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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zum Verbinden
von Rohren durch Schmiedeschweißen.
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Es
ist aus dem US-Patent 4,669,650 bekannt, rohrförmige Enden in einer reduzierenden Umgebung
schmiedezuschweißen,
wobei ein Spülgas,
beispielsweise Wasserstoff mit weniger als 100 ppm H2O
und/oder O2 um die erhitzten rohrförmigen Enden
gespült
wird, um eine Korrosion zu verhindern und um eine Oxidationshaut
zu reduzieren und wegzuspülen.
Ein Nachteil der Verwendung von Wasserstoff als Spülgas besteht
darin, daß es
mit Sauerstoff in der Atmosphäre
in explosiver Weise reagiert, so daß es nicht in gefährlichen
Zonen verwendet werden kann, wie auf einer Offshore-Öl- und/oder
Gasförderplattform
oder einem Öl- und/oder Gasbohrgestängeturm.
Diese Druckschrift zum Stand der Technik bemerkt auf Seite 2, Zeilen
65–68,
daß statt
der Verwendung eines reduzierenden Gases ein inertes Gas als Spülgas verwendet
werden kann und offenbart, daß die
Rohrenden mittels einer Induktionsspule oder mittels eines nicht
spezifizierten Hochfrequenzerhitzungsverfahrens erhitzt werden können.
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Die
internationale Patentanmeldung WO 98/33619 offenbart ein Verfahren
zum Verbinden von Ölfeldrohren
durch Diffusionsverbindung, wobei die Rohrenden durch eine Induktionsspule
innerhalb eines Hohlraumes erhitzt werden, der mit einem Abschirmgas
gefüllt
ist. Das europäische
Patent 0396204 offenbart ein Verfahren zum Reibschweißen der
Rohrenden, wobei ein Ring mit hoher Geschwindigkeit in einem mit
einem Abschirmgas gefüllten
Hohlraum gedreht wird, und die Rohrenden gegen den Ring gepreßt werden,
wobei der Ring und die Rohrenden verschmelzen.
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Das
US-Patent 5,721,413 offenbart ein Verfahren zum Erhitzen eng benachbarter
Teile von zwei Rohren durch Erhitzen jedes Rohrendes mittels eines
Paares von diametral gegenüberliegenden
Kontakten, und die Kontakte jedes Paares sind in einer spezifischen
gekreuzten Konfiguration relativ zu den Kontakten des anderen Paares
so angeordnet, daß die
Rohrenden gleichmäßig erhitzt
werden.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Schmiedeschweißverfahren
zu schaffen, das befähigt
ist, die Rohrenden mit einem Minimum an oxidierten Metalleinschlüssen auf
sichere und wirksame Weise auch in gefährlichen Zonen, wie auf Offshore-Öl- und/oder
Gasförderplattformen
oder auf einem Öl-
und/oder Gasbohrlochturm, zu verbinden, und derart, daß die Rohrenden
im wesentlichen gleichmäßig erhitzt
werden, so daß eine
hochqualitative Schmiedeschweißung
erzeugt wird, selbst wenn die Rohre unregelmäßige Gestalt haben.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
umfaßt:
Anordnen
der zu verbindenden Rohrenden in einem vorbestimmten Abstand voneinander
in einem Raum, der im wesentlichen mit einem Spülfluidgemisch gefüllt ist;
Erhitzen
jedes Rohrendes innerhalb des Raumes mittels elektrischer Hochfrequenzerhitzung,
wobei zumindest drei Elektroden angewendet werden, die umfangsmäßig beabstandet
nahe dem Rohrende gegen die Wand jedes Rohres gepreßt werden,
derart, daß die
Elektroden einen elektrischen Hochfrequenzstrom im wesentlichen
in Umfangsrichtung zwischen den Elektroden durch das Rohrsegment übertragen; und
Bewegen
der Rohrenden gegeneinander, bis eine Schmiedeschweißung zwischen
den erhitzten Rohrenden geformt wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der Erfindung
werden die Rohrenden durch zumindest zwei Paare von Elektroden erhitzt,
und die Elektroden jedes Paares von Elektroden werden im wesentlichen
an diametral gegenüberliegenden
Stellen gegen die Rohrwand gepreßt.
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Diese
verschiedenen Paare von diametral gegenüberliegenden Elektroden jedes
Rohrendes können
abwechselnd aktiviert werden.
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Die
Rohre können
unregelmäßige Gestalt haben
und/oder können
eine Mehrbohrungs-Rohranordnung bilden, und die Elektroden können so
positioniert sein, daß unregelmäßige Intervalle
relativ zu einer Längsachse
der Rohre vorhanden sind, wobei die Rohrenden auf im wesentlichen
gleiche Weise erhitzt werden.
