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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Verschweißen
von Rohren miteinander. Die Erfindung betrifft insbesondere das
Lichtbogen-Schweißen
von Rohrsektionen miteinander, wenn Tiefsee-Pipelines (d. h. Unterwasser-Pipelines)
verlegt werden. Der Schweißvorgang, der
beim Verlegen solcher Pipelines verwendet wird, ist gewöhnlich von
dem Typ, bei dem ein Lichtbogen-Schweißbrenner mit kontinuierlicher
Drahtzuführung
verwendet wird.
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Wenn
eine Pipeline auf See verlegt wird, ist es üblich, auf einer Verlegeschute
einzelne Rohrsektionen an einen Rohrstrang anzuschweißen (wobei der
Rohrstrang zum Seebett führt).
Der Schweißvorgang
findet nahe an der Wasseroberfläche
statt. Die Rohrsektionen können
mehrere Rohrabschnitte umfassen, die auf der Verlegeschute verschweißt werden,
um bei Bedarf die Rohrsektionen zu bilden.
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Der
Rohrstrang ist bei der Verlegung unter großer Belastung und die Schweißverbindungen müssen natürlich notwendigerweise
ausreichend stark sein, um den hohen Kräften zu widerstehen, die an
den Schweißverbindungen
wirken. Jedesmal, wenn ein Rohr mit einem anderen Rohr verschweißt wird,
werden umfangreiche Tests durchgeführt, um sicherzustellen, daß die Güte der gebildeten Schweißverbindung
ausreichend ist. Die Stärke
einer Schweißverbindung
hängt von
verschiedenen Faktoren ab, wovon einer die Geometrie des Weges ist,
der durch den Kontaktpunkt des Lichtbogens in Bezug auf die Oberflächen der
zu verbindenden Rohre verfolgt wird. Wenn der Kontaktpunkt des Lichtbogens nur
um einen Zehntelmillimeter vom Sollwert abweicht, kann die Güte der Verbindung
derart vermindert sein, daß die
Rohrverbindung bei der Prüfung
als von nicht ausreichender Güte
zurückgewiesen
wird. Es ist deshalb wichtig, daß das Schweißmetall
in dem Verbindungsbereich mit großer Genauigkeit abgelegt wird.
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Ferner
muß sich
die radiale Entfernung der Elektrode in Bezug auf die Rohre in Relation
auf die Tiefe der Schweißverbindung ändern. Wenn
sich der Bereich der Verbindung zwischen den Rohren mit Schweißmetall
füllt,
gelangt die Oberfläche
des geschweißten
Metalls näher
zum Schweißbrenner.
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Es
gibt deswegen spezielle Bestimmungen, die berücksichtigt werden müssen, wenn
eine Vorrichtung zum Verschweißen
derartiger Rohre miteinander konstruiert wird.
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Ein
bekanntes Verfahren zum Verschweißen von zwei Rohren miteinander
kann wie folgt beschrieben werden. Die zu verbindenden Rohre werden
vor dem Verschweißen
vorbereitet, indem die Enden der Rohre so angefast werden, daß dann,
wenn die Rohre unmittelbar vor dem Beginn des Schweißprozesses
(zueinander koaxial) angeordnet werden, zwischen den beiden Rohren
eine äußere in
Umfangsrichtung verlaufende Nut definiert ist. Die Rohre sind schweißbereit
positioniert. An einem der Rohre wird ein Schlitten angebracht,
der sich um den Umfang der zu verbindenden Rohre bewegen kann. An
dem Schlitten ist ein Schweißbrenner
angebracht und die Vorrichtung ist so beschaffen, daß das Ende
der Metallelektrode der Umfangsnut gegenüberliegend und dieser verhältnismäßig nahe
ist. Der Schlitten wird um den Umfang des Rohrs bewegt und der Brenner wird
so betätigt,
daß ein
Lichtbogen in die Nut gerichtet ist. Der Lichtbogen wird manuell
und/oder durch verschiedene mechanische Sensoren geführt, um den
Lichtbogen so genau wie möglich
längs der
Nut zu führen.
Der Schweißprozeß umfaßt im Allgemeinen
mehrere Durchgänge.
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Bei
dem oben beschriebenen Verfahren ist die Auflösung der mechanischen Sensoren
derart, daß eine
Bedienperson erforderlich ist, um den Schweißprozeß zu unterstützen, damit
der Lichtbogen mit ausreichender Genauigkeit geführt wird.
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US 4.283.617 offenbart eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum automatischen Verschweißen von Rohrsektionen
miteinander gemäß der Präambel von Anspruch
20 bzw. von Anspruch 1. Die Vorrichtung enthält eine Brennertransport-Baueinheit
zum Bewegen von zwei Brennern längs
der zwischen den Rohrsektionen zu schweißenden Umfangsverbindung. Die
beiden Brenner sind um einen Abstand voneinander beabstandet, der
einem Viertel des Umfangs der Rohrsektionen entspricht. Weitere
Schweißvorrichtungen/Verfahren
sind in
US 4.485.291 und
US 4.631.386 beschrieben.
