DE602005000933T2

DE602005000933T2 - Verfahren zur herstellung einer geschweissten verbindung zwischen einem rohrboden und mehreren rohren sowie durch solch ein verfahren hergestellte vorrichtung

Info

Publication number: DE602005000933T2
Application number: DE602005000933T
Authority: DE
Inventors: Jacobus Elfridus Van Den Boom
Original assignee: MADIOEN HOLDING BV
Current assignee: MADIOEN HOLDING BV
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2025-01-29
Also published as: EP1709383A1; DE602004008410D1; WO2005075924A1; WO2005075923A1; EP1559983B1; DE602005000933D1; EP1709383B1; DE602004008410T2; ATE371157T1; EP1559983A1

Description

Die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich auf ein Verfahren zur Ausführung einer Schweißverbindung zwischen einem Rohrboden und mindestens einem Rohr.
Gemäß einem zweiten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung, die durch ein Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wird. Solch eine Vorrichtung hat ihre Anwendungsbereiche beispielsweise in Wärmetauschern. Eine nützliche Anwendung in anderen technischen Bereichen ist jedoch nicht ausgeschlossen.
In ähnlichen Wärmetauschern besteht ein Austausch von Wärme zwischen dem Medium, das durch die Röhren fließt, und dem an den Außenseiten der Röhren fließenden Medium. Um sicherzustellen, dass diese Medien getrennt sind und dies auch bleiben, müssen geeignete Verbindungen von den Rohren zum Rohrboden ausgeführt werden, z. B. durch Erweitern der Rohrenden.
In den Fällen, in denen für die Verwendung des Wärmetauschers eine zusätzliche Gewissheit erforderlich ist, dass die Verbindungen von Rohr und Rohrboden leckdicht sind, werden die Rohre an den Rohrboden angeschweißt, wie in US-3,628,293 .
Ein wichtiges Merkmal der Schweißverbindung ist, dass die Schweißnähte einen ausreichend langen Leckpfad aufweisen müssen. Kenner der Technik werden mit dem Begriff Leckpfad vertraut sein, als dem kürzesten Weg vom Ende des Spalts zwischen Rohr und Bohrloch zum Medium in dem Rohr, durch die Schweißnaht betrachtet.
Die in den Verfahren des Stands der Technik ausgebildeten Schweißverfahren sind durch die Tatsache gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung durch Zusammenschmelzen der Kante der Rohrboden-Bohrlochzone mit den relativ dünnen Rohrenden hergestellt wird, was unter anderem sehr kritisch ist wegen a) der Ausführung des angegebenen minimalen Leckpfads an allen Schweißpositionen, b) der Vermeidung von Beschädigungen oder der Durchdringung des Rohrendes durch beispielsweise dem Schweißlichtbogen, c) Vermeiden der Blockierung einer Zentriervorrichtung für automatisches Schweißen bei deren Entfernung durch die Verengung des Rohrdurchmessers auf Grund der Schweißnaht usw.
Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zur Ausbildung einer Verbindung zwischen einem Rohrboden und einem Rohr auszugestalten, wobei der Schweißvorgang weit weniger kritisch ist. Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß der Erfindung verwirklicht, das umfasst:

– Versehen eines Rohrbodens mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche sowie mehreren Bohrlöchern, die sich von der ersten Fläche zur zweiten Fläche erstrecken,
– Versehen des aus einem biegsamen oder zumindest verformbaren Material bestehenden Rohrs mit einer Außenform und Abmessungen, durch dessen Form und Abmessungen das Rohr in einem entsprechenden Bohrloch aufgenommen werden kann,
– Anordnen des Rohrs in dem entsprechenden Bohrloch dergestalt, dass ein Endteil des Rohrs aus der ersten Fläche des Rohrbodens hervorsteht,
– Ausbilden eines Endteils des Rohrs in mindestens einer Aufweitung,
– Herstellen einer Schweißverbindung zwischen dem Rohrboden und dem Rohr am Umriss der Aufweitung nach Anbringen des Rohrs.

Die Erfindung unterscheidet sich vor allem dadurch, dass das Aufweiten des hervorstehenden Endteils umfasst: axiales Stauchen des hervorstehenden Endteils relativ zur Längsrichtung des Rohrs, wodurch ein gestauchtes Endteil mit höherer Dicke erhalten wird.
In dem Verfahren gemäß der Erfindung ist der Schweißlichtbogen auf den Umriss der Aufweitung und den Rohrboden ausgerichtet, in einem Abstand von z. B. einigen Millimetern von der Kante der Rohrboden-Bohrlochzone entfernt. Hierdurch wird der Schweißvorgang weniger kritisch. Vor allem in den Fällen, in denen die Wand des Rohrmaterials dünn ist, und ein Schweißvorgang die Wand durchstoßen könnte, ist die Erfindung vorteilhaft, da die Ausbildung zusätzlicher Dicke das Durchstoßen der Wand verhindern kann.
In dem Verfahren gemäß der Erfindung ist der Leckpfad frei und besser steuerbar im Unterschied zu herkömmlichen Schweißelementen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Größe der Schweißverbindung frei steuerbar ist, da der Schweißlichtbogen auf den Umriss der Aufweitung und den Rohrboden an dem Endteil mit höherer Dicke gerichtet ist.
Da der Schweißlichtbogen nun auf den Umriss der Aufweitung mit höherer Dicke und den Rohrboden gerichtet ist, ist eine Beschädigung, eine Durchdringung oder ein Durchstoßen des Rohrendes weniger wahrscheinlich. Auch die Möglichkeit, dass eine Zentriervorrichtung in dem Rohr blockiert wird, wird vermieden, da die Schweißverbindung nicht den Rohdurchmesser beeinflusst.
