DIPL.-ΙΝβ. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN

DlPL₁-INe. K. FUCHSLE · DR. RER. NAT, B. HANSEN · DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. GDRG

DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE

37 546/7 p/hl

AB VOLVO,

Göteborg / Schweden

Verfahren zum Explosionsverbinden von Metallrohren und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Ansprüche

Verfahren zum Explosionsverbinden von Metallrohren, entsprechend dem die aufeinander zu gerichteten Enden der Rohre zwischen einem äußeren Metallring und einem inneren Metallring eingesetzt werden, von denen der letztgenannte ein Außenprofil mit geneigten Profilseiten aufweist, so daß ein keilförmiger Spalt zwischen dem inneren Ring und der inneren Seitenfläche jedes Rohres ausgebildet ist, wonach eine Explosionsladung innerhalb des inneren Ringes zur Detonation gebracht wird, dadurch gekennzeichnet , daß eine ringförmige Explosionsladung (16) verwendet wird, die mit Hilfe von Detonatormitteln (17) zur Detonation gebracht wird, wodurch in der radialen Mittelebene der Ladung eine gleichmäßig über den Umfang der Ladung verteilte Detonation erzeugt wird, um entgegengesetzt

ARABELLASTRASSE 4 ■ D-QOOO MÜNCHEN 81 · TELEFON COSS} 911087 · TELEX 05-29619 CPATHEJ . TELEKOPiCKER ÖlOGCG

gerichtete Detonationswellen zu erzeugen, die von der Mittelebene der Ladung ausgehen, wobei die Explosionskraft der Ladung so angepaßt ist, daß der Kollisionsdruck zwischen den Rohrenden (1, 2) und dem inneren Ring (8) beim Expandieren des letzteren eine Verschweißung zwischen dem Material des inneren Ringes und dem Material der Rohrenden erzeugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Ring (8) zunächst mit Hilfe von Abstandsmitteln (12), die zentral zwischen den Randflächen der Ringe angeordnet sind, mit dem äußeren Ring (3) fest verbunden wird, daß der äußere Ring danach über ein Rohrende (1, 2) geschoben wird, bis die Endkante des Rohres innerhalb des Spaltes zwischen den Ringen gegen die Abstandsmittel stößt, und daß das andere Rohrende, nachdem die ringförmige Explosionsladung (16) auf der Innenseite des inneren Ringes angebracht worden ist, in den Spalt zwischen den Ringen eingesetzt wird, bis dessen Endkante gegen die Abstandsmittel stößt, wonach die Explosionsladung zur Detonation gebracht wird.
3. Vorrichtung zum Explosionsverbinden von Metallrohren zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit einerseits einem äußeren Metallring und einem inneren Metallring, zwischen denen die aufeinander zu gerichteten Enden der Rohre eingesetzt sind, wobei der innere Metallring ein äußeres Profil mit geneigten Flächen aufweist, und andererseits mit einer in den inneren Ring einsetzbaren Explosionsladung, dadurch gekennzeichnet , daß die Explosionsladung (16) ringförmig ist und mit Detonationsmitteln (17) versehen ist, die so angeordnet sind, daß eine gleichmäßig über den Umfang der Ladung verteilte Detonation in der radialen Mittelebene der Ladung erzeugbar ist, und daß die Explosionskraft der Ladung so angemessen ist, daß der Kollosionsdruck zwischen den Rohrenden (1,2)

und dem inneren Ring (8) beim Expandieren des letzteren eine Verschweißung zwischen dem Material des inneren Ringes und dem Material der Rohrenden erzeugt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ring (3) und der innere Ring (8) durch Abstandsmittel (12), die zentral zwischen den geneigten Randseiten (9,10) des Innenringes angeordnet sind, miteinander befestigt sind, und daß die ringförmige Explosionsladung (16) an der Innenseite des inneren Ringes befestigt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmittel aus einem elastisch nachgiebigen Element (12) bestehen, welches radial innerhalb der Mitte der inneren Seitenfläche des äußeren Ringes verläuft und gleichmäßig entlang dem Umfang verteilt ist, wobei das Element in einer ümfangsnüt (11) der äußeren Seitenfläche des inneren Ringes verläuft.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch nachgiebige und beim Explosionsverbinden plastisch verformbare Element aus einer oder mehreren wellenförmigen Stahlbändern (12) besteht, welche fest mit dem Außenring verschweißt werden und in die Nut (11) des inneren Ringes (8) eingeschnappt sind. ·