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Die
Zeit, die benötigt
wird, um eine vorgegebene Länge
der Pipeline zu verlegen, wird hauptsächlich durch die Zeit bestimmt,
die erforderlich ist, um alle notwendigen Schweißoperationen auszuführen. Es
bestand deswegen der allgemeine Wunsch, die Zeit zu reduzieren,
die erforderlich ist, um zwei Rohre miteinander zu verschweißen. Jeder
Versuch, den Schweißprozeß zu beschleunigen,
sollte jedoch nicht zu einer bedeutenden Verminderung der Güte der Schweißverbindung
führen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und
ein Verfahren zum Verschweißen
von Rohren miteinander zu schaffen, die wenigstens einige der oben
erwähnten
Nachteile mindern, die dem bekannten Verfahren und der oben beschriebenen
Vorrichtung zugehörig
sind. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Verschweißen von Rohren miteinander
zu schaffen, die beim Verschweißen
der Rohre schneller sind als das bekannte Verfahren und die oben
beschriebene Vorrichtung, jedoch ohne die Güte der Schweißverbindung
bedeutend zu vermindern.
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Deswegen
schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden einer
Pipeline, das einen Schritt des Verschweißens zweier Rohre miteinander umfaßt, wobei
der Schritt des Verschweißens
zweier Rohre miteinander die folgenden Schritte umfaßt:
Anordnen
zweier Rohre Ende an Ende, wobei die Rohre so geformt sind, daß zwischen
den Enden der Rohre eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut definiert
ist,
Ausführen
einer Relativbewegung mehrerer auf einem einzigen Schlitten angeordneter
Lichtbogen-Schweißbrenner
mit im Wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit um die Rohre,
und
Betreiben der mehreren Lichtbogen-Schweißbrenner, so daß ihre Lichtbögen in der
Nut eine Schweißnaht
bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß
die gebildete Pipeline
eine Tiefsee-Pipeline ist, der Trennwinkel der Wände, die die Nut zwischen den Rohren
definieren, kleiner als 10 Grad ist,
wenigstens zwei Brenner
der mehreren Lichtbogen-Schweißbrenner
direkt nebeneinander angeordnet sind, so daß während des Betriebs der Brenner die
Lichtbögen
der wenigstens zwei Brenner in der Nut direkt nacheinander erzeugt
werden, wobei zwei der Brenner, die ein Verschweißen des
Rohrs ausführen,
mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten schweißen, und
der durch jeden
der mehreren Lichtbogen-Schweißbrenner
erzeugte Lichtbogen unabhängig,
automatisch und elektronisch geführt
wird, indem die elektrischen Eigenschaften des Schweißvorgangs
für jedes einzelne
Rohr bestimmt werden und die elektrischen Eigenschaften in Bezug
auf eines der Rohre mit den entsprechenden elektrischen Eigenschaften
in Bezug auf das andere der Rohre verglichen werden.
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Sowohl
die Automatisierung des Prozesses als auch das Vorsehen mehrerer
Brenner auf dem Schlitten bewirken die Beschleunigung des Schweißprozesses,
wobei sich die Komplexität
oder die Kosten der Schweißvorrichtung
nicht notwendigerweise bedeutend erhöhen. Die Kosten können außerdem gesenkt
werden, da keine Notwendigkeit eines erfahrenen Bedieners zum manuellen
Führen
der Schweißvorrichtung
besteht.
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Die
automatische elektronische Führung
des Schweißvorgangs
ermöglicht,
daß das
Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um Rohre miteinander
zu verschweißen,
wobei der Trennwinkel der die Nut definierenden Wände kleiner
als 10 Grad ist. Der Trennwinkel der die Nut definierenden Wände beträgt vorteilhaft
6 Grad oder weniger. Je kleiner im Allgemeinen der Winkel ist, desto
weniger Schweißmaterial
wird benötigt,
um die Rohre zufriedenstellend miteinander zu verschweißen. Die
die Nut definierenden Wände
können
sogar im Wesentlichen parallel verlaufen.
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Wenn
die Brenner erstmals betrieben werden, um eine Schweißnaht zu
bilden, ist es vorzuziehen, daß der
erste Brenner das Schweißen
beginnt und weitere Brenner erst dann das Schweißen beginnen, wenn sie die
Position erreicht haben, an der der erste Brenner gestartet wurde.
Die Brenner können
in einer ähnlichen
Weise nacheinander abgeschaltet werden.
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Es
sind in der Vergangenheit viele Vorschläge gemacht worden, um den Schweißprozeß, mit dem
sich die vorliegende Erfindung beschäftigt, zu beschleunigen. Ein
derartiger Vorschlag besteht darin, mehr als eine Schweißvorrichtung
vorzusehen, wobei jede Schweißvorrichtung
durch einen entsprechenden Schweißoperator bedient wird. Ein
solcher Vorschlag erfordert jedoch das Vorsehen separater Schlitten,
was zu einem Kostenanstieg führt.
Da es außerdem
in der Vergangenheit üblich
war, daß die
in Umfangsrichtung verlaufende Nut zwischen den Rohren kegelförmig ist,
war es ebenfalls üblich,
daß sich
die Geschwindigkeit des Schweißbrenners
relativ zum Rohr verlangsamt, wenn sich die Tiefe der Schweißverbindung
vergrößert, da
sich dann, wenn sich die Tiefe vergrößert, auch die Schichtbreite
der zu bildenden Schweißverbindung
vergrößert und
somit auch die Zeit ansteigt, die erforderlich ist, um aufeinanderfolgende
Schichten (einer vorgegebenen Länge
im Verlauf der Nut) zu bilden. Deswegen erfordern Vorschläge zum Vorsehen
von zwei Schlitten, die jeweils einen Brenner tragen, häufig, daß sich die Schlitten
voneinander unabhängig
und bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen können, was
dahingehend Komplikationen bewirkt, daß Vorsorge getroffen werden
muß, um
zu vermeiden, daß die
Schlitten- und Brennerbaueinheiten kollidieren und sich gegenseitig
stören.
