DE3819233C2 - Verfahren zum Herstellen von Knoten für große Fachwerksrohrkonstruktionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Knoten für große Fachwerksrohrkonstruktionen, wie Gerüste zum Abstüt­ zen von Offshoreplattformen für die Öl- und Gasprospektion und -produktion, bei denen lange rohrförmige Pfosten über rohrför­ mige Streben mittels Knoten als Zwischenelemente miteinander verbunden sind und die Knoten einen Stutzen als Verbindungsele­ ment zwischen Pfosten und Streben aufweisen.

Gewisse Arten von Offshore-Plattformen werden durch Konstruk­ tionen abgestützt, die aus langen röhrenförmigen Elementen oder Pfosten bestehen, welche durch rohrförmige Querelemente, sog. Streben, verbunden sind. Diese Konstruktionen stehen kontinu­ ierlich unter Spannung, nicht nur aufgrund des Gewichts der Plattform, sondern auch aufgrund der Wellen des Ozeans, wobei die zyklische Belastung erheblich ist. Solche Konstruktionen müssen daher eine sehr beachtliche Zug-, Kompressions-, Biege- und insbesondere Ermüdungsfestigkeit aufweisen.

Ein wesentlicher Punkt der Kräfteansammlung ist die Übergangs­ zone zwischen Pfosten und Querstrebe. Diese Zone muß daher so ausgelegt und so sorgfältig konstruiert sein, daß sie den hohen Kräften standhält, denen diese Zone über die sehr lange Lebens­ dauer der Plattform, während der es praktisch unmöglich ist, eine Wartung auszuführen, ausgesetzt ist.

Der übliche Aufbau der die Plattform abstützenden Konstruktio­ nen besteht aus geschweißten Rohren und ist aus einer Vielzahl von Gründen nicht als zufriedenstellend anzusehen. Ein Haupt­ nachteil besteht darin, daß sich die Schweißnähte zwischen den Pfosten und Streben genau in der erwähnten Übergangszone befin­ den, d. h. dort, wo die maximale Lastkonzentration auftritt.

Dieser Umstand verdient insbesondere Beachtung, weil es in Kon­ struktionen dieser Abmessungen sehr schwierig ist, vollkommen gesunde Schweißungen vorzunehmen und diese auch zu überprüfen.

Die Druckschrift WO 86 01 752 A1 offenbart ein Verfahren zur Her­ stellung eines Knotens, bei dem zunächst ausgehende von einem Stahlblech ein Stutzen in diesem geformt wird, wobei das Stahl­ blech entsprechend dem Pfosten gekrümmt und der Stutzen extru­ diert wird. Danach wird das mit dem Stutzen versehene, gekrümm­ te Blech zur Bildung des Knotens mit weiteren, entsprechend dem Pfosten geformten Blechen verbunden.

Aus der Druckschrift GB 635 883 ist ein Verfahren bekannt zum Herstellen von Verbindungselementen für die Verbindung von rohrförmigen Elementen in bestimmten Winkeln zueinander, bei dem das Verbindungselement ausgehend von einem Stahlband herge­ stellt, ein Vorsprung durch Bildung auf einer Matrize erzeugt, das Teil längs der Mittellinie des Vorsprungs gebohrt und der durchbohrte Teil auf die Endgestalt des Stutzens extrudiert wird, wobei das Blech ebenfalls in eine U-förmige Gestalt mit einem Krümmungsradius, der dem des Pfostens angepaßt ist, gebo­ gen wird.

Die Druckschrift DE-PS 925 325 offenbart eine Knotenpunktverbin­ dung für geschweißte Rohrkonstruktionen mit einem kappenförmi­ gen Verbinder, der mit seinen Kappenrändern gegen den Umfang eines Rohres angeschweißt und mit in die Anschlußenden der an­ deren Rohre eingreifenden Ausdrückungen oder diese Enden auf­ nehmenden Aushalsungen versehen ist, die mit den Rohranschluß­ enden ringförmig verschweißt sind.