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Während der
Aufheizphase und bis die Rohrenden zusammengepreßt werden, um eine Schmiedeschweißung zu
bilden, wird vorzugsweise entlang der erhitzten Rohrenden ein Spülfluidgemisch
aufgebracht, das ein Gemisch von weniger als 25 Vol.-% eines reduzierenden
Fluids ist, wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, und mehr als 75
Vol.-% eines im wesentlichen inerten Gases, wie Stickstoff, Kohlendioxid
und/oder ein edles Gas, wie Argon. Das Spülfluidgemisch weist vorzugsweise
zwischen 2 und 15 Vol.-% des reduzierenden Fluids und zwischen 85 und
98 Vol.-% eines im wesentlichen inerten Gases auf.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Schmiedeschweißsystem
mit einer Greifanordnung zur Aufnahme der zu verbindenden Rohrenden
in einem vorbestimmten Abstand voneinander in einem Raum, Spülfluideinbringmitteln
zum Füllen
des Raumes mit einem Spülfluidgemisch;
einer Elektrodenanordnung zum Erhitzen jedes Rohrendes innerhalb des
Raumes mittels elektrischer Hochfrequenzerhitzung, wobei die Elektrodenanordnung
zumindest drei Elektroden aufweist, die in umfangsmäßig beabstandeten
Intervallen nahe dem Rohrende gegen die Wand jedes Rohres gepreßt werden,
derart, daß die Elektroden
im Betrieb einen elektrischen Hochfrequenzstrom im wesentlichen
in Umfangsrichtung durch das Rohrsegment zwischen den Elektroden leiten;
und Mitteln zum Beaufschlagen der Greifanordnung, um die erhitzten
Rohrenden gegeneinander zu pressen, bis eine Schmiedeschweißung zwischen den
erhitzten Rohrenden geformt wird.
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Die
Greifanordnung kann so ausgebildet sein, daß sie die Rohrenden während der
Erhitzungsphase in einem vorbestimmten Abstand hält und einen mechanischen Anschlag
aufweist, der so ausgebildet ist, daß er die Axialbewegung der
erhitzten Rohrenden während
des Schmiedeschweißprozesses
unterbricht, wenn sich die erhitzten Rohrenden über einen vorbestimmten Abstand
gegeneinanderbewegt haben und ineinandergedrückt wurden.
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Die
Verwendung von drei oder mehr in Umfangsrichtung beabstandeten Elektroden
bei dem Verfahren und dem System gemäß der Erfindung reduziert die
ungleiche Erhitzung der Rohrenden infolge eines Erhitzens der Rohrwand
in direkter Nähe der
Elektrode und einer reduzierten Erhitzung der Rohrwand auf halbem
Weg zwischen den Elektroden.
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Die
Elektrodenanordnung kann auch so ausgebildet sein, daß sie den
schmiedgeschweißten Rohrenden
eine Nachschweißungswärmebehandlung
erteilt, wobei die Rohrenden nach einer vorbestimmten Temperaturabnahme
gekühlt
werden.
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Die
Anordnung kann auch mit Wasser- und/oder Druckluftdüsen ausgestattet
sein, um die Abkühlungsrate
der schmiedegeschweißten
Rohrenden zu erhöhen
und/oder zu steuern.
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Zweckmäßig wird
die Qualität
der Schmiedeschweißung
zwischen den verbundenen Rohren mittels einer elektromagnetisch-akustischen
Transmissions-Schweißinspektionstechnik
inspiziert, die als EMAT bekannt ist, wobei elektromagnetische Spulen nahe
beiden Seiten der Schmiedeschweißverbindung angeordnet und
während
des Inspektionsprozesses in einem vorbestimmten Abstand von den Rohren
gehalten werden. Die Abwesenheit eines physischen Kontaktes zwischen
der Wand der heißen
Rohre und den Spulen des EMAT-Inspektionswerkzeuges gestattet eine
Inspektion unmittelbar nachdem die Schmiedeschweißverbindung
hergestellt wurde. Die vorstehenden Merkmale des Verfahrens und
des Systems gemäß der Erfindung
können auf
verschiedene Weise kombiniert werden, und einige bevorzugte Ausführungsbeispiele
des Verfahrens und des Systems gemäß der Erfindung werden detaillierter
unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben.
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BESCHREIBUNG
VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Die
Erfindung wird nun detaillierter und beispielhaft unter Bezugnahme
auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Rohrendes, das durch zwei Paare von diametral
gegenüberliegenden
Elektroden erhitzt wird;
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2 eine
dreidimensionale Ansicht des Rohres nach 1, bevor
es mit dem anderen Rohr durch das Schmiedeschweißverfahren gemäß der Erfindung
verbunden wird;
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3 eine
Querschnittsansicht eines Mehrbohrungs-Rohrendes, das durch zwei
Paare von diametral gegenüberliegenden
Elektroden erhitzt wird;
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4 eine
dreidimensionale Ansicht des Mehrbohrungs-Rohres nach 3,
bevor es mit einem anderen Mehrbohrungs-Rohr durch das Schmiedeschweißverfahren
gemäß der Erfindung verbunden
wird; und die 5–10 verschiedene Mehrbohrungs-Leitungskonfigurationen,
deren Enden auf im wesentlichen gleichmäßige Weise unter Verwendung
von Anordnungen von drei oder mehr Elektroden gemäß der Erfindung
erhitzt werden.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist ein Ende eines Stahlrohres 1 gezeigt,
um welches herum zwei Paare von diametral gegenüberliegenden Elektroden 2, 3 und 4, 5 angeordnet
sind.
