DE60319546T2

DE60319546T2 - Schmiedeschweissen von hochleistungsrohren

Info

Publication number: DE60319546T2
Application number: DE60319546T
Authority: DE
Inventors: Johannis Josephus Den Boer; Anthony Thomas Cole; Klisthenis Dimitriadis; Djurre Hans Zijsling
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: EA200500217A1; CN1668411A; DK1531961T3; NO20050824L; AU2003246712A1; EA006405B1; DE60319546D1; AU2003246712B2; EP1531961A1; NO331983B1; ATE387981T1; US20060169752A1; UA82487C2; WO2004007135A1; CA2492479A1; CN100377829C; EP1531961B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum Schmiedeschweißen von Hochleistungsrohren, derart, daß eine Schweißverbindung hoher Festigkeit und Qualität erhalten wird. Hochleistungsrohre können durch Ölfeldrohre, Schachtrohre und/oder andere Rohre gebildet werden, die hohen mechanischen und/oder thermischen Beanspruchungen infolge ihrer Verwendung in einem unregelmäßigen Bohrloch oder in einer feindlichen On- oder Off-shore-Umgebung unterliegen. So können Hochleistungsrohre häufig großen radialen, tangentialen und/oder Scherbeanspruchungen unterliegen, die eine hohe elastische, plastische und/oder pseudoplastische Verformung der Rohrwand und jeglicher Rohrverbindungen verursachen. Die Hochleistungsrohre können Rohre sein, die im Bohrloch auf einen größeren Durchmesser aufgeweitet und während des Aufweitvorganges plastisch verformt werden, wobei Bohrrohre bis zu 10 Kilometer lang sein können und über das 30-fache des Rohrumfanges verdrillt werden können, infolge des Drehmomentes, das auf den Bohrmeißel übertragen wird, und der Reibung zwischen dem Bohrrohr und der unregelmäßigen Bohrlochwand oder Heizschachtauskleidungen; die Rohre können Dampfeinbring- und/oder andere Heizrohre sein, die hohen thermischen Expansionskräften unterworfen sind und durch die thermische Expansion und/oder Einsinken der umgebenden Formation während der Fördervorgänge zusammengedrückt werden.
Das Schmiedeschweißen umfaßt das Umfangserhitzen der miteinander zu verbindenden Rohrenden und das nachfolgende Zusammenpressen der Rohrenden, um eine metallurgische Bindung zu bilden.
Eine große Anzahl von Heiztechnologien kann angewendet werden, um die Rohrenden ausreichend zu erhitzen, so daß eine metallurgische Bindung hergestellt werden kann. Die Heiztechniken können elektrische, elektromagnetische, Induktions-, In frarot-, Funkenerosions- und/oder Reibungserhitzung oder Kombinationen dieser und anderer Heizmethoden umfassen.
Wenn in dieser Beschreibung der Ausdruck Schmiedeschweißen verwendet wird, ist beabsichtigt, alle Techniken miteinzubeziehen, die eine Umfangserhitzung der Rohrenden und das nachfolgende metallurgische Verbinden der erhitzten Rohrenden umfassen, einschließlich Schweißtechniken, die allgemein als Diffusionsschweißen, Reibungsschweißen, Abbrennschweißen und/oder Stumpfschweißen bekannt sind.
Das US-Patent 2,604,569 offenbart eine Stumpfschweißtechnik, bei welcher die Enden der miteinander zu verbindenden metallischen Elemente eine sinusförmige Gestalt haben und erhitzt werden, indem ein Niedrigfrequenzstrom oder ein Gleichstrom in der Längsrichtung der Elemente durch diese hindurchgeleitet wird.