Die Druckschrift DE 27 54 563 A1 lehrt ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Durchziehen abgewinkelter Kragen von Löchern einer Metallplatte sowie eine mit einem oder mehreren auf diese Art und Weise mit Kragen versehene Platte.

Die Druckschrift GB 361 794 offenbart ferner ein Verfahren zum Herstellen von Fachwerkskonstruktionen, gebildet aus länglichen Elementen, sogenannten Pfosten, die über rohrförmige Transver­ salemente, sogenannte Streben, über Zwischenelemente, sogenann­ te Knoten, miteinander verbunden sind, die je mit wenigstens einem Verbindungselement, dem sogenannten Stutzen, zwischen Pfosten und Streben versehen sind.

Die vorstehend genannten Lösungen sind zwar vom theoretischen Standpunkt aus interessant, jedoch tatsächlich durch mehrere gravierende Nachteile behaftet.

Um beispielsweise die Verbindung mit der Strebe so weit wie möglich von dem Pfosten fortlegen zu können, muß eine beachtli­ che Verformung durch Extrusion (Strangpressen) vorgenommen wer­ den. Dies führt zu einem übermäßigen Dünnerwerden der Wandungen des Stutzens; um dieses Dünnerwerden innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten und insbesondere sicherzustellen, daß keine größeren Diskontinuitäten hinsichtlich der Dicke im Übergang mit der Strebe vorhanden sind, ist es notwendig, von einer sehr viel dickeren Platte als sonst erforderlich wäre auszugehen.

Soll andererseits die Platten- oder Blechdicke an die für den Pfosten verwendete Dicke angepaßt werden, weil das Loch für das Extrudieren benötigt wird, können nur Stutzen sehr begrenzter Länge hergestellt werden; dadurch kann wiederum die Verschwei­ ßung mit der Strebe nicht ausreichend weit von der Oberfläche des Pfostens entfernt verlegt werden.

Die Blech- oder Plattenknoten, die nach den bekannten vorbe­ schriebenen Techniken hergestellt wurden, sind somit viel schwerer und darüber hinaus auch weniger sicher, als dies wün­ schenswert wäre.

Es ist daher klar, daß das Interesse an diesen Lösungen wegen ungünstigen Faktoren wie einer übermäßigen Gewichtszunahme ver­ glichen mit den bekannten Rohrknoten, den möglichen Veränderun­ gen in der Dicke längs des Pfostens und der kurzen Entfernung zwischen Schweißung und Pfosten begrenzt ist.

Bis zum heutigen Zeitpunkt gibt es keine verläßliche Knotenkon­ struktionstechnologie für große Fachwerk- oder Gitterkonstruk­ tionen, wie sie zum Tragen von Offshore-Plattformen Verwendung finden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Schwie­ rigkeiten zu überwinden und ausgehend von einem Stand der Technik gemäß WO 86 01 752 A1 einen neuen Weg aufzuzeigen, Knoten auf großen Rohrgitterkonstruktionen herzustellen, so daß Knoten mit einer beliebigen Anzahl von Stutzen produzierbar werden, welche in adäquater Weise die Entfernung zwischen den Streb­ schweißungen von der Oberfläche des Pfosten festlegen und hier­ durch die Einhaltung von Sicherheitsgrenzen ermöglichen, wobei solche Streben unter einem beliebigen Winkel zum Pfosten setz­ bar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von Knoten für große Fachwerksrohrkonstruktio­ nen, wie Gerüste zum Abstützen von Offshoreplattformen für die Öl- und Gasprospektion und -produktion, bei denen lange rohr­ förmige Pfosten über rohrförmige Streben, mittels Knoten als Zwischenelemente miteinander verbunden sind und die Knoten ei­ nen Stutzen als Verbindungselement zwischen Pfosten und Streben aufweisen, mit folgenden Schritten:

• - Biegen eines Stahlblechs in eine U-förmige Gestalt;
• - Erwärmen des gekrümmten Teils des U-förmigen Stahlblechs auf eine Temperatur zwischen 950 und 1200°C;
• - Verformen des gekrümmten, erwärmten Teils des U-förmigen Stahlblechs in einer Matrize zu einem Vorsprung, dessen Durch­ messer etwa dem des fertigen Stutzens entspricht und dessen Längsachse entsprechend dem Winkel orientiert ist, unter dem die Strebe mit dem Pfosten verbunden werden soll;
• - Anpassen des Krümmungsradius des mit dem Vorsprung ver­ sehenen U-förmigen Stahlblechs an die Gestalt des Pfostens;
• - Durchbohren des Endteils des Vorsprungs entlang der Längsachse;
• - Erwärmen des Endteils auf eine Temperatur zwischen 950 und 1200°C;
• - Extrudieren des durchbohrten Vorsprungs auf die Endge­ stalt des Stutzens;
• - Verbinden des den Stutzen aufweisenden, an die Gestalt des Pfostens angepaßten Stahlblechs mit weiteren entsprechend dem Pfosten geformten Blechen zur Bildung des Knotens.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Indem wenigstens eines der so erhaltenen Werkstücke mit wenig­ stens einem gekrümmten Blech zusammengebaut bzw. montiert wird, wird ein Knoten zum Lagern auf einem Pfosten geformt.

Somit wird für eine röhrenförmige Gitterfachwerkskonstruktion eine Lösung geschaffen, die insbesondere für solche Gestelle oder Gerüste brauchbar ist, die Offshore-Plattformen für die Öl- und Gasprospektion und -produktion abstützen.

Der gekrümmte Teil des durch Biegen des Blechs in eine U-Form erhaltenen Werkstücks wird auf eine Temperatur zwischen 950 und 1200°C erwärmt, so daß ein schnelles Warmformen des Werkstücks in der folgenden Stufe, vorzugsweise in einem einzigen Vorgang, ermöglicht wird.

Die Verformung eines Teils der erwärmten Zone des in U-Form ge­ bogenen Werkstücks auf einer Matrizenform ist so ausgelegt, daß ein Vorsprung auf der konvexen Fläche des U-Werkstücks gebildet wird; dieser Vorsprung hat einen Durchmesser, der in etwa dem des endgültigen Stutzens entspricht, sowie eine vernünftige Länge und eine Achse, die gemäß dem Winkel orientiert ist, un­ ter dem die Strebe mit dem Pfosten verbunden werden soll.

Die Verformung kann erreicht werden, indem das erwärmte, in U-Form gebogene Werkstück in einer ähnlich gekrümmten Matrize mit einer Ausnehmung geformt wird, deren Gestalt und Winkel diejenigen des gewünschten Vorsprungs sind.

Das endgültige Extrudieren bzw. Strangpressen des Vorsprungs zur Bildung eines Stutzens spezifischer Länge und Wanddicke wird in wenigstens einem Durchgang durchgeführt; der Extruder­ stempel verfügt vorteilhaft über ein konisches Profil; die un­ tere Form hat im wesentlichen die Konfiguration des gewünschten Stutzens. Der interessanteste Vorteil dieses Arbeitsverfahrens besteht darin, daß ein erster, adäquat langer anfänglicher Vor­ sprung gebildet wird, dessen Durchmesser in etwa dem des end­ gültigen Stutzens entspricht, bevor das Bohren zum Extrudieren notwendig wird. So tritt tatsächlich die erste Verformung, die den größten Teil des Stutzens erzeugt, ein, wenn das (Knoten-) Blech noch undurchbohrt ist; das gesamte Volumen des verformten Teils trägt so zur Bildung des Stutzens bei: das Verfahren be­ ginnt also mit Blech, dessen ursprüngliche Dicke bei weitem ge­ ringer ist als diejenige, die bei Verfahren erforderlich wird, welche von durchbohrtem Blech ausgehen.

Da weiterhin der Stutzen durch Strangpressen oder Extrudieren eines bereits in die gewünschte Richtung verformten Teils und beim gewünschten Winkel gehalten wird, kann seine Länge vergrö­ ßert werden; die Strebverschweißung wird noch weiter von der Zone fort verlegt, die durch den maximalen Kraft- oder Bean­ spruchungsaufbau beeinflußt wurde.