Weiterhin bietet das neue Verfahren gemäß der Erfindung Vorteile für den Austausch von Rohren. Der Austausch von Rohren ist manchmal erforderlich, um lecke Rohre eines Wärmetauschers zu ersetzen. Ein solches Lecken kann nach sehr langem Betrieb des Wärmetauschers auftreten, vor allen, wenn der Betrieb erschwerten Bedingungen unterliegt (z. B. stark zersetzende Medien).
Beim Austausch von Rohren, die mit dem Rohrboden durch die herkömmlichen Schweißelemente verbunden sind, müssen die Bohrlöcher oftmals auf Grund lokaler Verschmutzungen gereinigt werden, die den Schweißprozess leicht negativ beeinflussen können. Eine solche Reinigung wird in der Regel durch Abschleifen der Innenseite der Bohrlöcher ausgeführt. So kann der Durchmesser der Bohrlöcher von der Toleranz abweichen, was sich auf die Passung der neuen Rohrleitung auswirkt.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung müssen beim Austausch von Rohren eines Wärmetauschers nicht die Bohrlöcher gereinigt werden, um die Verschmutzungen zu entfernen. Es ist ausreichend, die erste Fläche des Rohrbodens abzuschleifen, um etwaige vorhandene Verschmutzungen zu entfernen.
In dem Verfahren gemäß der Erfindung wird ein Rohrboden mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite ausgebildet. Der Rohrboden kann aus einem beliebigen Material gebildet werden, das einem Schweißvorgang unterzogen werden kann und die geeigneten Eigenschaften für den beabsichtigten Einsatz aufweist. Die Auswahl eines geeigneten Materials obliegt der Kenntnis eines Kenners der Technik. Beispiele geeigneter Materialien können aus Metallen und Metalllegierungen stammen, wie (rostfreier) Stahl, Nickel (Legierungen), Kupfer (Legierungen), Titan (Legierungen) und Zirkonium. Das Material des Rohrbodens kann mit einem Material gekapselt oder beschichtet sein, das korrosionsbeständiger ist als das Grundmaterial, wobei die Kapselung oder Beschichtung vor oder nach der Montage der Rohre ausgeführt werden kann. Geeignete Kapselungsmaterialien können aus der Gruppe rostfreier Stahle, Nickel (Legierungen), Kupfer (Legierungen), Titan (Legierungen) ausgewählt werden.
Der Rohrboden ist mit mehreren Bohrlöchern versehen, die sich von der ersten Fläche zur zweiten Fläche erstrecken. Diese Bohrlöcher können rund sein, entsprechend den Rohren, aber die Rohre können zusammen mit den Bohrlöchern im Querschnitt jede andere gewünschte Gestalt oder Form aufweisen, wie z. B. rechteckig. In dieser Beschreibung und den Ansprüchen versteht es sich, dass der Ausdruck ”mehrere” sich auf zumindest eines, bzw. eines oder mehrere, in allen verwendeten Beispielen bezieht. Die Bohrlöcher können in jeder geeigneten Technik ausgebildet werden, die Kennern der Technik bekannt ist, wie Bohren. Das Bohrloch hat vorzugsweise einen Durchmesser, eine Gestalt oder Form oder andere Abmessungen, durch die Standardrohre im Bohrloch eingefügt werden können. Die Auswahl passender Durchmesser, Gestalten, Formen oder Abmessungen des Bohrlochs in Verbindung mit den verwendeten Rohrleitungen obliegt der Kenntnis des Kenners der Technik. Geeignete Führungen werden in den Tabellen RCB-7.41 und RCB-7.41 M der achten Ausgabe der Standards der Tubular Exchanger Manufacturers Association beschrieben.
Die in dem Verfahren gemäß der Erfindung ausgebildeten mehreren Rohre weisen einen Außendurchmesser, eine Gestalt, Form oder eine andere Abmessung auf, wodurch das Rohr in ein Bohrloch eingefügt werden kann. Dies kann entweder eine Presspassung, eine Spielpassung oder eine temperaturabhängige Passung sein. Eine temperaturabhängige Passung kann durch Kühlen des Rohrs vor denn Einpassen ins Bohrloch oder dem Erhitzen des Rohrbodens vor dem Einpassen des Rohrs in das Bohrloch erzielt werden. Vorzugsweise ist das Rohr ein Typ, der einfach im Handel beziehbar ist. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung eines bestimmten Rohrtyps beschränkt ist.
Die vorgesehenen Rohre sind aus einem biegsamen Material hergestellt, wodurch sie aufgeweitet und an den Enden axial gestaucht werden können. Es kann jedes biegsame Material verwendet werden, solange es einem Schweißvorgang wie auch der Verformung oder einem anderen Vorgang zur Ausbildung einer Aufweitung unterzogen werden kann. Die Auswahl geeigneter Materialien obliegt der Kenntnis eines Kenners der Technik. Beispiele geeigneter Materialien können aus Metallen und Metalllegierungen stammen, wie (rostfreier) Stahl, Nickel (Legierungen), Kupfer (Legierungen), Titan (Legierungen) und Zirkonium.
Das Aufweiten eines Endes des hervorspringenden Rohrteils kann durch jedes geeignete Verfahren ausgeführt werden, das Kennern der Technik bekannt ist, z. B. durch ein Presswerkzeug. Vorzugsweise werden die Aufweitungen durch Hydraulikpressen oder -formen erstellt.
Es versteht sich, wenn das andere Ende eines Rohr frei durch das Bohrloch bewegbar ist, dass die Aufweitung erfolgen kann, bevor das Rohr im Bohrloch platziert wird. Wenn das andere Ende eines Rohrs keine Durchführung durch das Bohrloch erlaubt, erfolgt die Aufweitung, nachdem das Rohr im Bohrloch platziert Ist.