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Die
Automatisierung der Führung
der Schweißbrenner
gemäß der vorliegenden
Erfindung vereinfacht das Vorsehen mehrerer derartiger Brenner,
die auf einem einzelnen Schlitten angeordnet sind. Wenn die Führung der
Brenner nicht vollständig automatisiert
wäre, wären für einen
einzelnen Schlitten mehrere Operatoren erforderlich. Das Verfahren der
automatischen Führung
der Brenner gemäß der vorliegenden
Erfindung erfordert ferner keinen mechanischen Kontakt mit den die
Nut definierenden Wänden
und hat sich als sehr genau erwiesen, was dazu führen könnte, daß weniger Schweißnähte zurückgewiesen
werden, wenn sie strengen Qualitätsprüfungen unterzogen
werden, die beim Verlegen von Pipelines erforderlich sind. Wenn
die Lichtbögen längs der
in Umfangsrichtung verlaufenden Nut bewegt werden, wird vorzugsweise
die Führung
der Lichtbögen ohne
mechanische oder optische Sensoren ausgeführt, wenn die Bewegung der
Lichtbögen in
einer Richtung längs
der Achse des Rohrs gesteuert wird.
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Die
Achsen der Brenner können
im Wesentlichen parallel sein. Die Achsen der Brenner können z.
B. so angeordnet sein, daß sie
sich im Gebrauch in Bezug auf das Rohr im Wesentlichen radial erstrecken.
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Die
Führung
der Lichtbögen
kann durch einen Schlitten ausgeführt werden und wird vorzugsweise
durch einen solchen ausgeführt,
der sich in Umfangsrichtung um das Rohr und längs der Nut bewegt, so daß der Brenner
im Allgemeinen zur Nut zeigt, wobei eine Steuereinheit die exakte
Position der Lichtbögen
steuert, indem sie Korrekturbewegungen am Brenner in einer Richtung
parallel zur Achse des Rohrs ausführt. Vorzugsweise, jedoch nicht
notwendigerweise bewegen solche Korrekturbewegungen den Lichtbogen
im Wesentlichen zu der genau gewünschten
Stelle.
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Wie
oben erwähnt
wurde, wird der durch jeden der mehreren Lichtbogen-Schweißbrenner
erzeugte Lichtbogen unabhängig,
automatisch und elektronisch geführt.
Die unabhängige
Führung
jedes Lichtbogens kann die Herstellung einer Schweißverbindung
mit besserer Güte
ermöglichen.
Der Prozeß der
automatischen Führung
umfaßt
vorzugsweise einen Schritt des Bestimmens der Differenz zwischen einem
Wert, der eine elektrische Eigenschaft in Bezug auf ein Rohr repräsentiert,
und einem Wert, der die gleichen Eigenschaft in Bezug auf das andere Rohr
repräsentiert,
und des anschließenden
Ausführens
einer Korrekturbewegung, die die Position des Lichtbogens in Abhängigkeit
vom Differenzwert bewegt. Zum Beispiel kann die Position des Lichtbogens
um eine voreingestellte Entfernung bewegt werden (z. B. in eine
Richtung längs
der Achse des Rohrs), wenn der Differenzwert außerhalb eines im Voraus festgelegten
Bereichs annehmbarer Werte liegt. Die Richtung der Bewegung kann
davon abhängen,
ob der Differenzwert über
einem oberen Schwellenwert oder unter einem unteren Schwellenwert liegt.
Der Betrag der Korrekturbewegung könnte vom Betrag der Differenz
abhängen.
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Die
Messungen, aus denen der Wert der verglichenen elektrischen Eigenschaften
bestimmt wird, erfolgen natürlich
vorzugsweise an dem Lichtbogen, der sich über die Länge der Nut in der gleichen
Entfernung befindet.
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Wenn
eine Korrekturbewegung lediglich dann ausgeführt wird, wenn der Differenzwert
außerhalb
eines Bereichs annehmbarer Werte liegt, ist es vorzuziehen, ein
weiteres Mittel zum Korrigieren der Bewegung zu haben. Wenn der
Differenzwert über die
Zeit hinweg angibt, daß sich
der Lichtbogen im Wesentlichen ununterbrochen auf einer Seite des
gewünschten
Weges außerhalb
der Position befindet, jedoch nicht in ausreichenden Maße, um zu
bewirken, daß der
Differenzwert außerhalb
des im voraus bestimmten annehmbaren Bereich liegt, ist es trotzdem
erwünscht,
diese kleine, aber dauerhafte Diskrepanz in der Position des Lichtbogen
zu korrigieren. Das Verfahren umfaßt daher ferner vorzugsweise
das Überwachen
der Werte der Differenzen über die
Zeit hinweg und dann, wenn die Werte der Differenzen angeben, daß sich der
Lichtbogen im Wesentlichen ununterbrochen auf einer Seite des gewünschten
Weges befindet, das Ausführen
einer Korrekturbewegung des Lichtbogens. Es könnte z. B. eine integrierende
Vorrichtung vorgesehen sein, um eine Laufsumme der Werte der berechneten
Differenzen zu berechnen.
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Die
elektrischen Eigenschaften, die bestimmt werden, können die
Spannung und/oder die Potentialdifferenz und/oder den Strom und/oder
die Stromdichte und/oder die Lichtbogenimpedanz enthalten. Die Eigenschaften
werden vorzugsweise bestimmt, indem die elektrischen Eigenschaften
der Lichtbogen der Schweißbrenner
gemessen werden.
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Die
Brenner müssen
nicht alle in derselben Weise betrieben werden. Einige Lichtbogen
können z.