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Das
erste Paar von Elektroden 2, 3 wird gegen die
Außenfläche des
Rohres 1 gepreßt
und überträgt einen
Hochfrequenzstrom 6 durch die Wand des Rohres, wie dies
durch die Pfeile 7 angedeutet ist. Eine Anordnung aus Ferritstäben 8 dient
zur Verstärkung
der Stromdichte in unmittelbarer Nähe der Enden des Rohres 1 und
des benachbarten Rohres (nicht gezeigt).
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2 zeigt,
wie die Enden 12, 12A zweier benachbarter Rohre 1 und 1A jeweils
durch zwei Sätze
von diametral gegenüberliegenden
Elektroden 2, 3, 4, 5 und 2A, 3A, 4A, 5A erhitzt
werden. Die Rohrenden 12 und 12A sind während der
Aufheizphase in einem Abstand von wenigen Millimetern voneinander
angeordnet. Der größere Abstand
der Stromdichtepfeile 7, 7A halbwegs zwischen
den Elektroden 2, 3 und 2A, 3A illustriert,
daß die
Stromdichte auf halbem Weg dieser Elektroden kleiner als die Stromdichte
nahe den Elektroden 2, 3 und 2A, 3A ist.
Dies er zeugt eine Variation in der Heizrate der Rohrenden 12 und 12A und
reduziert das Erhitzen im Bereich halbwegs zwischen den Elektroden 2, 3 und 2A, 3A. Um
die unregelmäßige Erhitzungsrate
der Elektroden 2, 3 und 2A, 3A zu
reduzieren, werden die Elektroden von der Außenfläche der Rohre 1, 1A regelmäßig abgehoben,
worauf die anderen Elektroden 4, 4A und 5, 5A gegen
die Außenfläche der
Rohre 1, 1A gepreßt und aktiviert werden, um
einen Hochfrequenzstrom durch die Enden der Rohre 1, 1A zu übertragen.
Durch sequentielles Aktivieren der beiden Sätze von diametral gegenüberliegenden
Elektroden an jedem Rohrende wird die unregelmäßige Erhitzung der Rohrenden
reduziert.
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Alternativ
können
die Elektroden 2–5 und 2A–5A,
die in 2 gezeigt sind, gleichzeitig gegen die beabstandeten
Rohrenden 1 und 1A gepreßt werden, wenn ein Wechselstrom
beispielsweise durch Thyristoren gesteuert wird, derart, daß während eines
ersten Teiles des Zyklus die diametral gegenüberliegenden Elektrodenpaare 2A und 3 einen
positiven elektrischen Strom übertragen,
wie dies durch das + Zeichen in 2 angedeutet
ist, wogegen die anderen Elektroden 2 und 3A einen
negativen elektrischen Strom übertragen,
wie dies durch das – Zeichen
in 2 angedeutet ist. Während eines zweiten Teiles
des Wechselstromzyklus werden die Elektroden 2A und 3 anderseits
einen negativen elektrischen Strom übertragen, wogegen die anderen
Elektroden 2 und 3A einen positiven Strom in die
Rohre 1 und 1A leiten, wodurch die Rohrenden 12 und 12A auf
im wesentlichen gleiche Weise erhitzt werden.
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Während einer
nächsten
Phase des Erhitzungszyklus sind die Elektroden 2, 2A und 3, 3A inaktiv,
und die anderen Elektroden 4, 5, 4A und 5A werden
auf eine ähnliche
Weise aktiviert.
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Die
Temperatur der erhitzten Rohrenden 12, 12A wird
durch einen Infrarot-Temperatursensor überwacht, und sobald die über wachte
Temperatur geeignet ist, eine Schmiedeschweißung herzustellen, werden die
Rohrenden 12, 12A ineinandergepreßt, derart,
daß eine
Schmiedeschweißung
entsteht. Die Rohrenden 12, 12A können profiliert
sein und eine kleinere Wanddicke als andere Teile der Rohre 1, 1A haben,
um Verformungen der Rohrenden 12, 12A zu kompensieren,
die während
des Schmiedeschweißvorganges
Rothitze aufweisen, derart, daß die
schmiedegeschweißten
Rohre 1, 1A gleichmäßige Wanddicke und gleiche
innere und äußere Durchmesser
haben.
