DE3523221A1 - Verfahren zum verschrauben von rohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschrauben von Rohren mit gasdichten Verbindungen, bei welchen die Abdich­ tung durch eine metallische Berührung zwischen zwei den Ver­ schraubungsgewinden benachbarten Dichtsitzflächen im Bereich ineinandergreifender Anschlagschultern erzielt wird, wobei zunächst die Gewinde unter Einhaltung eines vorgeschriebenen Drehmomentenverlaufes ineinandergeschraubt werden, insbeson­ dere zum Herstellen von Bohrrohrleitungen, Futter- und Steig­ rohren.

Um eine Schraubverbindung zwischen zwei an ihren Enden mit Gewinde versehenen Rohren herzustellen, ist es bekannt, eine bestimmte Anzahl von Gewindegängen in gegenseitigen Eingriff zu bringen und ein bestimmtes Drehmoment anzuwenden. So be­ schreibt die DE-PS 28 17 910 ein Verfahren, womit dafür ge­ sorgt wird, daß die Verschraubung der Gewindegänge unter Ein­ haltung eines vorgegebenen Verhältnisses von Drehmoment zur Anzahl der Drehungen erfolgt. Sobald das vorgeschriebene Ver­ hältnis mit unzulässigen Abweichungen verlassen wird, sorgt eine automatische Abschaltung für die Stillsetzung der Ver- schraubungszangen und eine Wiederholung des Vorgangs. Die vollständige Verschraubung der Gewindegänge führt jedoch noch nicht zu einer genügenden Gasdichtigkeit bei nur mit Gewinden versehenen Verbindungen. Zu diesem Zweck sind die ineinandergreifenden Enden der Rohre neben den Gewinden mit Dichtsitz- und Anschlagschultern versehen. Erst durch das An­ einanderpressen dieser Dichtsitze wird die genügende Abdich­ tung gegen Leckangen erzielt. Die dafür aufzubringenden Dreh­ momente liegen wesentlich höher als die Gewindeverschrau­ bungsmomente. Um die notwendige Dichtigkeit zu erreichen, wurden von den Rohrherstellern für die verschiedenen verwen­ deten Rohrtypen Verschraubungsdrehmomente vorgegeben. Diese Werte berücksichtigen jedoch nicht den Anteil des Drehmoments während der Verschraubung der Gewindegänge bis zum losen An­ einanderliegen der Schultern und den Anteil des Drehmoments, der der anschließenden Schultervorspannung entspricht. Dadurch kann es in Extremfällen entweder zu einer nicht ausreichenden Vorspannung an den Dichtsitzflächen oder zu einer Überlastung der Schulter mit plastischer Verformung kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verschraubungs­ verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, womit es möglich ist, optimale Schultervorspannwerte während des Ver­ schraubvorganges von Rohren mit Schulterverbindungen zu er­ reichen und dabei eine einheitliche Spannungskontrolle des gesamten Stranges zu sichern. Die optimalen Schultervorspann­ werte können somit im sicheren Bereich, d. h. unterhalb schäd­ licher Materialbelastungswerte liegen, wobei die optimalen Schultervorspannwerte und damit die angestrebte Gasdichtheit der Verbindung erreicht werden. Der optimale Schultervorspann­ wert entspricht dem Wert, der notwendig ist, um eine Metall- auf Metallflächenpressung zu gewährleisten, die größer als der maximale Wert des Druckunterschiedes zwischen innen und außen unter Berücksichtigung der maximalen Zugspannungen des Stranges ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ist durch folgende, nacheinan­ der ablaufende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

• a) die Verschraubung wird nach Überschreiten eines Bezugs­ drehmomentes so lange fortgesetzt, bis sich die Anschlag­ schultern berühren,
• b) das der Gewindeverschraubung bis zum drucklosen Schulter­ anschlag entsprechende Drehmoment M ₁ wird gemessen,
• c) durch Addition des Drehmomentes M ₁ mit einem rohr- und materialspezifischen Schultervorspannmoment M _s wird das Enddrehmoment M ₃ ermittelt und
• d) der Schraubvorgang eines vorgegebenen Schulterdrehmomen­ tenverlaufes wird unter Einhaltung zulässiger Toleranzen fortgesetzt bis die Höhe des Enddrehmomentes M ₃ erreicht ist.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Ver­ schraubungszangen mit einem Sondersystem zur automatischen Kontrolle der hydraulischen Leistungsaufnahme verwendet. Für die automatische Verschraubungskontrolle im Hinblick auf die erfindungsvariablen Werte des Enddrehmomentes, das den fe­ sten Wert des Schulterdrehmomentes umfaßt, sorgt ein EDV- gesteuertes hydraulisch-elektronisch regulierbares Steuer­ ventil.