Es ist aus den US-Patenten 4,736,084 ; 4,669,650 und 5,721,413 an Per H. Moe bekannt, daß es günstig sein kann, die Rohrenden unmittelbar vor und während des Schmiedeschweißvorganges mit einem reduzierenden Spülgas, wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, zu spülen, derart, daß jegliche Oxidhaut von den erhitzten Rohrenden entfernt und eine metallurgische Verbindung mit einem geringen Ausmaß an Unregelmäßigkeiten erhalten wird. Es ist auch aus den US-Patenten 2,719,207 und 4,728,760 bekannt, nicht-explosive Gemische zu verwenden, die etwa 95 Vol.-% eines im wesentlichen inerten Gases, wie Argon, Stickstoff und/oder Helium, und etwa 5 Vol.-% eines reduzierenden Gases, wie Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid, zum Abbrennschweißen und/oder Induktionsstumpfschweißen aufweisen.
Das US-A-4 736 084 offenbart ein Verfahren zum Erhitzen von miteinander zu verbindenden Rohrelementen, insbesondere durch Schmiedeschweißen, wobei die zu verschweißenden Oberflächen einen schmalen Spalt einschließen.
Das US-A-4 566 625 offenbart ein Verfahren zum Verbinden von Rohrelementen durch Diffusionsschweißen, wobei die Teile erhitzt, zusammengepreßt und nachfolgend abgekühlt werden.
Das US-A-2 604 569 offenbart ein Verfahren zum Verbinden von Elementen durch Schmiedeschweißen, wobei die Enden der Elemente eine ineinandergreifende regelmäßige sinusförmige oder gezahnte Gestalt haben.
Experimente haben gezeigt, daß die Schmiedeschweißtechniken befähigt sind, hochqualitative metallurgische Verbindungen zwischen den Rohrenden zu erzeugen, insbesondere, wenn das Rohrende während des Schweißvorganges mit einem reduzierenden Spülgasgemisch gespült wird.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Schmiedeschweißen von Hochleistungs-Schachtrohren, Ölfeldrohren und oder anderen Rohren zu schaffen, das befähigt ist, eine schmiedegeschweißte Rohrverbindung innerhalb weniger Minuten zu erzeugen, und welches eine Schweißung erzeugt, bei welcher die Rohrwand im Bereich der Schweißung in einem nur minimalen Ausmaß geschwächt und/oder versteift wird, und gegebenenfalls derart, daß nur eine graduelle Variation jeglicher Festigkeitsänderung in Längsrichtung der Rohre auftritt.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein verbessertes Verfahren zum Verbinden von Hochleistungsrohren geschaffen, wobei das Verfahren umfaßt:
das Verbinden der Rohre durch Schmiedeschweißen und Spülen eines reduzierenden Spülgases um die erhitzten Rohrenden während zumindest eines Teiles des Schmiedeschweißvorganges, derart, daß Oxide von den schmiedegeschweißten Rohrenden entfernt werden und die Menge an Oxideinschlüssen und Unregelmäßigkeiten zwischen den schmiedegeschweißten Rohrenden begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden eine ineinandergreifende regelmäßige komplementäre sinusförmige oder komplementäre zahnförmige Gestalt um den Umfang der Rohre haben;
die Verwendung von Rohrenden, die in Umfangsrichtung eine komplementäre gezahnte sinusförmige Gestalt haben, verringert die Kräfte zum Schmiedeschweißen der Rohrenden bei deren Verwendung in einem Hochleistungsrohrstrang. Die ineinandergreifenden gezahnten oder sinusförmigen Enden können während des Schmiedeschweißvorganges gegeneinandergepreßt werden, indem die Rohrenden während des Schweißvorganges in Längsrichtung gegeneinanderbewegt werden, während die Umfangsorientierung der Rohrenden derart kontrolliert wird, daß während der Aufheizphase entlang des gesamten Umfanges ein Spalt im wesentlichen konstanter Breite vorhanden ist.
Die rohrförmigen Enden können erhitzt werden, indem ein Hochfrequenzstrom in Umfangsrichtung nahe den miteinander zu verbindenden Rohrenden durch die Rohrwände geleitet wird, wobei das Vorhandensein von kalten Stellen entlang des Umfanges der erhitzten Rohrenden durch Anordnung einer Reihe von längsgerichteten Ferritstäben um die Außenfläche der Rohrenden und/oder im Inneren desselben verringert wird.