Die Schweißverbindung zwischen dem Rohrboden und den einzelnen Rohren wird am Umriss einer jeden Aufweitung durchgeführt. Die Schweißverbindung kann durch bekannte Schweißverfahren und -ausrüstung durchgeführt werden. Es ist möglich, die Schweißverbindung in einem einzigen Durchgang des Schweißlichtbogens um den Umriss der Aufweitung herzustellen. Während solch eines einzigen Schweißdurchgangs werden das Rohrmaterial und das Rohrbodenmaterial miteinander verschmolzen. Bei einem einzigen Schweißdurchgang wird vorzugsweise das Schweißmaterial aufgetragen, um die Schweißverbindung zu stärken. Darüber hinaus erhöht in diesem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das Auftragen des Schweißmaterials den Leckpfad. Das Auftragen von Schweißmaterial ist jedoch nicht grundsätzlich erforderlich, da bei einigen Anwendungen durch den Schmelzvorgang eine Schweißverbindung mit ausreichender Stärke und Leckpfad ausgebildet wird.
Es ist ebenso möglich, mehrere Schweißdurchgänge zu verwenden, wie zwei, drei oder mehr Schweißdurchgänge. Solche zusätzliche Schweißdurchgänge können zur weiteren Stärkung der Schweißverbindung verwendet werden. Wenn mehrere Schweißdurchgänge verwendet werden, können alle Schweißdurchgänge ähnlich sein oder es können unterschiedliche Schweißmodi verwendet werden. Wenn beispielsweise zwei Schweißdurchgänge verwendet werden, kann mit dem ersten Schweißdurchgang der Pfad für den zweiten Schweißdurchgang vorbereitet werden, z. B. durch Ebnen, um eine glatte Fläche auszubilden. In solch einem Fall werden im ersten Schweißdurchgang nur das Material des Rohrbodens und des Rohrs zusammengeschmolzen, und es wird kein oder nur wenig Füllmaterial aufgetragen. Während des zweiten nachfolgenden Schweißdurchgangs wird Schweißmaterial aufgetragen.
Nach dem zweiten Schweißdurchgang kann ein dritter Schweißdurchgang eingesetzt werden, um das angebrachte Schweißmaterial zur Verbesserung der Schweißform zu schmelzen. Durch einen dritten Schmelzdurchgang kann eine Schweißverbindung mit einer abgeflachten Fläche ausgebildet werden. Wird Elektroschweißen eingesetzt, wird vorzugsweise der dritte Schweißdurchgang mit einer höheren Spannung als die vorhergehenden Schweißdurchgänge ausgeführt.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren: Bilden einer Aussparung im Rohrboden am Umriss des Bohrlochs an der ersten Fläche, wobei die Aussparung in Form und Abmessung im Wesentlichen dem gestauchten Endteil des Rohrs entspricht. Die Aufweitung, d. h. das gestauchte Endteil des Rohrs, kann vorteilhafterweise in der Aussparung angeordnet werden, um eine im Wesentlichen glatte erste Fläche zu erhalten, zu der der Außenrand des gestauchten Endteils des Rohrs in einer Linie liegt. Der im Folgenden beschriebene Glättvorgang der ersten Fläche kann daher erheblich vereinfacht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung werden die Aufweitungen trompetenförmig oder konisch ausgestaltet. Ebenso kann die Form der Aufweitung eine Kombination aus konischer und trompetenförmiger Gestalt sein. In diesem Fall befindet sich die Trompetenform näher am Umriss der Aufweitung als die konische Form. Die Trompetenform oder konische Form oder die kombinierte trompetenförmig-konische Form der Aufweitung ermöglicht einen durchgängigen Fluss eines Flüssigmediums bei der Zufuhr oder dem Verlassen des Rohrs.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist das Ende des Bohrlochs an der ersten Fläche gerundet und/oder weist eine konische Form auf. Solch eine Form des Bohrlochendes erleichtert das Aufweiten des Rohrs in eine Trompetenform, eine konische Form oder eine kombinierte trompetenförmig-konische Form.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der Erfindung umfasst: mechanisches Verbinden des Rohrs und des Rohrbodens spätestens vor dem Schweißen des aufgeweiteten vorspringenden Endteils des Rohrs, wodurch eine vorläufige Stellungsfixierung des Rohrs und des Rohrbodens relativ zueinander zumindest während einem der Arbeitsgänge, dem Aufweiten des vorspringenden Endteils des Rohrs oder dem Anschweißen der Aufweitung an den Rohrboden, erhalten wird. In der Folge wird die Positionierung der Rohre und des Rohrbodens zueinander sichergestellt, selbst wenn bei den nachfolgenden Vorgängen, wie dem Aufweiten und Schweißen, die Positionierung relativ zueinander ohne die mechanische Fixierung gefährdet sein kann. In solch einer Ausführungsform, vor allem, wenn das ausgebildete Rohr eine Spielpassung im Bohrloch aufweist, wird das Rohr vorzugsweise erweitert, um in mindestens einen Teil des Bohrlochs fest zu passen. Dieser Vorgang wird vorzugsweise vor Ausführung des Aufweitvorgangs am Ende des Rohrs oder zumindest (spätestens) vor dem Schweißen durchgeführt. Die erweiterte Presspassung des Rohrs in zumindest einem Teil des Bohrlochs fixiert das Rohr im Bohrloch, was vorteilhaft für den Aufweitevorgang und/oder den Schweißvorgang ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Nut in dem zugehörigen Bohrloch ausgebildet, wobei sich die Nut von der ersten Fläche in axialer Richtung des Bohrlochs über zumindest einen Teil der axialen Längen davon erstreckt. In dieser Ausführungsform hat das Rohr eine Presspassung im Bohrloch, in dem Teil, in denn sich die Nut befindet, über eine Strecke, die kürzer ist als die axiale Länge der Nut. Die Nut kann in beliebiger Form ausgeführt sein. Ein geeignete Form für die Herstellung der Nut ist die Ausbildung eines Gewindes. Dies ist darin begründet, dass die Fertigung eines Gewindes eine wohlbekannte Technik ist und dafür viele geeignete Vorrichtungen verfügbar sind. Die Funktion der Nut in der Erfindung ist die Ausbildung eines offenen Kanals für eine Flüssigkeit zwischen der ersten und der zweiten Fläche, trotz der Presspassung des Rohrs in zumindest einem Teil des Bohrlochs über eine Strecke, die kürzer ist als die axiale Länge der Nut. Weiterhin muss hier angemerkt werden, dass eine innere gewindeförmige Nut in dem Bohrloch in Kombination mit einem externen Gewinde auf der Außenfläche des Rohrs eingesetzt werden kann, um eine mechanische Verbindung zwischen dem Rohrboden im Bohrloch und dem Rohr zu bieten. Das Rohr kann dann im Bohrloch verschraubt werden, und in einer solchen Ausführungsform kann der offene Kanal immer noch verwirklicht werden, vorausgesetzt, dass die Schraubverbindung lose genug ist, um das Durchfließen von sich ausdehnenden Gasen zu ermöglichen und gleichzeitig fest genug, um das nachfolgende Aufweiten und/oder Schweißen ohne das Risiko einer Verschiebung der Rohre und des Rohrbodens beim Aufweiten und/oder Schweißen zu ermöglichen.