Zum Messen der Verschraubungsenergie und der Werte der axialen Spannung und Dehnung in den Anschlagschultern der Verbindung werden elektronische Dehnungsmeßstreifen von hoher Genauigkeit verwendet. Die aufgezeichneten Werte der Widerstandsänderungen bei der Dehnung werden elektro­ nisch in einen Prozeß-Computer eingegeben, wo dieselben in entsprechende Kontrollsignale beim Verschrauben umge­ wandelt werden. Beispielsweise kann an einer hydraulischen Zange mit integrierter hydraulischer Konterzange eine Zug­ dose mit Dehnungsmeßstreifen zwischen Zange und Konterzan­ ge fixiert werden. An einer Zange ohne integrierte hydrau­ lische Konterzange befindet sich die Zugdose mit Dehnungs­ meßstreifen am Konterseil.

Beim Verschrauben bzw. bei der Unterzugstellung der Zugdo­ se emitiert der Dehnungsmeßstreifen ein entsprechendes Sig­ nal der Widerstandsänderung. Dieses Signal wird gleichzeitig in den Prozeß-Computer eingegeben. Durch ein spezielles Pro­ gramm wird dieser Impuls in Form eines entsprechenden Sig­ nals des Drehmomentes und/oder der Vorspannung gleichzeitig zur Aufzeichnung und Kontrolle unter realen Zeitverhältnis­ sen weitergegeben. Gleichzeitig wird auch die Änderung im Dehnungsverhalten kontrolliert.

Eine automatische Bewertung und Kontrolle ist von der Aus­ führungsform (Typ) der Verbindungselemente, von der Fertigung, von operativen und/oder empirischen Kriterien oder Spezifika­ tionen abhängig. Verschiedene Parameter, feste und/oder vari­ able Werte sind in die Computerprogramme eingebaut und werden für eine automatische Auswertung der Vollständigkeit und Qua­ litätskontrolle der Verschraubung verwendet. Diese Werte bzw. Signale sind wählbar und können wie folgt sein:

• 1. Variable maximale und minimale Grenzwerte für das Gewinde- Drehmoment,
• 2. feste Werte für die Schultervorspannung bzw. entsprechende Schulterdrehmomente mit
  • a) einem Minimalwert für eine notwendige Metall- auf Metall­ dichtsitz-Flächenpressung,
  • b) einem Maximalwert, der der Mindestgrenze des Vorspannens und der betrieblichen Sicherheitsgrenze entspricht,
  • c) die für jede beliebige Operation notwendigen spezifischen Werte, welche sich zwischen den minimalen und maximalen Vorspannwerten befinden,
• 3. der Wert, der der maximalen elastischen Deformation ε 0,2 bis ε 0,5 (0,2-0,5%) entspricht.

In dem Moment, in dem das Dehnungsmeßstreifen-Kontrollsignal einen der festen und/oder variablen vorgenannten Werte im Hinblick auf die Programm- und Kontrollkriterien erreicht, emitiert der Computer ein Befehlssignal, um die hydraulische Leistungsaufnahme der Zange zu unterbrechen. Dieses Signal ist ein elektronischer Impuls und schließt automatisch durch einen Elektromagneten das regulierbare Kontrollventil ab. Gleichzeitig wird automatisch die Bewertung der Verschrau­ bungsqualität der Verbindung durchgeführt und als Graphik auf der Grundlage der akzeptierten Werte des Vorspannens des Drehmomentes und der Deformation dargestellt. Die Sym­ bole "GUT" oder "SCHLECHT" werden automatisch ausgedruckt.

Das elektronische Datenverarbeitungssystem (Hardware und Software) ist so zusammengestellt, daß es auch im Falle einer mangelhaften Verschraubungsverbindung bzw. beim Unter- oder Überschreiten der notwendigen Werte des Drehmomentes und/ oder der Vorspannung ein Kontrollsignal (Befehlssignal) ab­ gibt, um eine sofortige Unterbrechung der hydraulischen Lei­ stungsaufnahme zu sichern. Es verhält sich damit ebenso wie bei einer guten Verbindung, wenn nach Abschluß eines Ver­ schraubungsvorganges die vorgesehenen Bedingungen des Drehmo­ mentes und der Vorspannung erfüllt sind.

Das Hardware-Kontrollgerät umfaßt eine Dehnungsmeßstreifen- Zugdose, den Haupt-Computer und einen elektronischen Magnet­ teil des regulierbaren Unterbrechungsventils, der die hydrau­ lische Leistungsaufnahme mit Hilfe eines elektronischen Sig­ nals vollkommen unterbricht. Als Standardtyp des Computers wird ein Gerät mit einer Minimalkapazität 16k byte und 50 CPS mit Bildschirm und Schreiber (Printer) für Aufzeichnung, Verarbeitung, Registrierung und Kontrolle des Vorspannpro­ zesses der Schulterverbindungen verwendet.