Das Spülgas kann ein nicht-explosives Gemisch aus einem im wesentlichen inerten Gas und einem reduzierenden Gas sein, insbesondere kann das Spülgas mehr als 90 Vol.-% eines im wesent lichen inerten Gases, wie Stockstoff, Helium oder Argon, und mehr als 2 Vol. Wasserstoff enthalten.
Der Hochleistungsrohrstrang kann eine Auskleidung sein, während das Bohrgestänge während des Rohrens eines Loches einen Bohrmeißel trägt, wobei die Auskleidung in einem aufgeweiteten oder nicht-aufgeweiteten Zustand nach dem Beenden des Bohrvorganges in dem Bohrloch verbleibt.
Die Rohre können auch im Bohrloch durch Schmiedeschweißen verbunden werden, nachdem ein Rohraufweitungsvorgang stattgefunden hat, wobei eine Lanze in den Bereich der Rohrenden eingeführt wurde, um die Rohrenden auf Schmiedeschweißtemperatur zu erhitzen und sie aneinanderzupressen, während die Lanze ein reduzierendes Spülgas während zumindest eines Teiles des Schmiedeschweißvorganges um die erhitzten Rohrenden spült.
In einem solchen Fall überlappen die Enden der Rohre einander zumindest teilweise und die Lanze oder eine Schmiedeschweißvorrichtung wird in das innere Rohr eingesetzt, welche die Rohrenden erhitzt und ein reduzierendes Spülgas in jeglichen Spalt spült, der zwischen den überlappenden Rohrenden verblieben ist, und welche nachfolgend die Außenfläche des erhitzten Endes des inneren Rohres gegen die Innenfläche des äußeren Rohres preßt, um die Rohrenden durch Schmiedeschweißen zu verbinden.
In einem solchen Fall sind die teilweise überlappenden Rohrenden gezahnt oder haben eine komplementäre sinusförmige Gestalt, um das Vorhandensein abrupter Spannungsänderungen an den schmiedegeschweißten aufgeweiteten Rohrenden zu mäßigen, wenn der Rohrstrang gebogen, zusammengedrückt und/oder sonstwie verformt wird.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Die Erfindung wird nun detaillierter und an einem Beispiel unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 zwei Rohrenden mit komplementären gezahnten Endflächen. Die gezahnten Endflächen können verwendet werden, um die Rohre in winkeliger Richtung auszurichten;
2 zwei Rohrenden mit komplementären nicht-ebenen Endflächen, die in diesem Fall sinusförmige Gestalt haben; und
3 zwei teilweise überlappende Rohrenden, deren Endflächen sinusförmige Gestalt haben.
Wie in 1 gezeigt, ergibt das Verschweißen der gezahnten Enden 3 benachbarter Rohre 1, 2 über die Länge der Kontur der ineinandergreifenden nicht-ebenen gezahnten Enden 3, die rotationssymmetrisch relativ zu einer Längsachse 10 der Rohre 1, 2 sind, eine Gesamtlänge der Schweißung, die größer als die gesamte Umfangslänge der Rohre ist, und reduziert dadurch die Belastung der Schweißung im Vergleich zu jener des Rohrkörpers.
In 2 haben die nicht-ebenen Enden 6 zweier benachbarter Rohrabschnitte 4 und 5 in Umfangsrichtung sinusförmige Gestalt, die rotationssymmetrisch relativ zu einer Längsachse 11 der Rohrabschnitte 4 und 5 ist.
3 zeigt zwei Rohrenden 7 und 8, die einander teilweise überlappen. Das innere Rohrende 8 ist mit einer nicht-ebenen rotationssymmetrischen sinusförmigen Endfläche 9 versehen, die in Kontakt mit dem äußeren Rohr 7 steht, wogegen das äußere Rohr 7 eine nicht-ebene rotationssymmetrische sinusförmige Endfläche 12 hat, die in Kontakt mit dem inneren Rohr 8 steht. Das Schweißen der Rohre 7 und 8 über die Länge der überlappenden Rohrabschnitte 13 zwischen der nicht-ebenen Endflächen 9 und 12 ergibt eine Schweißlänge, die größer als die Länge des Umfanges der Rohre ist, und reduziert dadurch die Belastung der Schweißung im Vergleich zu jener der Rohrkörper. Zusätzlich ergibt diese Konfiguration eine allmähliche Übertragung der Belastung von einem Rohrkörper auf den anderen Rohrkörper und unterstützt die Minderung der Spannungskonzentrationen in der Überlappungszone der Rohre, wenn die Rohre durch Torsionskräfte verdrillt und/oder gebogen und/oder radial aufgeweitet werden.