Das Vorhandensein einer Nut in oder auf der Innenseite des Bohrlochs verhindert die Sprengung des Schweißmaterials beim Schweißen, vor allen, wenn die Schweißnaht um die Aufweitung abgeschlossen wird, da hier ein offener Kanal zwischen dem Bohrloch und dem Rohr bleibt, der zur zweiten Fläche fuhrt, wobei entlang dem Kanal Gas, das sich auf Grund der durch den Schweißvorgang entstehenden Wärme ausdehnt, neben der zu schweißenden Fläche entweichen kann. In einer Ausführungsform, in der das Rohr erweitert wird, kann die Nut auch die Funktion übernehmen, einen geeigneten Griff für das erweiterte Rohr zu bieten, ohne den offenen Kanal zu schließen. Selbst wenn die Nut sich nicht durch das Bohrloch entlang der zweiten Fläche erstreckt, ist der Kanal in einer Ausführungsform nicht geschlossen, wobei das Rohr nur über eine Strecke der ersten Fläche erweitert wird, die kürzer ist als die Länge der Nut.
Die Nut oder zumindest der offenen Kanal ermöglicht auch die Ausübung von Druck mit zerstörungsfreier Prüfung (ZfP), um zu testen, ob die Schweißverbindung des Rohrs mit dem Rohrboden ausreichend leckdicht ist. Beispiele solchen Druckausübungen unter Verwendung von ZfP-Verfahren sind der sogenannte ”Seifentest”, der Helium-Lecktest und der Drucktest. Da diese ZfP-Verfahren Kennern der Technik bekannt sind, werden sie im Folgenden nur kurz erörtert.
Ein geeignetes ZfP-Verfahren ist der Seifentest, bei dem ein leichter Luftüberdruck um die Rohre auf der Seite der zweiten Fläche angelegt wird. Die Schweißnähte werden dann mit einer Seifenlösung eingeseift. An lecken Stellen entstehen Seifenblasen, die die lecke Stelle anzeigen.
Ein weiteres geeignetes ZfP-Verfahren ist der He-Lecktest. In diesem Test wird ein leichter Überdruck mit Heliumgas um die Rohre auf der zweiten Fläche angewendet. In der Folge werden die Schweißverbindungen mit Spezialausrüstung beschnuppert, mit der das Durchfließen des sehr flächigen Heliums entdeckt werden kann.
Ein drittes geeignetes ZfP-Verfahren ist der Drucktest. Bei diesem Test wird ein Wasserdruck um die Rohre auf der zweiten Fläche angewendet. Der Grad des Wasserdrucks wird mit dem Auslegungsdruck der Rohr-Rohrboden-Baugruppe in Beziehung gesetzt. Während des Tests wird der Druck überwacht und lecke Stellen werden durch beobachtete Druckabfälle oder visuell erkennbare Lecks entdeckt.
Nach Ausführung des ZfP-Verfahrens mit Ausübung von Druck kann der restliche Teil des Rohrs, der keine Presspassung im Bohrloch aufweist, fest in das Bohrloch eingepasst werden. Dies kann z. B. durch Erweitern des Rohrteils erfolgen, der keine Presspassung aufweist, um fest in das Bohrloch zu passen. Während des Erweiterungsvorgangs wird darauf geachtet, kein Rohrteil zu erweitern, das sich außerhalb des Bohrlochs befindet. In der Praxis kann dies verwirklicht werden, indem die restlichen 2–7 mm, z. B. 5 mm, des Rohrs, das sich im Bohrloch nahe der zweiten Fläche befindet, nicht erweitert werden. Hierdurch wird der durch die Nut gebildete Kanal abgeschlossen. Dies bildet eine zusätzliche Versiegelung der Verbindung Rohr und Rohrboden.
Sind mehr als ein Rohr und mehr als ein Bohrloch ausgebildet, ist es vorteilhaft, wenn die Bohrlöcher voneinander so beabstandet ausgebildet sind, dass beim Aufweiten der Rohrenden die Umrisse der Aufweitungen sich zueinander so annähern, dass die Schweißverbindungen an den benachbarten Aufweitungen überlappen. Auf diese Weise wird durch die Aufweitungen und die Schweißverbindungen eine fortlaufende Fläche gebildet. Solch eine fortlaufende Fläche bildet eine Verkleidung über dem Rohrboden und kann die Funktion einer Kapselungsschicht übernehmen. Daher kann in Anwendungen, in denen die Verwendung von Kapselungsmaterial für den Rohrboden angemessen ist, die Kapselungsschicht aus der fortlaufenden Fläche gebildet werden, die durch die Aufweitungen der Rohre und der Schweißverbindungen gebildet werden. Alle Teile des Rohrbodens, die nicht von der fortlaufenden Fläche bedeckt sind, können auf die übliche Weise gekapselt oder anderweitig mit einer Schutzschicht überzogen werden.