Als Software wird ein spezielles Programm zur Aufnahme des Verschraubungsprozesses als Ergebnis der Widerstandsänderung des Dehnungsmeßstreifens und der festen und variablen Daten im Zusammenhang mit den Eigenschaften der Verbindungen verwen­ det. Diese Programme ermöglichen gleichzeitig eine automati­ sche Computer-Kontrolle des Drehmomentes, der Schultervor­ spannung und der Deformation während des Verschraubungsvor­ ganges der Schulterverbindungen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schultervor­ spannung innerhalb der Verbindung gemessen, um die Vollstän­ digkeit der Verbindung zu sichern. Dieses System ist einem Messen des gesamten Drehmomentes als Grundparameter überlegen. Der Bereich der Druckvorspannung in den Verbindungsschultern mit einem zumindest notwendigen Wert wird vorgewählt und auto­ matisch angewandt. Dadurch können alle Verbindungen der ge­ samten Rohrstränge einheitlich auf den vorgegebenen Wert vor­ gespannt werden. Hierdurch wird eine optimale Anwendung des Vorspannprinzipes in den Schulterbereichen der Verbindungen erreicht und das Dichtungsprinzip der Metall auf Metall-Ver­ bindung optimiert. Während der Verschraubung ist eine unmit­ telbare Kontrolle des Materialverhaltens innerhalb der Ver­ bindung im elastischen/plastischen Deformationsbereich mög­ lich. Alle Verbindungen der Rohrstränge, deren Schultern einheitlich und optimal vorgespannt sind, ermöglichen eine bessere Kontrolle der gesamten Spannung während des Produk­ tionsprozesses und des Ein- und Ausbaues des Stranges. Durch das Verschrauben der Verbindungen mit den minimal notwendi­ gen Schultervorspannungen wird die operative Aufnahmefähig­ keit des ganzen Förderstranges für zusätzliche Druckspannun­ gen der Verbindungen während der weiteren Produktion erwei­ tert, was besonders wichtig und vorteilhaft ist, um Spannungs­ korrosion bei Einsatz von Rohrmaterialien aus hochlegierten Stählen weiter zu reduzieren. Ein weiterer großer Vorteil ist die Vermeidung nachteiliger Einflüsse durch Produktions- und Betriebstoleranzen infolge direkter Kontrolle des Zapfen/Muf­ fen-Gewindeeingriffs. Durch Einsatz dieser Methode wird auch der Einfluß verschiedener Reibungskoeffizienten unterschied­ licher Schmiermittel und deren Reibungseffekte mit verschie­ denen Teilen der Verbindungen (Gewinde, Stoß, Metall auf Metall-Berührung) unter Kontrolle gebracht. Der größte wirt­ schaftliche Vorteil ist durch die größere Lebensdauer und die Wiederverwendung der Verbindungen gegeben, da die Anwendung des minimalen rohr- und materialspezifischen Vorspannmomentes MS das Material schont und eine vermehrte Verwendung des Rohr­ materials sichert.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung sche­ matisch dargestellt und nachstehend erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1-3 verschiedene Verbindungsausführungen mit Schulter­ anschlägen und Metall- auf Metalldichtsitzen sowie deren Drehmomentverläufe bis zur Herstellung einer vollständig verschraubten Verbindung graphisch auf­ gezeichnet,

Fig. 4 eine Übersichtsskizze über eine hydraulische Ver­ schraubungszange mit zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens vorgesehenen Einrichtungen.

Der Punkt 1 entspricht dem Wert des endgültigen Gewindedreh­ momentes sowie des ersten Zapfen/Muffen-Schulterkontaktes mit der Spannung Null. In diesem Moment liegen also die Schul­ tern lose aneinander, ohne einen Druck aufeinander auszuüben. Der Punkt 3 entspricht dem minimal notwendigen Wert der axia­ len Schulterdruckvorspannung, die jeweils vom Punkt 1 nach oben aufgetragen wird, also einer Addition zum Wert des Punk­ tes 1 entspricht. Der Punkt 4 entspricht dem festen Endwert des Verschraubmomentes nach heutiger Technik. Dadurch kann es zu einer ungenügenden Vorspannung der Anschlagschulter, d. h. zu einer ungenügenden Metalldichtsitzflächenpressung oder zu einer zu hohen Spannung mit Materialschädigung kommen, wie dies insbesondere in Fig. 1 mit den Verlaufsbeispielen II und III veranschaulicht wird. Der Endwert berücksichtigt nicht die unterschiedliche Aufteilung und den Bedarf der Verschrau­ bungsenergie auf bzw. für den Gewindeanteil (Punkt 1) und den Anschlagschulteranteil (Punkt 3). Werden dagegen nach dem er­ findungsgemäßen Verfahren die Schultervorspannwerte entspre­ chend einem vorgegebenen rohr- und materialspezifischen Dreh­ moment berücksichtigt, so erhalten alle Schulterverbindungen bei den Ausführungsbeispielen I bis III gleiche Vorspannwerte (Differenzen zwischen den Punkten 1 und 3). Das Beispiel des Kurvenverlaufs IV zeigt dagegen, daß bei einem Verfahren nach dem Stand der Technik eine unnötig hohe Spannung (Punkt 4) in der Nähe der Mindeststreckengrenze erreicht wird. Hierdurch wird die Einsatzfähigkeit und die Einsatzdauer der Verbindung bzw. des gesamten Rohrstranges unter Dauerbeanspruchung durch zusätzliche Lasten im Komplettierungs- und Produktionszustand reduziert, was auch zu einem Bruch in den Verbindungen führen kann.