Die Aufmerksamkeit muß auch auf einen Faktor gerichtet werden, der für die Sicherheit des Endproduktes wesentlich ist, nämlich die Kombination des geringen Gewichts des Werkstücks mit seiner spezifischen Gestalt. Diese Kombination ermöglicht es, eine Zo­ ne möglicher Schwäche, d. h. dort wo die Strebe angeschweißt ist, ein erhebliches Stück aus der Zone maximalen Kraftaufbaus zu verschieben.

Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß es erfindungsgemäß mög­ lich wird, mit Stutzen versehene Bleche oder Platten zu erhal­ ten, die gegenüber solchen, die nach bekannten Verfahren herge­ stellt werden, wesentlich leichter sind und einen längeren Stutzen aufweisen.

Aus maßstäblich durchgeführten Tests ergab sich, daß sich dann, wenn in jedem Fall Knotenteile berücksichtigt werden, deren Fläche gleich der eines Blechs oder einer Platte nach der Er­ findung ist, die folgenden Ergebnisse einstellen:

Wie die vorstehend angegebene Tabelle zeigt, ist der aus ge­ schweißtem Rohr hergestellte Knoten zwar der leichteste von al­ len; in der Praxis jedoch müssen aufgrund der sehr ungünstigen Lage der Schweißung die Dicken der verschiedenen Teile erhöht werden, so daß demzufolge das Gewicht des endgültigen Knotens zunimmt. In der Praxis ist daher der übliche rohrgeschweißte Knoten nur scheinbar leichter und ferner potentiell weniger si­ cher als der erfindungsgemäße Knoten.

Der Gewichtsfaktor ist von großer Wichtigkeit, auch vom Sicher­ heitsstandpunkt her gesehen. Die Konstruktion des Plattformge­ rüstes wird tatsächlich gleichbleibend durch Wellen beauf­ schlagt, von welchen einige eine beachtliche Höhe haben. Eine Annahme im Gesamtgewicht der Knoten vermindert nicht nur die statische Last auf den Gerüstbauteilen, sondern reduziert viel­ mehr auch die dynamische Last in noch größerem Ausmaß.

Es wird also erfindungsgemäß möglich, mit vernünftig dünnem Originalblech zu arbeiten und trotzdem eine gute Stutzenlänge zu erhalten. Gemäß den bekannten Verfahren dagegen werden, aus­ gehend von relativ dünnen Blechen oder Platten, kurze Stutzen erhalten, deren Länge proportional mit der Zunahme der Platten­ dicke nicht zunimmt.

Wie bereits erwähnt wurde, ist es sehr wichtig, daß die Verbin­ dung mit der Strebe zur Fläche des Knotens beabstandbar ist, da der Aufbau von Beanspruchungen oder Kräften in den verschiede­ nen Teilen des Knotens an der Oberfläche, in der Übergangszone zur Strebe, am größten ist und mit Entfernung von dieser Zone abnimmt.

Hierzu kann abgeschätzt werden, daß in gewissen Situationen (Pfostendurchmesser 500 mm, Strebendurchmesser 250 mm) unter 100 mm von dieser Übergangszone entfernt die Kräfte von maximal 1/3 bis 1/2 reichen können, während unter 200 mm der Wert auf maximal 1/8 bis 1/6 reduziert wird. Es ist daher klar, daß durch Verlängerung des Stutzens die Schweißung unter einem si­ cheren Abstand von der Zone maximalen Kraft- oder Spannungsauf­ baus durchgeführt werden kann; es können also dünnere Bleche zur Anwendung gebracht werden; dadurch wird die endgültige Kon­ struktion leichter und die Kosten werden gesenkt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung, verglichen mit der bekann­ ten auf der Verwendung von Blech beruhenden Technik, ist darin zu sehen, daß der Endteil des Stutzens ein kreisförmiges Profil aufweist, welches die Verwendung einfacher automatischer Schweißtechniken ermöglicht. Mit den bekannten Techniken dage­ gen ist das Profil des Endteils des Stutzens elliptisch, so daß Schweißschwierigkeiten erheblich vergrößert werden und die Ar­ beit oft von Hand durchgeführt werden muß. Der erfindungsgemäße Knoten kann direkt an den Ort der Anbringung auf dem Pfosten und der Verbindung mit den Streben gebracht werden; im Falle der Anwendung der bekannten Technik dagegen wird bevorzugt, an den Stutzen eine Verlängerung mit freiem Ende und kreisförmigem Querschnitt anzuschweißen, so daß vermieden wird, daß auf der Baustelle das schwierige Schweißen eines elliptischen Quer­ schnitts während der Aufstellung durchgeführt werden muß.