Zur Bildung einer glatten Fläche wird die fortlaufende, durch Aufweitungen und Schweißverbindungen gebildete Fläche zu einer glatten Fläche grundiert und vorzugsweise nachfolgend poliert. Das Vorhandensein einer solchen glatten fortlaufenden Fläche ist vorteilhaft in Spezialanwendungen, in denen Flächenfehler wie Risse und Ähnliches an der Rohrbodenfläche nicht erwünscht sind. Dies bietet z. B. höhere septische Qualität des Rohrbodens und insbesondere der Zone von Rohrboden und Bohrloch.
Gemäß einem anderen Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung, die nach dem Verfahren, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, hergestellt wurde, umfassend:

– Rohrboden mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche sowie mehreren runden Bohrlöchern, die sich von der ersten Fläche zur zweiten Fläche erstrecken,
– mehrere Rohre aus biegsamen Material, die in jedes Bohrloch eingefügt sind, wobei jedes Rohr ein aufgeweitetes Teil auf der Seite der ersten Fläche aufweist, wobei das aufgeweitete Teil mit höherer Dichte an seinem Umriss mit der ersten Fläche des Bodens verschweißt ist.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung findet Anwendung in Wärmetauschern, obwohl die Anwendung in anderen technischen Bereichen nicht ausgeschlossen ist.
Der Rohrboden kann mit einer Aussparung am Umriss des Bohrlochs an der ersten Fläche ausgebildet werden, wobei die Aussparung in Form und Abmessung im Wesentlichen dem gestauchten Endteil des Rohrs entspricht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden die Aufweitungen trompetenförmig oder konisch ausgestaltet. Ebenso kann die Form der Aufweitung eine Kombination aus konischer und trompetenförmiger Gestalt sein. In diesem Fall befindet sich die Trompetenform näher am Umriss der Aufweitung als die konische Form. Die Trompetenform oder konische Form oder die kombinierte trompetenförmig-konische Form der Aufweitung ermöglicht einen durchgängigen Fluss eines Flüssigmediums bei der Zufuhr oder dem Verlassen des Rohrs.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist das Ende des Bohrlochs an der ersten Fläche gerundet und/oder weist eine konische Form auf. Solch eine Form des Bohrlochendes erleichtert das Aufweiten des Rohrs in eine Rohrform, eine konische Form oder eine kombinierte trompetenförmig-konische Form.
Vorzugsweise hat das Rohr eine Presspassung in zumindest einem Teil des Bohrlochs. Die Presspassung des Rohrs in zumindest einem Teil des Bohrlochs fixiert das Rohr im Bohrloch, was vorteilhaft für den Aufweitevorgang und/oder den Schweißvorgang ist. Darüber hinaus bietet die Presspassung eine zusätzliche Versiegelung der Verbindung Rohr und Rohrboden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung befindet sich eine Nut in dem zugehörigen Bohrloch, wobei sich die Nut von der ersten Fläche in axialer Richtung des Bohrlochs über zumindest einen Teil der axialen Länge des Bohrlochs erstreckt. In diesem Fall kann das Rohr eine Presspassung im Bohrloch in dem Teil, in dem sich die Nut befindet, über eine Strecke aufweisen, die kürzer ist als die axiale Länge der Nut. Die Nut dient der Ausbildung eines offenen Kanals für eine Flüssigkeit zwischen der ersten und der zweiten Fläche, trotz der Presspassung des Rohrs in zumindest einem Teil des Bohrlochs über eine Strecke, die kürzer ist als die axiale Länge der Nut.
Durch die Nut in der Fläche des Bohrlochs kann auch Druck mit zerstörungsfreier Prüfung (ZfP) ausgeübt werden, um zu testen, ob die Schweißverbindung des Rohrs zum Boden ausreichend leckdicht ist. Beispiele eines solchen Drucks unter Verwendung von ZfP-Verfahren wurden oben erörtert.
Für Kenner der Technik ist offensichtlich, dass die Ausführungsform des Geräts gemäß der Erfindung, wobei ein offener Kanal zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche übrig bleibt, nicht (optimal) für die Verwendung in einem Wärmetauscher geeignet ist. Diese Ausführungsform ist aber ein wichtiger Zwischenzustand in der Herstellung eines Wärmetauschers, auf die ZfP-Verfahren mit Druckausübung angewendet werden können. Damit diese Ausführungsform des Geräts für die Anwendung in einem Wärmetauscher geeignet ist, ist es wichtig sicherzustellen, dass das Rohr eine Presspassung über die im Wesentlichen vollständige axiale Länge des Bohrlochs aufweist. Wenn die Presspassung des Rohrs im Bohrloch durch Erweitern des Rohrs im Bohrloch verwirklicht wird, bleiben in der Praxis die restlichen 2–7 mm, z. B. 5 mm, des Rohrs neben der zweiten Fläche nicht erweitert, um zu verhindern, dass Teile des Rohrs, die sich außerhalb des Bohrlochs befinden, erweitert werden.
Die Nut kann jede beliebige Form aufweisen. Ein geeignete Form für die Nut ist ein Gewinde. Dies ist darin begründet, dass die Fertigung eines Gewindes eine wohlbekannte Technik ist und dafür viele geeignete Vorrichtungen verfügbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden mehr als ein Bohrloch und mehr als ein Rohr ausgestaltet und die Schweißverbindungen zwischen den benachbarten Aufweitungen weisen Überlappungen auf. Diese Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung umfasst eine fortlaufende Fläche, die durch die Aufweitungen und die Schweißverbindungen gebildet wird. Solch eine fortlaufende Fläche bildet eine Abdeckung über denn Rohrboden und kann die Funktion einer Kapselungsschicht aufweisen. Daher kann in Anwendungen, in denen die Verwendung von Kapselungsmaterial für den Rohrboden angemessen ist, die Kapselungsschicht aus der fortlaufenden Fläche gebildet werden, die durch die Aufweitungen der Rohre und der Schweißverbindungen gebildet wird. Jeder Teil des Rohrbodens, der nicht von der fortlaufenden Fläche bedeckt ist, kann auf die übliche Weise gekapselt oder anderweitig mit einer Schutzschicht überzogen werden.