B. bei unterschiedlichem Strom betrieben werden. Zwei der Brenner,
die das Verschweißen
des Rohrs ausführen,
schweißen
bei unterschiedlichen Raten. Einem Brenner kann z. B. Schweißdraht bei
einer unterschiedlichen Rate zugeführt werden.
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Es
gibt vorzugsweise zwei Schweißbrenner, die
am Schlitten montiert sind. Jeder Brenner ist vorzugsweise ein Lichtbogen-Schweißbrenner
mit kontinuierlicher Drahtzuführung.
Im Gebrauch wird z. B. der Schweißdraht in den Brenner eingeführt und
füllt mittels
des Lichtbogen-Schweißprozesses
die Nut zwischen den Rohren, um die Schweißverbindung zu bilden. Die
Zuführung
des Schweißdrahts
ist vorteilhaft vom Schlitten entfernt angeordnet. Wenn die Zuführung mit
Schweißdraht
entfernt vorgesehen ist, wird der Schlitten leichter und vereinfacht
demzufolge die Bedienung. Der Schweißdraht kann auf einer Spindel
angeordnet sein. Eine typische Schweißdrahtspindel kann etwa 2,5
kg wiegen.
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Jeder
Brenner ist vorzugsweise unabhängig in
einer Richtung beweglich, die eine Komponente parallel zur Achse
des Rohrs besitzt.
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Ein
geeignetes Verfahren zum Bestimmen der erforderlichen Werte der
elektrischen Eigenschaften in Bezug auf jedes entsprechende Rohr
wird nachfolgend beschrieben. Ein Schritt dieses Verfahrens enthält vorzugsweise
das Oszillieren jedes Schweißbrenners,
so daß sich
die Position jedes Lichtbogens abwechselnd von einer Seite zur anderen
Seite des Allgemeinen Weges bewegt, der von jedem Brenner längs der
Nut verfolgt wird. Die Brenner werden deshalb vorzugsweise so bewegt,
daß die
entsprechenden Positionen der Lichtbögen innerhalb der Nut zwischen
den die Nut definierenden Wänden
oszillieren. Jeder Schweißbrenner
oszilliert vorzugsweise in der Weise, daß die Position jedes Lichtbogens
sich abwechselnd im Allgemeinen zu den Wänden der Nut und von diesen
weg bewegt. Die Oszillationsbewegung jedes Lichtbogens erfolgt vorzugsweise
in einer Richtung, die eine Komponente in einer Richtung längs der
Rohrachse aufweist. Die Richtung der Oszillationsbewegung ist vorzugsweise
im Wesentlichen senkrecht zur Länge
der Nut. Die Richtung der Oszillationsbewegung ist vorzugsweise
im Wesentlichen parallel zur Achse des Rohrs. Die Oszillationsbewegung
der Lichtbögen
zu den Wänden
der Nut und weg von diesen ist vorteilhafterweise klein im Vergleich
zur Breite des Schweißschicht,
die zu einem gegebenen Zeitpunkt aufgebracht wird. Die Amplitude
der Oszillationsbewegung ist vorteilhafterweise so klein, daß die Güte der Schweißnaht nicht
bedeutend beeinflußt
wird. Die Amplitude der Oszillationen des Lichtbogens kann z. B.
während
wenigstens einigen Stufen des Schweißprozesses weniger als einen
Zehntelmillimeter betragen.
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Wie
oben angegeben ist, enthält
der Schritt des Bestimmens der elektrischen Eigenschaften des Schweißvorgangs
in Bezug auf jedes Rohr vorzugsweise einen Schritt des Oszillierens
der Position des Lichtbogens in der Nut. Da die elektrischen Eigenschaften
eines Lichtbogens sich in Abhängigkeit
von der Relativposition des Lichtbogens in der Nut ändern, kann
eine Angabe der Position des Lichtbogens in der Nut bestimmt werden,
indem die elektrischen Eigenschaften des Lichtbogens überwacht
und verglichen werden, wenn sich die Entfernung des Lichtbogens
von den Wänden ändert.
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Diese
Bewegung jedes Brenners in der Richtung, die eine zur Achse des
Rohrs parallele Komponente besitzt, erfolgt durch eine entsprechende,
unabhängige
Antriebsmaschine. Eine einzige Antriebsmaschine führt vorzugsweise
die Bewegung der Brenner über
die Länge
der Nut aus. Die oder jede Antriebsmaschine kann ein Elektromotor
und vorzugsweise ein bürstenloser
Elektromotor sein.
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Jeder
Brenner wird vorzugsweise während des
Betriebs gekühlt.
In diesem Fall kann jeder Brenner mit Mitteln zum Kühlen des
Brenners während des
Betriebs versehen sein. Wenn ein Brenner sehr nahe an einem anderen
Brenner betrieben wird, der ebenfalls betrieben wird, kann die übermäßige Wärme, die
durch die beiden Brenner erzeugt wird, an den Brennern sowie weiteren
in der Nähe
befindlichen Vorrichtungen mechanische Probleme bewirken, wenn die
Wärme nicht
in geeigneter Weise abgeführt
wird. Vorzugsweise sind die Brenner jeweils wassergekühlt. Vorzugsweise
bewirkt das Wasserkühlungssystem
eines Brenners die Kühlung
der Schweißspitze
dieses Brenners.