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Während der
Aufheizphase und während
die Enden der Rohre 1, 1A gegeneinander- und ineinanderbewegt
werden, sind die Rohrenden sowohl innen als auch außen in einer
Kammer 10 eingeschlossen, die mit einer nicht-explosiven
Spülgasgemisch
gefüllt ist,
das mehr als 75 Vol.-% Stickstoff und weniger als 25 Vol.-% Wasserstoff
enthält.
Ein bevorzugtes nicht-explosives Spülgasgemisch zum Verbinden von
Kohlenstoffstahlrohren 1, 1A weist etwa 5 Vol.-% Wasserstoff
und etwa 95 Vol.-% Stickstoff auf. Der Spülgasdruck in dem Teil der Kammer 10 außerhalb der
Rohre 1 und 1A ist höher als der Spülgasdruck
in dem Teil der Kammer 10 innerhalb des Inneren der Rohre 1 und 1A,
derart, daß während des
Erhitzungsprozesses das Spülgas
entlang der Enden 12, 12A der Rohre 1, 1A strömt, wie
dies durch Pfeile 11 angedeutet ist, bis die Enden der
Rohre zusammengeschweißt
sind.
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Der
Wasserstoff in dem Spülgas
reagiert mit dem Sauerstoff in einer Oxidationshaut auf den Enden 12, 12A der
beiden miteinander zu verbindenden Rohre 1, 1A,
derart, daß die
Oxidationshaut zumindest im wesentlichen eliminiert wird und saubere
Metallteile mit einer Mindestmenge an korrodierten Metalleinschlüssen zusammengeschmiedet
werden.
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Laborexperimente
haben gezeigt, daß eine gute
metallurgische Verbindung zwischen den Kohlenstoffstahlrohren durch
den vor stehenden Schmiedeschweißvorgang
erhalten wird, wobei das Spülfluid etwa
5 Vol.-% Wasserstoff und etwa 95 Vol.-% Stickstoff enthält. Die
Experimente bestätigten
auch die nicht-explosive Natur dieses Spülgasgemisches.
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Vorzugsweise
werden die Rohrenden während
des Schmiedeschweißvorganges
durch eine Greifanordnung geklemmt, welche die Rohrenden während der
Erhitzungsphase in einem vorbestimmten Abstand von zwischen 1 und
3 Millimeter voneinander hält,
und welche einen mechanischen Anschlag aufweist, der die Axialbewegung
der erhitzten Rohrenden während
des Schmiedeschweißvorganges
unterbricht, wenn sich die erhitzten Rohrenden über einen vorbestimmten Abstand
gegeneinanderbewegt haben und ineinandergedrückt wurden, derart, daß eine Hochqualitätsschmiedeschweißung ohne
exzessive Verformung der erhitzten Rohrenden erzeugt wird.
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Zweckmäßig können die
Elektroden 2–5 und 2A–5A ebenfalls
aktiviert werden, um den schmiedegeschweißten Rohrenden eine Nachschweißungswärmebehandlung
zu erteilen. Die während
der Nachschweißungswärmebehandlung
zugeführte elektrische
Energie 6 ist geringer als während der Aufheizphase vor
dem Schmiedeschweißvorgang und
kann in Abhängigkeit
von der Temperatur gesteuert werden, die von den Infrarot-Temperatursensoren
gemessen wird, derart, daß die
Temperatur der schmiedegeschweißten
Rohrenden gemäß einem vorbestimmten
Muster abnimmt.
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Die
Qualität
der Schmiedeschweißung
kann unmittelbar nach dem Herstellen der Schweißung mittels einer hybriden
elektromagnetischen Akustikübertragungstechnik
inspiziert werden, die als EMAT bekannt ist und in den US-Patenten
Nr. 5,652,389; 5,760,307; 5,777,229 und 6,155,117 beschrieben ist. Die
EMAT-Technik wendet
eine Induktionsspule an, die auf einer Seite der Schweißverbindung
angeordnet wird, wobei die Spule magne tische Felder induziert, die
elektromagnetische Kräfte
in der Oberfläche der
Schweißverbindung
erzeugen. Diese Kräfte
erzeugen dann ihrerseits mechanische Störungen durch Kopplung mit dem
Atomnetz durch einen Streuprozeß.
In der elektromagnetischen Akustikgenerierung findet die Konversion
innerhalb einer Hautdicke des Materials statt, d.h. die Metalloberfläche ist ihr
eigener Transducer. Der Empfang erfolgt auf reziproke Weise. Wenn
die elastische Welle die Oberfläche
des Leiters bei Vorhandensein eines magnetischen Feldes trifft,
werden in der Empfangsspule induzierte Ströme erzeugt, ähnlich der
Wirkungsweise eines elektrischen Generators. Ein Vorteil der EMAT-Schweißinspektionstechnologie
besteht darin, daß die
induktive Transmission und die Empfangsspulen das geschweißte Rohr
nicht kontaktieren müssen.