Claims

Verfahren zum Verbinden von Hochleistungsrohren, wobei das Verfahren das Verbinden der Rohre (1, 2, 4, 5, 7, 8) durch Schmiedeschweißen und Spülen eines reduzierenden Spülgases um die erhitzten Rohrenden (3, 6, 9, 12) während zumindest eines Teiles des Schmiedeschweißvorganges umfaßt, derart, daß Oxide von den schmiedegeschweißten Rohrenden (3, 6, 9, 12) entfernt werden und die Menge an Oxideinschlüssen und Unregelmäßigkeiten zwischen den schmiedegeschweißten Rohrenden begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden (3, 6, 9, 12) eine ineinandergreifende regelmäßige komplementäre sinusförmige oder komplementäre zahnförmige Gestalt um den Umfang der Rohre haben.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Spülgas ein nicht-explosives Gemisch eines im wesentlichen inerten Gases und eines reduzierenden Gases ist, wie ein Gemisch, das mehr als 90 Vol.-% eines im wesentlichen inerten Gases, wie Stickstoff, Helium oder Argon, und mehr als 2 Vol.-% Wasserstoff umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Hochleistungsrohrstrang eine Auskleidung ist, während das Bohrgestänge während des Rohrens eines Loches einen Bohrmeißel trägt, wobei die Auskleidung in einem aufgeweiteten oder nicht-aufgeweiteten Zustand nach dem Beenden des Bohrvorganges in dem Bohrloch verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Rohrenden (3, 6, 9, 12) erhitzt werden, indem ein Hochfrequenzstrom in Umfangsrichtung durch die Rohrwände nahe den miteinander zu verbindenden Rohrenden (3, 6, 9, 12) geleitet wird, und bei welchem das Vorhandensein von kalten Stellen entlang des Umfanges der erhitzten Rohrenden durch Anordnung einer Reihe von längsgerichteten Ferritstäben um die Außenfläche der Rohrenden und/oder im Inneren desselben reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Rohrenden (3, 6, 9, 12) erhitzt werden, indem ein elektrischer Hochfrequenzstrom durch die Rohrenden mittels einer Reihe von Elektroden geleitet wird, die gegen die Innenfläche und/oder Außenfläche der Rohrenden nahe den Spitzen der Zähne (3) und/oder der sinusförmigen Endflächen (6, 9, 12) gepreßt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Rohrenden im Bohrloch durch Schmiedeschweißen verbunden werden, nachdem ein Rohraufweitungsvorgang stattgefunden hat, und die Rohrenden (3, 6, 9, 12) auf Schmiedeschweißtemperatur erhitzt und aneinandergepreßt werden, während ein reduzierendes Spülgas während zumindest eines Teiles des Schmiedeschweißvorganges um die erhitzten Rohrenden gespült wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Enden (9, 12) der Rohre (7, 8) einander zumindest teilweise überlappen und eine Schmiedeschweißvorrichtung in das innere Rohr (8) eingesetzt wird, welche die Rohrenden (9, 12) erhitzt, während ein reduzierendes Spülgas in jeglichen Spalt gespült wird, der zwischen den überlappenden Rohrenden (9, 12) verbleibt, und welche nachfolgend die Außenfläche des erhitzten Endes (9) des inneren Rohres (8) gegen die Innenfläche des äußeren Rohres (7) preßt, um die Rohrenden durch Schmiedeschweißen zu verbinden, und wobei die Endflächen (9, 12) der teilweise überlappenden Rohrenden gezahnt sind oder eine komplementäre sinusförmige Gestalt haben, um die Kräfte, die zum Schmiedeschweißen der aufgeweiteten Rohrenden erforderlich sind, zu reduzieren.