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Die
Erfindung schafft außerdem
ein Verfahren, das oben beschrieben wurde, bei dem die Rohre eine
Größe und eine
Wanddicke besitzen, die für
die Bildung einer Tiefsee-Pipeline geeignet sind, und die Rohre
durch Stumpfschweißen,
das durch eine automatisch führende
Schweißvorrichtung
ausgeführt wird,
verbunden werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
- – koaxiales
Anordnen zweier zu verbindender Rohre direkt nebeneinander, wobei
die Stirnwände
der Rohre einander zugewandt sind und eine in Umfangsrichtung verlaufende
abgefaste Nut mit einer linken Wand und einer rechten Wand definieren,
- – Vorsehen
einer Schweißvorrichtung,
die umfaßt:
- – eine
Führung,
die um den Umfang des Rohrs angebracht ist,
- – wenigstens
einen automatischen Nachlaufwagen, der an der Führung angebracht ist, um sich unter
der Steuerung der Steuereinheit entlang der Führung und um das Rohr zu bewegen,
wobei der oder jeder Wagen Verriegelungs- und Gleitvorrichtungen,
die mit der Führung
in Eingriff gelangen können,
sowie Zugeinheiten zum Ziehen des oder jedes Wagens längs der
Führung
umfaßt,
- – zwei
oszillierende Schweißbrenner
mit kontinuierlicher Drahtzuführung,
die an dem oder jedem Wagen angebracht sind, und
- – ein
Drahtzuführungsmittel
zum Zuführen
eines Drahts an jeden der oszillierenden Schweißbrenner,
- – Bewegen
der Schweißbrenner
um die Führung und
Betreiben der Schweißbrenner
in der Weise, daß ein
Verschweißen
der linken Wand und der rechten Wand der Nut erfolgt, um die Rohre
miteinander zu verschweißen,
- – für jeden
Schweißbrenner
Bestimmen von Werten elektrischer Parameter, die auf die Spannung, die
Stromstärke
und die voltaische Lichtbogenimpedanz sowohl der linken Wand als
auch der rechten Wand der Nut bezogen sind, zu jedem von mehreren
Zeitpunkten während
der ununterbrochenen Bewegung der oszillierenden Schweißbrenner,
- – für jeden
Schweißbrenner
Berechnen der Differenz zwischen den Werten der elektrischen Parameter
für die
rechte Wand und für
die linke Wand,
- – für jeden
Brenner Vergleichen der Werte der berechneten Differenzen zu jedem
Zeitpunkt mit im Voraus festgelegten Werten, die in einem Verarbeitungsmittel
gehalten werden, um zu jedem Zeitpunkt die Verschiebung dieser Werte
zu bestimmen,
- – Lenken
der Änderung
der Bewegungen jedes oszillierenden Schweiß brenners, indem jedes Mal,
wenn die Verschiebung in Bezug auf den entsprechenden Brenner eine
im voraus festgelegte Grenze übersteigt,
ein Antriebsmittel aktiviert wird, das den Brenner in der Weise
orientiert, daß die
Schweißlage
in der Mitte der Kehle der Nut abgelagert wird und daß die Schweißlage dann
auf der Nennmittellinie der Nut im Wesentlichen überlagert wird, und
- – Bereitstellen
einer Schutzatmosphäre
aus aktivem Kohlendioxidgas,
wobei
Rohre mit Wänden, die
verhältnismäßig dick
und so abgefast sind, daß der
Winkel zwischen der linken Wand und der rechten Wand der Nut, die
zwischen den Enden der Rohre definiert ist, verhältnismäßig gering ist, kostengünstig und
schnell miteinander verschweißt
werden können.
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Die
vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Aufbau
einer Unterwasser-Pipeline, das die Verwendung des Verfahrens gemäß der hier
beschriebenen vorliegenden Erfindung einschließt. Die Technik, die beim Verlegen
der Unterwasser-Pipeline verwendet wird, kann das J-Verlege-Verfahren
sein.
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Wenn
die oben beschriebene Erfindung verwendet wird, um eine Rohrsektion
mit einer Pipeline zu verbinden, wird eines der beiden Rohre die
Rohrsektion sein und das andere wird natürlich das freie Ende der Pipeline
sein, mit der die Rohrsektion zu verbinden ist. Während es
in dem Fall, bei dem eine Rohrsektion an eine Pipeline zu schweißen ist,
verhindert werden muß,
daß sich
die Rohrsektion dreht, können
wenigstens einige der Merkmale der vorliegenden Erfindung natürlich ebenfalls
verwendet werden, wenn die Rohre miteinander verschweißt werden,
wie etwa dann, wenn Rohrstücke
miteinander verschweißt
werden, um eine Rohrsektion zu bilden, wobei es dabei möglich ist,
daß sich
die Rohre drehen und die Schweißvorrichtung
feststehend bleibt.
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Gemäß der Erfindung
wird außerdem
eine Schweißvorrichtung
zur Verwendung in dem Verfahren der oben beschriebenen Erfindung
geschaffen, wobei die Vorrichtung umfaßt:
einen Schlitten, der
mehrere Lichtbogen-Schweißbrenner
trägt,
und eine Steuereinheit, die die automatische Führung der von den Brennern
erzeugten Lichtbögen
erleichtert, wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, daß sie dazu
verwendet werden kann, zwei Rohre miteinander zu verschweißen, die
Ende an Ende gelegt sind und zwischen sich eine Nut definieren,
indem die Vorrichtung derart angeordnet wird, daß,
der Schlitten so angebracht
ist, daß er
sich um den Umfang der Rohre bewegen kann,
die Steuereinheit
Signale empfängt,
die elektrische Eigenschaften der Schweißung in Bezug auf jedes Rohr
repräsentieren,
wobei
die Steuereinheit eine unabhängige automatische Führung des
Lichtbogens jedes Brenners längs
der Nut dadurch erleichtert, daß die
Signale, die auf eines der Rohre bezogen sind, mit den entsprechenden
Signalen, die auf das andere der Rohre bezogen sind, verglichen
werden. Jeder Brenner ist vorzugsweise mit einer entsprechenden
Steuereinheit versehen. Weitere Beispiele, wie die Vorrichtung konfiguriert
sein kann, um einen Aspekt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
auszuführen,
schließen
ein, daß jeder
Schweißbrenner
vorzugsweise so beschaffen ist, daß er im Gebrauch eine Oszillationsbewegung
des Lichtbogens ausführen
kann und jeder Schweißbrenner
so beschaffen ist, daß er
oszillieren kann, so daß sich
im Gebrauch die Position jedes Lichtbogens abwechselnd im Allgemeinen
zu den Wänden
der Nut und von diesen weg bewegt.