Somit kann die Qualitätsinspektion
unmittelbar nach dem Herstellen der Schmiedeschweißung durchgeführt werden,
wenn die schmiedegeschweißten
Rohre noch zu heiß sind,
um einen physischen Kontakt mit einem Inspektionsfühler zu
gestatten.
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Das
Verfahren und das System gemäß der Erfindung
sind besonders beim Schweißen
von Ölfeld-
und/oder Schachtrohren an oder nahe einem Öl- und/oder Gasförderturm
nützlich.
Die Rohre können Förderrohrstränge von
mehreren Kilometern Länge sein,
die in den Schacht abgesenkt werden, nachdem die Rohrabschnitte
miteinander verschweißt
worden sind.
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Alternativ
können
die Ölfeldrohre
Heizrohre sein, die in einen Heizschacht eingesetzt werden, welcher
Hitze an die umgebende kerogen- und/oder ölhöltige Formation überträgt, um die
Viskosität und/oder
Pyrolyse des Kerogens und/oder anderer Kohlenwasserstoffe in situ
zu reduzieren. Solche Heizrohre können aus einem Paar von koaxialen Rohren
bestehen, die einen elektrischen Kreis bilden, durch welchen ein
elektrischer Strom übertragen
wird, um Wärme
zu erzeugen.
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Es
wird bevorzugt, daß solche
Heiz- oder Förderrohrstränge zusammengeschweißt werden, wenn
sich die geschweißten
Rohre im wesentlichen in horizontaler Position auf einer Rohrzusammenbaustraße an der
Erdoberfläche
befinden, worauf die Rohre gebogen und in den Heiz- oder Förderschacht eingesetzt
werden. Eine zweckmäßige Biege-
und Einsetztechnik ist in den internationalen Patentanmeldungen
WO 00/43630 und WO 00/43631 offenbart, welche durch Bezugnahme in
die vorliegende Beschreibung miteinbezogen werden. Vorzugsweise werden
die Schachtrohre in einer horizontalen Schweißanordnung nahe dem Bohrlochkopf
zusammengeschweißt
und dann zu einer großen
Schlaufe gewickelt, um einen Bogen von zumindest 270 Grad zu bilden,
derart, daß sich
das proximale Ende des Rohrstranges vertikal in den Bohrlochkopf
erstreckt, wogegen sich das distale Ende des Rohrstranges horizontal
durch die Schweißanordnung
erstreckt. Alternativ werden die geschweißten Schachtrohre horizontal
zusammengeschweißt
und dann in einer kleinen Entfernung zu einer großen Schlaufe
vom Bohrlochkopf gewickelt. Wenn der gesamte Rohrstrang zusammengebaut
und zu einer großen
Schlaufe gewickelt ist, wird der zusammengebaute Rohrstrang z.B.
auf einem Eisenbahngleis zum Bohrlochkopf transportiert und dann
in den Bohrlochkopf eingesetzt, wie dies in der internationalen
Patentanmeldung WO 00/43631 offenbart ist. Die letztere Rohrzusammenbautechnik
gestattet einen Zusammenbau der Rohrstränge in einer zentralen Schweißanordnung,
die an einem zentralen Punkt oberhalb des Ölfeldes liegt, wo mehrere Rohrstränge zusammengebaut
und gespeichert werden, bis sie zum Bohrlochkopf transportiert und
dann rasch in den Schacht oder die Schächte eingesetzt werden, so
daß die
Unterbrechung der Schachtförderung
und/oder Heizoperationen minimal ist.
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3 zeigt
ein Ende eines Mehrbohrungs-Rohres 21 aus Stahl, um welches
zwei Paare von diametral gegenüberliegenden
Elektroden 22, 23 und 24, 25 angeordnet
ist. Das Rohr 1 weist eine Längs- und Diagonaltrennwand 29 auf,
die zwei halbzylindrische Strömungskanäle 30 und 31 im
Inneren des Rohres 21 bilden.
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Das
erste Paar von Elektroden 22, 23 wird gegen die
Außenfläche des
Rohres 21 gepreßt
und überträgt einen
Hochfrequenzstrom 26 durch die Wand des Rohres 1 und
die Trennwand 29, wie dies durch die Pfeile 27, 27A illustriert
ist. Eine Anordnung von Ferritstäben 28 dient
zur Verbesserung der Stromdichte in unmittelbarer Nähe der Enden
des Rohres 21 und des benachbarten Rohres (nicht gezeigt).