Die erfindungsgemäße Maßnahme bietet somit erhebliche Vorteile hinsichtlich der Sicherheit der Plattform, der einfacheren Her­ stellung des oder der Knoten, der Verringerung des Gewichts und der Einsparung von Kosten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teil der Fachwerk- oder Gerüstkonstruktion;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Bauart eines solche Kno­ tens;

Fig. 3 einmal in der Ansicht, einmal im Längsschnitt eine Ge­ samtdarstellung des zu einem U gebogenen dicken Blechs und der Matrize in zwei aufeinanderfolgenden Bearbeitungsphasen; und

Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine Blech- oder Plattenanord­ nung mit Stutzen zum Extrudieren mittels Matrize und Patrize.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer Fachwerksrohrkonstruktion, die beispielsweise eine eine Offshore-Anlage tragende Konstruktion bildet. Hierbei sind mit 1 die Pfosten, mit 2 die Streben und mit 3 die Knoten bezeichnet. Die Komplexität der Konstruktion im allgemeinen und der Knoten im besonderen ist ersichtlich: die große Anzahl von Knoten und damit die Rolle, die sie hin­ sichtlich der Stabilität, der Sicherheit und der endgültigen Kosten einer Plattform spielen, sind evident.

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch einen sogenannten K-Knoten. Die linke Seite der Fig. 2 ist ein Beispiel der allgemein bei solchen Knoten auftretenden Probleme, während der rechte Teil sich auf das beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht.

In der klassischen Knotenkonfiguration gemäß dem linken Teil der Fig. 2 besteht der Hauptkörper des Knotens aus einem Rohr 4 großen Durchmessers, an welches ein kleineres Rohr 5, welches die Strebe darstellt, angeschweißt ist. Der Übergang oder die Verbindung 6, an dem bzw. der die Strebe mit dem großen Rohr zusammentrifft, ist deutlich sichtbar der Schwachpunkt der Kon­ struktion und leider genau in der Zone angeordnet, in der die maximale Beanspruchung auftritt.

Bei dem Knoten gemäß dem Ausführungsbeispiel dagegen ist in Übereinstimmung mit dem rechten Teil der Fig. 2 ein Blech oder eine Platte geeigneter Dicke 8 vorgesehen, das bzw. die mit ei­ nem Stutzen 11 versehen ist und längs der Linie 9 und 10 mit dem Rest des Knotens 7, der seinerseits wiederum aus einem oder mehreren Teilen geformt sein kann, verschweißt ist.

Die Strebe 12 ist längs der kreisförmigen Linie 13 an den Stut­ zen geschweißt.

Die Länge des Stutzens wird entlang seiner Mittellinie zwischen den Punkten A und B, die jeweils den Schnitt der Mittellinie des Stutzens mit der Oberfläche der Verbindung und die durch das freie Ende des Stutzens gebildete Kreismitte, hier mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet, darstellen, gemessen.

Im Hinblick auf die Verfahren zum Herstellen der extrudierten Teile zeigt Fig. 3 zwei aufeinanderfolgende, in den Fig. 3a und 3b dargestellte Situationen. Fig. 3a zeigt eine transversale Ansicht der bzw. des in eine U-Gestalt gebogenen Platte bzw. Blechs 8 und der Matrize 14. Der gekrümmte Teil 8a des U-för­ migen Blechs oder der U-förmigen Platte 8, beispielsweise unter der strichpunktierten Linie C-C', wird auf eine hohe Tempera­ tur, die typischerweise zwischen 950 und 1200°C beträgt, er­ wärmt, sodann in die Matrize 14 mit einer geeigneten Ausnehmung 14', die mit gestrichelter Linie angedeutet ist, gesetzt und dann unter Verwendung bekannter Verfahren verformt. Das Produkt dieser Verformung ist im oberen Teil der Fig. 3b, diesmal im Längsschnitt, gezeigt. Der erwärmte Teil 8a des Bleches 8 wird innerhalb der Ausnehmung 14' so verformt, daß sich der Vor­ sprung 11' bildet.