Die fortlaufende Fläche ist vorzugsweise eben und glatt. Solche eine ebene und glatte Fläche ist vorteilhaft in Spezialanwendungen, in denen es nicht erwünscht ist, wenn Flächenfehler wie Risse und Ähnliches an der Rohrbodenfläche vorhanden sind. Dies bietet z. B. eine höhere septische Qualität des Rohrbodens und insbesondere der Zone von Rohrboden und Bohrloch.
Die Erfindung wird weiter erläutert mit Bezugnahme auf die Zeichnungen, die nicht einschränkende Ausführungsformen der Erfindung zeigen, in denen dieselben oder ähnliche Teile und Komponenten mit denselben Referenzziffern bezeichnet werden.
1A–1D zeigt Querschnittsübersichten von geschweißten Verbindungen von Rohrboden und Rohr gemäß dem Stand der Technik.
2A–2C zeigen Querschnittsübersichten verschiedener Stufen des Verfahrens gemäß der Erfindung.
3 zeigt einen Querschnittsübersicht entlang Linie III-III in 4 einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
4 zeigt eine modellhafte Übersicht einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
5A–5B, 6A–6B, 7A–7B zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindungen.
1A zeigt eine Querschnittsübersicht einer sogenannten ”Dichtschweißnaht” nach dem Stand der Technik. Diese Zeichnung zeigt ein Rohr 1. das sich in einem Bohrloch eines Rohrbodens 2 befindet. Das Ende 3 des Rohrs 1 ist mit dem Rohrboden 2 durch den Schweißlichtbogen 4 zusammengeschweißt. In diesem Schweißelement wird die Schweißnaht 5 in einem einzigen Durchgang des Schweißlichtbogens gebildet, wobei in den meisten Fällen nur wenig oder kein Schweißfüllmaterial hinzugefügt wird. Obwohl dieses Schweißelement wegen der relativ geringen Bearbeitungskosten gängig ist, hat es den Nachteil, dass die Schweißdurchdringung relativ gering ist, wodurch der Leckpfad an sich ebenso klein ist.
1B zeigt eine alternative ”Dichtschweißnaht”. Bei dieser Alternative wird der Rohrboden 2 mit einem kreisförmigen Einschnitt 6 um das Bohrloch versehen. Der Einschnitt 6 stellt eine größere Schweißdurchdringung sicher. Darüber hinaus wird damit bewirkt, dass der Rohrboden weniger Verformungsveränderungen durch die Schweißschwundkräfte erfährt, auf Grund der Tatsache, dass diese Kräfte einfacher durch Entspannung verringert werden können. Die Anwendung einer bindenden Gruppe von Schweißparametern, wie Geschwindigkeit, Strom, Spannung, bleibt sehr wichtig bei der Sicherstellung, dass ein ausreichender Leckpfad erhalten wird.
1C zeigt eine sogenannte ”Festigkeitsschweißnaht”. Das Rohr 1 befindet sich im Bohrloch eines Rohrbodens 2. Das Ende des Bohrlochs ist im Vergleich zum restlichen Bohrloch vergrößert. Das Rohr 1 wird in das Bohrloch bis zum erweiterten Abschnitt des Bohrlochs eingepasst. Das Rohrende 3 wird mit dem Rohrboden durch den Schweißlichtbogen 4 unter Auftrag von Schweißfüllmaterial durch ein Auftragmittel 7 zusammengeschweißt. In der Regel wird das Schweißen mit zwei Schweißdurchgängen ausgeführt, wobei die Bildung der Basisschicht 8 der kritischste Teil im Schweißprozess ist. Der Vorteil dieses Schweißelements im Unterschied zu den in 1A und 1B dargestellten ist, dass der Leckpfad besser gesteuert werden kann.
1D zeigt eine sogenannte ”Kehlnaht”, die nur für relativ dicke Rohre anwendbar ist, um zu vermeiden, dass der Schweißlichtbogen die Rohrwand punktiert. Das Rohr 1 befindet sich dergestalt im Bohrloch des Rohrbodens 2, dass es mit dem Ende 3 über die erste Fläche 10 des Rohrbodens 2 hervorragt. Wiederum wird das Ende des Bohrlochs des Rohrbodens 2 vergrößert und die Schweißverbindungen 8, 9 werden in zwei Schweißdurchgängen im vergrößerten Teil des Bohrlochs ausgeführt. Auch hier ist die Bildung der Basisschicht 8 der kritischste Teil im Schweißprozess.
Nun, mit Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, enthält 2A einen Rohrboden 2 mit einer ersten Fläche 10 und einer zweiten Fläche 11. Der Rohrboden 2 ist mit einem Bohrloch 12 versehen, in dem ein Gewinde 13 als eine Ausführungsform einer Nut gebildet ist. Das Gewinde 13 beginnt an der ersten Fläche 10 und erstreckt sich in axialer Richtung des Bohrlochs 12 in Richtung einer zweiten Fläche 11. Die axiale Länge des Gewindes ist kürzer als die axiale Länge des Bohrlochs. Ein Rohr 1 mit einem Außendurchmesser ist ausgebildet, wobei es in dem Bohrloch 12 mit Spielpassung angeordnet werden kann, indem es im Bohrloch in der Pfeilrichtung bewegt wird.
In einer Ausführungsform mit einem Außengewinde an der Außenfläche des Rohrs kann das Rohr in das Bohrloch geschraubt werden.