Wenn der erste diagonale Satz von Elektroden 22, 23 aktiviert
wird, strömt
der Hauptteil des elektrischen Hochfrequenzstromes durch die diagonale Trennwand 28,
wodurch vorwiegend das Ende der Trennwand 28 erhitzt wird,
wogegen nachfolgend der zweite Satz von diagonalen Elektroden 24, 25 aktiviert
wird und der Hauptteil des elektrischen Hochfrequenzstromes durch
die Wand des Rohres 21 strömt. Die den Elektrodensätzen 22, 23 und 24, 25 zugeführte Energie
und die Länge
der Perioden, während welcher
die Elektrodensätze
abwechselnd aktiviert werden, wird derart gesteuert, daß die Enden
der Wände
des Rohres 21 und der Trennwand 29 gleichmäßig auf
eine vorbestimmte Temperatur erhitzt werden.
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4 zeigt,
wie die Enden 32, 32A von zwei benachbarten Mehrbohrungs-Rohren 21 und 21A jeweils
durch zwei Sätze
von diametral gegenüberliegenden
Elektroden 22, 23, 24, 25 und 22A, 23A, 24A und 25A erhitzt
werden. Die Rohrenden 32 und 32A sind während der
Aufheizphase in einem Abstand von wenigen Millimetern voneinander
angeordnet, um einen Kapazitätseffekt
zwischen den Rohrenden 32 und 32A zu erzeugen,
welcher den elektrischen Strom anregt, an den Rohrenden 32 und 32A zu
strömen.
Der größere Abstand
der Stromdichtepfeile 27 und 27A auf halbem Weg
zwischen den Elektroden 22, 23 und 22A, 23A illustriert,
daß die
Stromdichte auf halbem Weg zwischen diesen Elektroden niedriger
als die Stromdichte nahe den Elektroden 22, 23 und 22A, 23A ist.
Dies erzeugt eine Variation in der Heizrate der Rohrenden 32 und 32 und
reduziert das Erhitzen in einer Zone auf halbem Weg zwischen den Elektroden 22, 23 und 22A, 23A.
Um die unregelmäßige Heizrate
der Elektroden 22, 23 und 22A, 23A zu reduzieren,
können
die Elektroden von der Außenfläche der
Rohre 21, 21A regelmäßig abgehoben werden, worauf
die anderen Elektroden 24, 24A und 25, 25A gegen
die Außenfläche der
Rohre 21, 21A gepreßt und aktiviert werden, um
einen Hochfrequenzstrom durch die Enden der Rohre 21, 21A zu übertragen.
Durch sequentielles Aktivieren der beiden Sätze von diametral gegenüberliegenden
Elektroden an jedem Rohrende wird die unregelmäßige Erhitzung der Rohrenden
reduziert.
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Alle
Elektroden 22–25 und 22A–25A,
die in 4 gezeigt sind, können gleichzeitig gegen die
beabstandeten Rohrenden 21 und 21A gepreßt werden,
wenn der Wechselstrom beispielsweise durch Tyhristoren gesteuert
wird, derart, daß während der ersten
Phase des Zyklus die Elektroden 22A und 23 einen
positiven elektrischen Strom übertragen,
wie dies durch das + Zeichen in 4 angedeutet
ist, wogegen die anderen Elektroden 22, 23, 24A und 25A einen
negativen elektrischen Strom übertragen,
wie dies durch das – Zeichen
in 4 angedeutet ist. Während des zweiten Teiles des
alternierenden Stromzyklus werden anderseits die Elektroden 22A und 23 einen
negativen elektrischen Strom übertragen,
wogegen die anderen Elektroden 22 und 23A einen
positiven Strom an die Rohre 21 und 21A übertragen,
wodurch die Rohrenden 32 und 32 erhitzt und die
Enden der diagonalen Trennwände 29, 29A auf im
wesentlichen gleichmäßige Weise
erhitzt werden.
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Die
Temperatur der erhitzten Rohrenden 32, 32A und
der diagonalen Trennwände 29, 29A kann durch
einen pyrometrischen Infrarot-Temperatursensor überwacht werden, und sobald
die überwachte Temperatur
geeignet ist, eine Schmiedeschweißung der Rohrenden 32, 32A und
der gegenüberliegenden Enden
der diagonalen Trennwände 29, 29A vorzunehmen,
werden diese aneinandergepreßt,
so daß die
Schmiedeschweißung
erfolgt. Die Rohrenden 32, 32A können profiliert
sein und haben eine kleinere Wanddicke als die anderen Teile der
Rohre 21, 21A, um Verformungen der Rohrenden 32 und 32A zu kompensieren,
die sich während
des Schmiedeschweißvorganges
auf Rothitze befinden, derart, daß die schmiedegeschweißten Rohre 21, 21A eine gleichmäßige Wanddicke
sowie gleiche innere und äußere Durchmesser
haben.
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Während der
Aufheizphase und während
die Enden der Rohre 21, 21A gegeneinanderbewegt werden,
sind die Rohrenden sowohl im Inneren als auch im Äußeren in
einer Kammer 33 eingeschlossen, die mit einem nicht-explosiven
Spülgasgemisch gefüllt ist,
das mehr als 75 Vol.-% Stickstoff und weniger als 25 Vol.-% Wasserstoff
enthält.