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Es
werden nun Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben, worin:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Schweißvorrichtung mit zwei Schweißbrennern (von
denen für
den Zweck der Klarheit lediglich einer gezeigt ist) gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein
Blockschaltplan ist, der das automatische Führungssystem der Schweißvorrichtung der
ersten Ausführungsform
zeigt; und
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3 eine
schematische Perspektivansicht einer Schweißvorrichtung mit zwei Schweißbrennern gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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1 zeigt
in einem teilweisen Querschnitt die Enden der Rohre 2, 4,
die miteinander zu verschweißen
sind, und eine schematische Seitenansicht einer Schweißvorrichtung 10 mit
zwei voltaischen Lichtbogen-Schweißbrennern 1 (von denen
in 1 lediglich einer ersichtlich ist), um die Rohre 2, 4 stumpf
aneinander zu schweißen.
Der Schweißbrenner
gehört
zum wohlbekannten GMAW-Schweißen(Gas-Metall-Lichtbogenschweißen) und
kann entweder von dem Typ sein, der beim MAG-Schweißen(Metall-Aktivgas-Schweißen) verwendet
wird, oder von dem Typ sein, der beim MIG-Schweißen(Metall-Inertgas-Schweißen) verwendet
wird. Das verwendete Gas kann z. B. Kohlendioxid sein.
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Die
Rohre 2, 4 werden so angeordnet, daß ihre Achsen
ausgerichtet sind und ihre Enden 26, 27 nebeneinander
liegen. Die Enden 26, 27 der Rohre sind abgefast,
so daß sie
dann, wenn sie zusammengebracht werden, eine in Umfangsrichtung
verlaufende äußere Nut 28 definieren.
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Eine
Laufbahn 6 ist als eine einzelne Einheit am linken Rohr 2 fest
angebracht (wie in 1 ersichtlich ist). Die Laufbahn 6 erstreckt
sich in Umfangsrichtung um das Rohr 2. Die Laufbahn 6 besitzt zwei
Führungsbahnen 29, 30,
die sich um das Rohr 2 erstrecken. Die Schweißvorrichtung 10 ist
für eine Bewegung
längs der
Laufbahn 6 montiert. An einer Basisplatte 7 der
Schweißvorrichtung 10 sind
Räder 5 drehbar
angebracht. Die Räder 5 gelangen
an den Führungsbahnen 29, 30 in
Eingriff und erleichtern die geführte
Bewegung der Vorrichtung 10 längs der Laufbahn 6.
Eine der Laufbahnen 30 besitzt außerdem eine Zahnstange, die
sich um das Rohr erstreckt. Ein (nicht gezeigtes) Ritzel, das für einen
Eingriff an der Zahnstange angebracht ist, wird angetrieben, so
daß die
Vorrichtung um das Rohr 2 getrieben werden kann. Das angetriebene
Ritzel kann über eine
angetriebene Kette gedreht werden, die wiederum durch einen Schrittmotor
oder eine ähnliche
(nicht dargestellte) Antriebsquelle angetrieben wird. Die Laufbahn 6 ist
am Rohr 2 so positioniert, daß die Brenner 1 der
Vorrichtung 10 jeweils direkt über der Nut 28 positioniert
sind. Diese Verfahren zum Positionieren einer Laufbahn und einer
Schweißvorrichtung
an einem Rohr, derart, daß ein
Brenner der Schweißvorrichtung
korrekt über
der auszubildenden Schweißverbindung
positioniert wird, sind wohlbekannt und werden deshalb hier nicht
genauer beschrieben.
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Im
Gebrauch wird die Vorrichtung 10 um die Rohre 2, 4 getrieben
und die Schweißbrenner 1 werden
betrieben und so gesteuert, daß sie
Schweißmaterial
in der Mitte der Nut 28 ablagern, um die Schweißverbindung 3 zu
bilden. Die Schweißbrenner sind
nebeneinander angeordnet. Wenn die Vorrichtung gestartet wird, wird
der erste Brenner (der Brenner an der Vorderseite in Bezug auf die
an fängliche Bewegungsrichtung
der Brenner) zuerst betrieben und der andere Brenner wird nicht
betrieben, bis er den Beginn der Schweißnaht erreicht, die durch den ersten
Brenner abgelegt wurde. Anschließend läuft die Vorrichtung an der
Nut 28 entlang, Schweißmaterial
wird in der Nut durch den ersten Brenner abgelagert, um die Schweißverbindung 3 zu
bilden, und kurz danach wird durch den zweiten Brenner weiteres
Schweißmaterial
auf der Schweißverbindung 3 abgelagert.
Die Vorrichtung 10 führt
mehrere Durchgänge
aus, wobei sie weitere Schichten von Schweißmaterial in der Nut ablagert,
um die Rohr miteinander zu verbinden. Die Schweißvorrichtung 10 dreht
sich in beiden Richtungen um den Umfang der Rohre 2, 4.