In den Fig. 2 und 3 sind andere Formen von gasdichten Schulterverbindungen dargestellt, wobei jedoch auch hier erkennbar ist, daß für diese Ausbildungen das erfindungs­ gemäße Verfahren Anwendung finden kann. Der Kurvenverlauf der Fig. 2 zeigt einen zusätzlichen Punkt 2, der nicht un­ mittelbar mit Punkt 1 zusammenfällt, sondern den Beginn der direkten Anlage für den axialen Metalldichtsitz anzeigt. Der Bereich zwischen den Punkten 1 und 2 zeigt also den di­ rekten Energieanteil des axial gerichteten Metall auf Me­ tall-Dichtsitzes. In den Fig. 1a bis 1d sind die ein­ zelnen graphischen Darstellungen der Fig. 1 zur besseren Übersicht im einzelnen dargestellt.

Die hydraulische Kraftzange 10 mit zugehöriger hydraulischer Konterzange ist mit einem Druckunterbrechungsventil 12, einer Steuerdruckanzeige 13 und einer Lastdose mit Dehnungsmeß­ streifen 16 ausgerüstet. Die Verbindungsleitungen für die Hy­ draulikflüssigkeit sind mit 14 a (Vorlauf) und 14 b (Rückführ­ leitung) bezeichnet. Von dem Druckunterbrechungsventil 12 und der Lastdose 16 mit dem Dehnungsmeßstreifen führen elek­ trische Verbindungsleitungen zu einem Prozeßcomputer 18, der mit einem Bildschirm 19 mit X-Y-Auswerter und einem Drucker 20 ausgerüstet ist.

Claims (6)

1. Verfahren zum Verschrauben von Rohren mit gasdichten Verbindungen, bei welchen die Abdichtung durch eine metal­ lische Berührung zwischen zwei den Verschraubungsgewinden benachbarten Dichtsitzflächen im Bereich ineinandergreifen­ der Anschlagschultern erzielt wird, wobei zunächst die Ge­ winde unter Einhaltung eines vorgeschriebenen Drehmomentenver­ laufes ineinandergeschraubt werden, insbesondere zum Herstel­ len von Bohrrohrleitungen, Futter- und Steigrohren, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Verschraubung nach Überschreiten eines Bezugsdrehmo­ mentes so lange fortgesetzt wird, bis sich die Anschlag­ schultern berühren,
• b) das der Gewindeverschraubung bis zum drucklosen Schulter­ anschlag entsprechende Drehmoment (M ₁) gemessen wird,
• c) durch Addition des Drehmomentes (M ₁) mit einem Rohr- und materialspezifischen Schultervorspannwert (M _s ) das End­ drehmoment (M ₃) ermittelt und
• d) der Schraubvorgang eines vorgegebenen Schulterdrehmomenten­ verlaufes unter Einhaltung zulässiger Toleranzen fortge­ setzt wird, bis die Höhe des Enddrehmomentes (M ₃) erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schultervorspannmoment (M _s ) einem minimalen Schultervor­ spannwert (S _s ) entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der minimale Schultervorspannwert (S _s) einen für den jewei­ ligen Anwendungsfall optimalen Wert hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozeß-Computer ein elektronisch gesteuertes hydrau­ lisches Antriebssystem unterbricht, sobald die Spannungs-/ Dehnungswerte und die Drehmomentwerte ihre jeweils vorgege­ benen optimalen Werte erreichen oder vorgegebenen Grenzwerte über- bzw. unterschreiten.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 unter Verwendung einer hydraulischen Kraftzange mit integrierter hydraulischer Kon­ terzange, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zugdose (16) mit Dehnungsmeßstreifen zwischen der Kraftzange und der Konter­ zange angeordnet und mit einem Prozeß-Computer (18) elektrisch verbunden ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß über den Prozeß-Computer eine Druck-Unterbrechungsventilan­ ordnung zur Unterbrechung der Zufuhr der Hydraulikflüssigkeit zum Hydraulikmotor steuerbar ist.