Ein bevorzugtes nicht-explosives Spülgasgemisch zum Verbinden von
Kohlenstoffstahlrohren 21, 21A umfaßt etwa
5 Vol.-% Wasserstoff und etwa 95 Vol.-% Stickstoff. Der Spülgasdruck
in dem Teil der Kammer 33 außerhalb der Rohre 21 und 21A ist
höher als
der Spülgasdruck
in jenem Teil der Kammer 10 im Inneren der Rohre 21 und 21A,
derart, daß während des Erhitzungsprozesses
das Spülgas
entlang der Enden der Rohre 21, 21A strömt, wie
dies durch die Pfeile 34 angedeutet ist, bis die Enden
der Rohre 32 und 32A zusammengeschweißt sind.
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Der
Wasserstoff in dem Spülgas
reagiert mit dem Sauerstoff in einer Oxidationshaut an den Enden 32, 32A der
zu verbindenden Rohre 21, 21A, derart, daß die Oxidationshaut
zumindest teilweise eliminiert wird und reine Metallteile mit einer
minimalen Menge an korrodierten Metalleinschlüssen zusammengeschweißt werden.
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Vorzugsweise
werden die Rohrenden während
des Schmiedeschweißprozesses
in einer Greifanordnung zusammengeklemmt, welche die Rohrenden während der
Erhitzungsphase in einem vorbestimmten Abstand von zwischen 1 und
3 Millimeter voneinander hält,
und die einen mechanischen Anschlag aufweist, der die Axialbewegung
der erhitzten Rohrenden während
des Schmiedeschmelzprozesses unterbricht, wenn sich die erhitzten
Rohrenden um einen vorbestimmten Abstand gegeneinanderbewegt haben
und ineinandergedrückt
worden sind, derart, daß eine
Hochqualitätsschmiedeschweißung ohne übermäßige Verformung
der erhitzten Rohrenden erzeugt wird.
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Zweckmäßig können die
Elektroden 22–25 und 22A–25A auch
aktiviert werden, um den verschweißten Rohrenden eine Nachschweißungswärmebehandlung
zu erteilen. Die den Elektroden während der Nachschweißungswärmebehandlung
zugeführte
elektrische Energie 26 ist geringer als während der
Aufheizphase vor der Schmiedeschweißoperation und sie kann in
Abhängigkeit
von der Temperatur gesteuert werden, die von den Infrarot-Temperatursensoren
gemessen wird, derart, daß die
Temperatur der schmiedegeschweißten
Rohrenden gemäß einem
vorbestimmten Muster abgesenkt wird.
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Die 5 bis 10 zeigen
verschiedene Mehrbohrungs-Leitungskonfigurationen, die in im wesentlichen
gleichmäßiger Weise
durch verschiedene Konfigurationen von im Umfangsrichtung verteilten
Elektrodenanordnungen erhitzt werden können.
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5 zeigt
ein Ende eines zylindrischen Rohres 50, dessen Inneres
durch zwei diagonale Trennwände 51 in
vier Strömungskanäle unterteilt
ist, die einander orthogonal schneiden. Ein Satz von acht Elektroden
ist in 45 Grad Intervallen um den Außenumfang des Rohres 50 angeordnet,
wobei der Satz vier primäre
Elektroden 52, die als Quadrate gezeigt sind, und vier
se kundäre
Elektroden 53 aufweist, die als Kreise gezeigt sind. Die
primären
Elektroden 52 und die sekundären Elektroden 53 werden
abwechselnd aktiviert, und sobald die primären Elektroden aktiviert sind,
leiten diese primären
Elektroden 52 einen elektrischen Hochfrequenzstrom hauptsächlich in
die Enden der diagonalen Trennwände 51,
wogegen bei nachfolgender Aktivierung der sekundären Elektroden 53 diese
sekundären
Elektroden 53 einen elektrischen Hochfrequenzstrom in die
Wände des Rohres 50 leiten.
Die primären
und sekundären
Elektroden 52 und 53 werden sequentiell aktiviert,
bis die Enden der Rohre 50 und der Trennwand 51 eine
vorbestimmte Temperatur haben, worauf die erhitzten Enden der Rohre 50 und
der Trennwand 51 gegen das benachbarte Ende eines anderen
Rohres (nicht gezeigt), das ebenfalls mit zwei diagonalen Trennwänden (nicht
gezeigt) versehen ist, auf im wesentlichen ähnliche Weise, wie dies unter
Bezugnahme auf 4 beschrieben worden ist, gepreßt werden.