Die Schweißvorrichtung 10 dreht
sich in einer Richtung (d. h. in Uhrzeigerrichtung oder in Gegenuhrzeigerrichtung)
um die Rohre 2, 4, bis sie sich wenigstens einmal
um den gesamten Umfang der Rohre gedreht hat.
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Beide
Brenner 1 arbeiten auf ähnliche
Weise. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf einen der beiden
Brenner und sein Führungssystem,
es ist jedoch selbstverständlich,
daß der
andere Brenner im Wesentlichen in gleicher Weise funktioniert.
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Der
Schweißdraht 9 wird
ununterbrochen von einer Drahtrolle 11 dem Brenner 1 zugeführt. Der Schweißdraht 9 wird
von der Drahtrolle 11 mittels einer Abziehvorrichtung 14 abgewickelt,
die den Draht 9 über
ein Führungsrohr 8 zu
einer Spannvorrichtung 12 befördert, von der der Draht in
den Brenner 1 geführt
wird.
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Das
Schweißen
der Rohre 2 und 4 durch die Schweißbrenner
wird durch ein automatisches Führungssystem
gesteuert. Das Führungssystem
führt die
Schweißbrenner,
indem Werte elektrischer Parameter, die sich auf die voltaische
Lichtbogenimpedanz beziehen, bestimmt werden. Die Lichtbogenimpedanz
hängt u.
a. von der Position des Schweißlichtbogens
in Bezug auf die die Nut 28 definierenden Wände ab.
Wenn der Lichtbogen auf der Nennmittelebene (die die Mittellinie
der Nut 28 enthält)
in der Mitte zwischen den Wänden
der Nut 28 liegt, ist der Einfluß dieser Wände auf die oben genannten
elektrischen Parameter praktisch identisch. Wenn andererseits der
Lichtbogen des voltaischen Brenners 1 nicht direkt in der
Mitte der Nut 28 positioniert ist, ist der Einfluß der Wände der Nut
auf die elektrischen Parameterwerte unterschiedlich. Das Überwachen
der Größen eines
bestimmten elektrischen Parameters ermöglicht der (in 1 nicht
gezeigten) Steuereinheit der Vorrichtung, die Abweichung des Lichtbogens
des Brenners 1 in der Nut 28 von der mittigen Position
zu berechnen. Genauer werden während der
kontinuierlichen Bewegung des Brenners 1 die Größen der
Werte von Spannung, Strom und Impedanz (V, I, R), die sich auf eine
Wand der Nut 28 beziehen, mit jenen verglichen, die sich
auf die andere Wand der Nut beziehen. Die Spannung und der Strom
des Lichtbogens werden mit einer Vorrichtung gemessen, die am oder
im Schweißbrenner
angebracht ist, und die Lichtbogenimpedanz kann dann unter Verwendung
dieser gemessenen Werte berechnet werden. Das Verfahren zum Bestimmen
dieser Werte in Bezug auf eine gegebene Wand der Nut 28 wird
nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 erläutert.
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Wenn
der Lichtbogen in einer außermittigen Position
ist, in der sich der Lichtbogen, das Ende des Drahts 9 und
das Schweißbad
näher zu
einer der Wände
der Nut befinden, gibt es eine Verminderung der voltaischen Lichtbogenimpedanz
in Bezug auf die gegenüberliegende
Wand, da die Schweißvorrichtung
derart ist, daß sich
der Spannungswert gezwungenermaßen
vermindert und die Stromstärke gezwungenermaßen ansteigt.
Korrekturen der Orientierung und der Position des Brenners 1 in
Bezug auf die Nut 28 und die Schweißnaht 3 werden mit
dem automatischen Führungssystem
in Echtzeit erreicht.
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Der
Blockschaltplan von 2 veranschaulicht schematisch
das automatische Führungssystem der
Schweißvorrichtung
gemäß der (durch 1 dargestellten)
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Jeder Brenner ist mit einem Führungssystem
versehen, für
die Einfachheit ist jedoch das System unter Bezugnahme auf lediglich
einen Brenner dargestellt und beschrieben.
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Das
Führungssystem
bestimmt periodisch die elektrischen Parameterwerte von Spannung, Stromstärke und
voltaischer Lichtbogenimpedanz, die sich auf die rechte Wand und
auf die linke Wand beziehen, die die Nut 28 definieren
(siehe 1). Der Schweißbrenner wird oszilliert, so
daß die
Position des Lichtbogens mit einer kleinen Amplitude in einer im
Wesentlichen zu der Achse des Rohrs parallelen Richtung oszilliert
(so daß sich
der Brenner zu jeder Wand und von dieser weg bewegt). Die Spannung
und der Strom des Lichtbogens werden praktisch ununterbrochen gemessen
und Signale, die diesen gemessenen Werten entsprechen, werden vom Brenner 1 über ein
Kabel 25 zu einer Regeleinheit 15 geleitet. Die
Regeleinheit 15 enthält
ein Verarbeitungsmittel, das die Signale verarbeitet. Die Regeleinheit 15 sendet
Signale, die eine Darstellung der elektrischen Parameterwerte sind,
die für
die linken und rechten Wände
gemessen wurden, an zwei digitale Filter 16, 18,
wobei ein Filter 16 zum Erzeugen von Signalen dient, die
sich auf die rechte Wand beziehen, und ein Filter 18 der
linken Wand dient. Die Regeleinheit 15 und die Filter 16, 18 sind
somit in der Lage, aus den Signalen vom Brenner 1 effektiv
Signale zu extrahieren, die Werten der Parameter entsprechen, die
in Bezug auf den Lichtbogen in Relation auf die linke Wand bzw.
die rechte Wand der Nut 28 gemessen wurden. Durch die Filter 16, 18 werden somit
Ausgangssignale erzeugt, die sich auf die Spannungs-, Strom- und
Impedanzwerte in Bezug auf ihre entsprechende Wand der Nut beziehen.