2B zeigt die Position von Rohr 1 im Bohrloch 12 des Rohrbodens 2, nachdem es erweitert wurde, um fest in einen Teil des Bohrlochs zu passen, wobei der Teil kürzer ist als die axiale Länge der Nut 13. Wie dargestellt, ragt das Ende 3 des Rohrs 1 über der ersten Fläche 10 des Rohrbodens 2 hervor. Das Ende des Bohrlochs ist in dieser Situation relativ unbearbeitet. Es kann aber gerundet sein oder eine trompetenförmige, konische oder trompetenförmig-konische Form aufweisen. Da das Rohr 1 weiterhin eine Spielpassung in dem Bohrloch auf der Seite hat, die näher an der zweiten Fläche 11 liegt, bleibt eine Verbindung 14 oder offener Kanal von der zweiten Fläche 11 mit der Nut 13 und somit mit einer Fläche, die geschweißt wird. Somit besteht ein freier Kanal für den Durchfluss einer Flüssigkeit, vor allem von Gasen, die sich in Folge der beim Schweißvorgang erzeugten Wärme ausdehnen, zwischen der zweiten Fläche 11 und der ersten Fläche 10.
2C zeigt den nächsten Schritt des Verfahrens gemäß der Erfindung. Wie gezeigt, ist das vorspringende Ende 3 von Rohr 1 aufgeweitet und für eine höhere Dicke gestaucht, wodurch die Aufweitung 20 gebildet wird. Am Umriss 21 der Aufweitung wird die Schweißverbindung mit dem Schweißlichtbogen 4 unter Auftrag des Füllmaterials mit dem Auftragmittel 7 hergestellt.
3 zeigt eine Querschnittsübersicht entlang der Linien III-III, wie in 4 einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Wie dargestellt, wird der restliche nicht erweiterte Teil des Rohrs erweitert, um eine Presspassung des Rohrs 1 im Bohrloch 12 über im Wesentlichen die Gesamtlänge davon auszubilden. Dadurch wird die Verbindung 14 abgeschlossen. Wie ebenso dargestellt, sind die Bohrlöcher 12 im Rohrboden 2 dergestalt beabstandet, dass die Aufweitungen 20 so nahe nebeneinander liegen, dass die angrenzenden Schweißnähte 22 überlappen. So wird eine fortlaufende Fläche durch die Aufweitungen 20 und die überlappenden Schweißnähte 22 gebildet. Diese Fläche kann zu einer ebenen Fläche grundiert und weiter zu einer glatten Fläche poliert werden (in 3 nicht dargestellt).
4 zeigt eine modellhafte Übersicht einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung enthält mehrere Rohre 1, die mit einem Rohrboden 2 verbunden sind. An der ersten Fläche 10 des Rohrbodens 2 wird eine fortlaufende Fläche 25, die in Bezug zur ersten Fläche 10 etwas erhöht ist, durch die Aufweitungen und die Schweißverbindungen gebildet. Die fortlaufende Fläche 25 wird grundiert und zu einer ebenen und glatten Fläche poliert. Die fortlaufende Fläche 25 kann als Kapselungsschicht dienen, da sie die erste Fläche 10 des Rohrbodens 2 vollständig bedeckt, die sich direkt darunter befindet. Der restliche nicht bedeckte Teil der ersten Fläche kann mit einem anderen Material verkleidet werden, um sie vor Korrosion zu schützen. Die in 4 gezeigte Vorrichtung kann in einem Wärmetauscher verwendet werden.
5A zeigt eine andere Ausführungsform als 2. In 5A ist ein hervorstehendes Endteil 28 in Pfeilrichtung A gestaucht, um ein ringförmiges Teil 27 auszubilden, das entlang dessen Umriss 21 am Rohrboden 2 in Pfeilrichtung B angeschweißt werden kann. Das ringförmige Teil 27 kann auch in einer Aussparung 26 angeordnet sein, wie in 5B gezeigt. Die Aussparung 26 kann durch jeden geeigneten Arbeitsvorgang in dem Rohrboden 2 eingefügt werden.
In 6A weist das gestauchte Endteil 27 von Rohr 1 eine konische Form auf, und in 6B hat das gestauchte Endteil 27 eine Trompetenform.
7A zeigt eine Ausführungsform, in der das gestauchte Endteil 27 sowohl ringförmig wie auch konisch ist, wobei der ringförmige Teil des gestauchten Endteils 27 gegen die erste Fläche des Rohrbodens 2 stößt, während der konische Teil des gestauchten Endteils 27 in das Material des Rohrbodens 2 vertieft ist.
In 7B ist das gestauchte Endteil 27 dasselbe wie in 7A, ist aber vollständig in einer Aussparung 26 am Umriss des Bohrlochs an der ersten Fläche 10 eingepasst.
Für Kenner der Technik ist es nach der oben dargelegten Offenlegung der vorliegenden Erfindung offensichtlich, dass auch verschiedene Kombinationen der Merkmale und Ausführungsformen im Rahmen des Schutzes der vorliegenden Erfindung möglich sind. Zum Beispiel können auch relativ dicke Rohre verwendet werden, bei denen nicht die unmittelbare Gefahr besteht, dass das Wandmaterial als Folge des Schweißvorgangs durchstoßen oder durchdrungen wird, wobei aber das Stauchen des Rohrmaterials zum Erhalt eines gestauchten Endteils mit höherer Dicke die Qualität einer leckfreien Schweißverbindung zwischen den Rohren und dem Rohrboden erhöht.