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6 zeigt
eine Mehrbohrungs-Rohranordnung, die ein großdurchmeßriges Stahlrohr 61 aufweist,
das an ein kleindurchmeßriges
Stahlrohr 62 geschweißt
ist. Ein Satz von vier Elektroden 64 wird in vorbestimmten
Winkelintervallen gegen die Außenflächen der
Rohre 61 und 62 gepreßt, derart, daß die Enden
der Rohre 61 und 62 auf im wesentlichen gleichmäßige Weise
durch einen elektrischen Hochfrequenzstrom erhitzt werden, der in
die Rohrenden durch die Elektroden 64 eingebracht wird.
Eine gleichmäßige Erhitzung
der Rohrenden kann ferner durch Variation der elektrischen Energie
und/oder Spannung, die den verschiedenen Elektroden 64 zugeführt wird,
und/oder durch zyklisches Aktivieren unterschiedlicher Paare von
Elektroden 64 begünstigt
werden.
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7 zeigt
eine Mehrbohrungs-Rohranordnung, die ein großdurchmeßriges Stahlrohr 71 aufweist,
in welches ein klein durchmeßriges
Stahlrohr 72 geschweißt
ist. Ein Satz von vier Elektroden 74 wird in vorbestimmten
Winkelintervallen gegen die Oberflächen der Rohre 71 und 72 gepreßt. Die
kontinuierlich alternierenden Polaritäten der Elektroden 74 sind
derart, daß ein
im wesentlichen gleichmäßiger elektrischer
Hochfrequenzstrom durch die Enden der Rohrsegmente zwischen den
Elektroden 74 strömt,
wodurch die Enden beider Rohre 71 und 72 auf im
wesentlichen gleichmäßige Weise
erhitzt werden. Eine der Elektroden 74 ist im Inneren des
großdurchmeßrigen Stahlrohres 71 mittels
eines Dornes angeordnet, der während
des Schmiedeschweißverfahrens
in das großdurchmeßrige Rohr 71 eingesetzt werden
kann und nach dem Schmiedeschweißvorgang aus dem Rohrinneren
zurückgezogen
wird.
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8 zeigt
eine Mehrbohrungs-Rohranordnung, die ein großdurchmeßriges Stahlrohr 81 aufweist,
in welches zwei kleindurchmeßrige
Rohre 82 und 83 geschweißt sind. Die Rohrenden werden durch
einen Satz von sechs Elektroden 84 erhitzt, die unterschiedliche
Polaritäten
haben und dadurch einen elektrischen Hochfrequenzstrom in die Rohrsegmente
zwischen benachbarten Elektroden einbringen. Die Elektroden 84 können zyklisch
aktiviert und durch Thyristoren gesteuert werden, um die Enden der
groß-
und kleindurchmeßrigen
Rohre 81, 82 und 83 auf im wesentlichen
gleichmäßige Weise
zu erhitzen.
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9 zeigt
eine Mehrbohrungs-Rohranordnung, die ein großdurchmeßriges Stahlrohr 91 und zwei
Paare von kleindurchmeßrigen
Steuerleitungen 92 aufweist, die in der Wand des großdurchmeßrigen Rohres 91 an
diametral gegenüberliegenden
Stellen angeordnet sind. Ein Satz von sechs Elektroden 94 wird
in vorbestimmten Winkelintervallen gegen die Außenfläche des großdurchmeßrigen Rohres 91 gepreßt, derart,
daß die
Enden des Rohres 91 und eines benachbarten ähnlichen
Rohres (nicht gezeigt) auf im wesentlichen gleichmäßige Weise
erhitzt werden, worauf die erhitzten Rohrenden gegeneinandergepreßt werden
und eine Schmiedeschweißung
geformt wird.
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10 zeigt
eine Mehrbohrungs-Rohranordnung, die ein Bündel von drei Stahlrohren 101, 102 und 103 aufweist,
die miteinander verschweißt
sind. Die Enden der Rohre 101, 102 und 103 sind
auf im wesentlichen gleichmäßige Weise
durch eine Anordnung von drei Elektroden 104 erhitzt, die
als rotierendes Dreiphasensystem zyklisch aktiviert werden. Gegebenenfalls
kann ein Satz von drei anderen Elektroden 105 nahe den
Stellen angeordnet werden, an denen die Stahlrohre 101, 102 und 103 zusammengeschweißt werden,
um die Rohrsegmente zu erhitzen, die im zentralen Bereich des Bündels liegen.
Die Elektrodenanordnungen 104 und 105 können abwechselnd
aktiviert und derart gesteuert werden, daß die Rohrenden im wesentlichen
gleichmäßig erhitzt werden.
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Es
versteht sich, daß die
+ und – Zeichen,
die bei den gezeigten Elektrodenanordnungen angegeben sind, nur
illustrativ sind und daß sich
die Polaritäten
der verschiedenen Elektroden kontinuierlich sinusförmig ändern können, wenn
ein elektrischer Hochfrequenzstrom über die Elektroden in die benachbarten
Segmente der Wände
der Rohre eingebracht wird, deren Enden schmiedeverschweißt werden
sollen.