In den folgenden Phasen wird der Endteil 15 des Vorsprungs 11' längs der Mittellinie hiervon durchbohrt und erneut auf hohe Temperatur, die beispielsweise zwischen 950 und 1200°C beträgt, gebracht. Das Werkstück wird dann in eine Extruderform 16 (Fig. 4) eingebracht, in der es durch das Element 17 in seiner Posi­ tion gegenüber der Form 18 gehalten wird, welche über eine ge­ eignete konische Ausnehmung 18' verfügt. Eine konische Patrize 19 bildet dann den Endteil 15 des Vorsprungs 11' aus und er­ zeugt so den Stutzen 11 mit Wandungen variabler Dicke, wie in Fig. 2 gezeigt.

Wie ohne weiteres ersichtlich ist, nutzt die Erfindung eine äu­ ßerst originelle Kombination von Biege-, Schweiß- und Schmiede­ vorgängen, die es ermöglicht, schnell Schmiedeteile hoher Ge­ nauigkeit und ohne kostspielige Modifikation von Standardausrü­ stung und Verfahren zu erhalten.

Es soll in Erinnerung gebracht werden, daß verschiedene Fakto­ ren, die bei der Auslegung von Gerüst oder Gestellkonstruktio­ nen für Offshore-Plattformen beachtet werden müssen, es erfor­ derlich machen, daß die Länge des Stutzens wenigstens gleich drei Viertel des Radius dieses Stutzens ist: gemäß dem vorste­ hend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Länge des wäh­ rend der ersten Verformung des erwärmten Teils des in U-Form gebogenen Blechs wenigstens gleich dem halben Radius des Stut­ zens, während es im Endprodukt sehr leicht ist, die minimal ge­ wünschte Länge um einen beachtlichen Wert zu überschreiten.

Claims (2)

1. Verfahren zum Herstellen von Knoten für große Fach­ werksrohrkonstruktionen, wie Gerüste zum Abstützen von Offsho­ replattformen für die Öl- und Gasprospektion und -produktion, bei denen lange rohrförmige Pfosten über rohrförmige Streben mittels Knoten als Zwischenelemente miteinander verbunden sind und die Knoten einen Stutzen als Verbindungselement zwischen Pfosten und Streben aufweisen, mit folgenden Schritten:

• - Biegen eines Stahlblechs in eine U-förmige Gestalt;
• - Erwärmen des gekrümmten Teils des U-förmigen Stahlblechs auf eine Temperatur zwischen 950 und 1200°C;
• - Verformen des gekrümmten, erwärmten Teils des U-förmigen Stahlblechs in einer Matrize zu einem Vorsprung, dessen Durch­ messer etwa dem des fertigen Stutzens entspricht und dessen Längsachse entsprechend dem Winkel orientiert ist, unter dem die Strebe mit dem Pfosten verbunden werden soll;
• - Anpassen des Krümmungsradius des mit dem Vorsprung ver­ sehenen U-förmigen Stahlblechs an die Gestalt des Pfostens;
• - Durchbohren des Endteils des Vorsprungs entlang der Längsachse;
• - Erwärmen des Endteils auf eine Temperatur zwischen 950 und 1200°C;
• - Extrudieren des durchbohrten Vorsprungs auf die Endge­ stalt des Stutzens;
• - Verbinden des den Stutzen aufweisenden, an die Gestalt des Pfostens angepaßten Stahlblechs mit weiteren entsprechend dem Pfosten geformten Blechen zur Bildung des Knotens.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Vorsprungs gleich wenigstens dem halben Radius des Stutzens ist.