Claims

Verfahren zur Ausbildung einer Verbindung zwischen einem Rohrboden (2) und mindestens einem Rohr (1) umfassend: – Bilden eines Rohrbodens (2) mit einer ersten Fläche (10) und einer zweiten Fläche (11) sowie mehreren Bohrlöchern (12), die sich von der ersten Fläche (10) zur zweiten Fläche (11) erstrecken, – Bilden des aus einem biegsamen oder zumindest verformbaren Material bestehenden Rohrs (1) mit einer Außenform und Abmessungen, durch dessen Form und Abmessungen das Rohr (1) in einem entsprechenden Bohrloch (12) aufgenommen werden kann, – Anordnen des Rohrs (1) in dem entsprechenden Bohrloch (12) dergestalt, dass ein Endteil (3) des Rohrs (1) aus der ersten Fläche (10) des Rohrbodens (2) hervorsteht, – Ausbilden eines Endteils (3) des Rohrs (1) in mindestens einer Aufweitung (20), – Herstellen einer Schweißverbindung zwischen dem Rohrboden (2) und dem Rohr (1) am Umriss (21) der Aufweitung (20) nach Anbringen des Rohrs (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Aufweiten des hervorspringenden Endteils umfasst: axiales Stauchen des hervorspringenden Endteils (3) relativ zur Längsrichtung des Rohrs (1), wodurch ein gestauchtes Endteil (3) mit höherer Dicke erhalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: Bilden einer Aussparung (26) im Rohrboden (2) am Umriss des Bohrlochs (12) an der ersten Fläche (10), wobei die Aussparung (26) in Form und Abmessung im Wesentlichen dem gestauchten Endteil (3) des Rohrs (1) entspricht.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Aufweitung (20) eine Trompetenform aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Aufweitung (20) eine konische Form aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 3 und 4, wobei die Aufweitung (20) eine Form aufweist, die eine Kombination aus konischer Form und Trompetenform ist, wobei sich die Trompetenform näher am Umriss der Aufweitung befindet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2–5, wobei die Aussparung (26) um zumindest eines der Bohrlöcher (12) an der ersten Fläche (10) gerundet ist und/oder eine Konusform aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–6, umfassend: Mechanisches Verbinden des Rohrs (1) und des Rohrbodens (2) spätestens vor dem Schweißen des aufgeweiteten vorspringenden Endteils (3) des Rohrs (1), wodurch eine vorläufige Lagefixierung des Rohrs und des Rohrbodens (2) relativ zueinander zumindest während einem der Arbeitsgänge, dem Aufweiten des vorspringenden Endteils des Rohrs (1) oder dem Schweißen der Aufweitung (29) an den Rohrboden (2), erhalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Verbindung umfasst: Erweitern des Rohrs (1), um fest in zumindest einem Teil des entsprechenden Bohrlochs (12) zu passen, wobei das Bohrloch (12) das Rohr (1) aufnimmt.
Verfahren gemäß Anspruch 8, umfassend: Erweitern des Rohrs (1) vor dessen Aufweiten.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–9, weiterhin umfassend: Testen einer Schweißverbindung mittels Druck mit Hilfe eines nicht zerstörenden Testverfahrens, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die einen Seifentest, einen He-Lecktest und einen Test mittels Wasserdruck umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–10, wobei mehr als ein Rohr (1) und mehr als ein Bohrloch (12) im Rohrboden (2) ausgebildet sind, wobei die Bohrlöcher (12) voneinander beabstandet sind, weiterhin umfassend: Bemessen der vorspringenden Endteile (3) der Rohre (1) und damit der Aufweitungen (20), um die Umrisse (21) der Aufweitungen (20) anzunähern, wobei die Schweißverbindungen an den benachbarten Aufweitungen (20) überlappen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–11, weiterhin umfassend das Schleifen der durch die Aufweitung (20) und die Schweißverbindung gebildeten Fläche zu einer glatten Fläche und vorzugsweise das Polieren der glatten Fläche.
Vorrichtung umfassend: – einen Rohrboden (2) mit einer ersten Fläche (10) und einer zweiten Fläche (11) sowie mehreren Bohrlöchern (12), die sich von der ersten Fläche (10) zur zweiten Fläche (11) erstrecken, – zumindest ein Rohr (1) aus einem biegsamen Material, das in einem entsprechenden Bohrloch (12) angeordnet ist, wobei das Rohr ein aufgeweitetes Endteil (3) auf der ersten Fläche (10) aufweist, wobei das aufgeweitete Endteil (3) am Umriss (21) mit der ersten Fläche (10) des Rohrbodens (2) durch Schweißen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgeweitete Endteil (3) axial relativ zur Längsrichtung des Rohrs (1) gestaucht ist, wobei ein gestauchtes Endteil (3) von höherer Dicke zumindest axial zum Rohr (1) erhalten ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei eine Aussparung (26) im Rohrboden (2) am Umriss des Bohrlochs (12) an der ersten Fläche ausgebildet ist, wobei die Aussparung (26) in Form und Abmessung im Wesentlichen dem gestauchten Endteil (3) des Rohrs (1) entspricht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Aufweitung (20) eine Trompetenform aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Aufweitung (20) eine konische Form aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15 und 16, wobei die Aufweitung (20) eine Form aufweist, die eine Kombination aus konischer Form und Trompetenform ist, wobei die Trompetenform näher am Umriss der Aufweitung (20) liegt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14–17, wobei die Aussparung (26) um zumindest einem der Bohrlöcher an der ersten Fläche (10) gerundet ist und/oder eine Konusform aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13–18, wobei das Rohr (1) im Bohrloch (12) vor dessen Aufweitung erweitert wird.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13–19, wobei mehrere Rohre (1) und mehrere Bohrlöcher (12) im Rohrboden (2) ausgebildet sind, wobei die Bohrlöcher (12) voneinander beabstandet sind, wobei die vorspringenden Endteile (3) der Rohre (1) und damit die Aufweitungen (20) bemessen sind, um die Umrisse der Aufweitungen (20) einander anzunähern, wobei die Schweißverbindungen an den benachbarten Aufweitungen (20) überlappen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13–20, weiterhin das Schleifen der durch die Aufweitung (20) und die Schweißverbindung gebildete Fläche zu einer glatten Fläche und vorzugsweise das Polieren der glatten Fläche umfassend.