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Eine
Differenzeinheit 19 berechnet eine Angabe der Position
des Lichtbogens des Brenners in der Nut, indem die Differenzen in
den Werten berechnet werden, die sich auf die linken bzw. rechten
Wände beziehen
und aus den Signalen bestimmt werden, die von den Filtern 16, 18 empfangen
werden. Die Berechnungen, die praktisch kontinuierlich erfolgen, werden
in Echtzeit für
die Steuerung der Position und der Orientierung des Brenners in
Bezug auf die Nut 28 verwendet.
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Wenn
die ausgeführten
Berechnungen angeben, daß die
Differenz zwischen der gewünschten Position
des Lichtbogens und der tatsächlichen
Position des Lichtbogens größer als
ein fester und im voraus eingestellter Schwellenwertabstand ist,
wird ein Signal erzeugt, das bewirkt, daß eine Verstärkungseinheit 21 ein
Befehlssignal aktiviert, das mit Hilfe eines Verstärkers 22 bewirkt,
daß eine
Ansteuereinheit 23 gemeinsam mit einer Zentrierungsregeleinheit 24 den
Schweißbrenner 1 bewegt,
so daß der
Lichtbogen zur gewünschten
Stelle (die Mittellinie der Nut) bewegt wird.
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Wenn
die (durch die Differenzeinheit 19) ausgeführten Berechnungen angeben,
daß die
Differenz zwischen der gewünschten
Position des Lichtbogens und der tatsächlichen Position des Lichtbogens
kleiner oder gleich der im voraus eingestellten Schwellenwert-Entfernung
ist, bewirkt die Verstärkungseinheit,
daß der
Brenner nicht bewegt wird. Es werden jedoch Signale, die die durch
die Differenzeinheit 19 berechneten Differenzwerte repräsentieren,
an eine Integratoreinheit 20 gesendet, die zusätzlich vorgesehen
ist, um die Positionierung des Brenners 1 während des
Schweißvorgangs
zu regeln. Wenn die Position des Lichtbogens nahe an der Mittellinie
der Nut 28 bleibt und die Summe der Entfernungen zur linken
Seite der Linie mit der Summe der Entfernungen zur rechten Seite
der Linie über
die Zeit praktisch gleich ist, erzeugt der Integrator 20 über den
Verstärker 22 kein
Befehlssignal für
eine Zentrierungsbewegung. Wenn jedoch bei der Position des Lichtbogens,
obwohl sie im tolerierten Bereich der Entfernungen von der Mittellinie
der Nut bleibt, festgestellt wird, daß sie vorrangig auf einer Seite
der Linie liegt, aktiviert der Integrator 20 ein Befehlssignal,
das mittels des Verstärkers 22 bewirkt,
daß die Antriebseinheit 23 und
die Zentrierungsregeleinheit 24 den Schweißbrenner 1 bewegen,
so daß der Lichtbogen
zur gewünschten
Stelle (die Mittellinie der Nut) bewegt wird.
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Die
durch das automatische Führungssystem
ausgeführten
Berechnungen können
Vergleiche zwischen berechneten Werten, die sich auf den momentanen
Zustand des Schweißsystems
beziehen, und Abtastwerten, die im Speicher des Führungssystems
gehalten werden, enthalten. Solche Abtastwerte können per Tastatur manuell in
den Speicher eingegeben werden.
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3 zeigt
schematisch eine Schweißvorrichtung 110 gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht. Die Vorrichtung
arbeitet in einer ähnlichen
Weise wie die oben beschriebene erste Ausführungsform. Die Schweißbrenner 101 sind
so ausgerichtet, daß sie
dann, wenn die Vorrichtung 110 an einem (in 3 nicht
gezeigten) Rohr angebracht wird, zur gleichen Nennumfangslinie zeigen,
die sich um das Rohr erstreckt. Räder 105 sind für einen
Eingriff an einer (in 3 nicht gezeigten) Führungsbahn
vorgesehen, die sich im Gebrauch rund um die zu verschweißenden Rohre
erstreckt.
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Die
Hauptunterschiede zwischen der Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform
und der gemäß der ersten
Ausführungsform
werden nun beschrieben.
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Der
(nicht gezeigte) Schweißdraht
der zweiten Ausführungsform
ist nicht an der beweglichen Schweißvorrichtung 110 vorgesehen,
er ist statt dessen an einer von der Vorrichtung entfernten Stelle
angebracht und wird von dieser entfernten Stelle über ein
Führungsrohr
zur Schweißvorrichtung
geführt, wenn
sich diese um das Rohr bewegt. Es ist deshalb nützlich, daß sich die Vorrichtung sowohl
in Uhrzeigerrichtung als auch in Gegenuhrzeigerrichtung um das Rohr
bewegen kann, um die Möglichkeit
zu reduzieren, daß sich
der Schweißdraht
verdrillt.
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Die
Brenner 101 sind jeweils wassergekühlt. Das Wasser wird in einem
(nicht gezeigten) Kühlsystem,
das Teile des Brenners enthält,
in umlaufender Weise gepumpt. Das durch den betriebenen Brenner erwärmte Wasser
wird zur Kühlung
in einen Wärmetauscher,
wie etwa einen Radiator, geleitet.