EP3288694B1 - Verfahren zum induktionsbiegeumformen eines druckfesten rohrs mit grosser wandstärke und grossem durchmesser und induktions-rohrbiegevorrichtung - Google Patents

Verfahren zum induktionsbiegeumformen eines druckfesten rohrs mit grosser wandstärke und grossem durchmesser und induktions-rohrbiegevorrichtung Download PDF

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EP3288694B1
EP3288694B1 EP16731774.2A EP16731774A EP3288694B1 EP 3288694 B1 EP3288694 B1 EP 3288694B1 EP 16731774 A EP16731774 A EP 16731774A EP 3288694 B1 EP3288694 B1 EP 3288694B1
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EP
European Patent Office
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pipe
induction
bend
inductor
bending
Prior art date
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Active
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EP16731774.2A
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EP3288694A1 (de
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August Wilhelm Schäfer
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Aws Schafer Technologie GmbH
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Aws Schafer Technologie GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D7/00—Bending rods, profiles, or tubes
    • B21D7/02—Bending rods, profiles, or tubes over a stationary forming member; by use of a swinging forming member or abutment
    • B21D7/024—Bending rods, profiles, or tubes over a stationary forming member; by use of a swinging forming member or abutment by a swinging forming member
    • B21D7/025—Bending rods, profiles, or tubes over a stationary forming member; by use of a swinging forming member or abutment by a swinging forming member and pulling or pushing the ends of the work
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D7/00—Bending rods, profiles, or tubes
    • B21D7/16—Auxiliary equipment, e.g. for heating or cooling of bends
    • B21D7/162—Heating equipment

Definitions

  • the invention relates to a method for Indudictionsbiegeumformen a pressure-resistant round tube with large wall thickness and large diameter, in particular a power plant and Pipelinerohrs, with the features of the preamble of claim 1, and a suitable for carrying out induction pipe bending apparatus having the features of the preamble of claim. 8 ,
  • tubes of steel are required, which have a large wall thickness to withstand the stresses.
  • Such requirements apply, for example, to the transport of superheated steam in power plants, where pipe bends are required to adapt the pipelines to the structural conditions, or for the transport of crude oil or natural gas in pipelines over long distances, where double bends are used at regular intervals to thermal to compensate for conditional changes in length.
  • a large opening cross-section and accordingly a large pipe outside diameter is required.
  • Tubes to which the present method relates usually have nominal diameters greater than 300 mm and a diameter to wall thickness ratio of from 10: 1 to 100: 1, typically from 20: 1 to 70: 1.
  • Round tubes with the above size ratios are manufactured and delivered with ovalities of about 1%.
  • a permissible out-of-roundness at the pipe bend after the induction bending process has been completed is 4% according to European and North American standards. Larger deviations are problematic because due to the internal pressure of the media conducted through the pipe bend, locally different tensile stresses occur at the pipe wall. In high-pressure applications for which these thick-walled tubes are particularly intended, such additional stresses occurring due to out-of-roundness are relevant.
  • the wall thickness must therefore be chosen to be larger because of the geometric deviation often, as it would be mathematically necessary solely due to the fluid pressure.
  • the other adverse influence on the tube during induction bending forming is the different wall thickness distribution on the outer and inner bow.
  • the DE3150381 A1 discloses a method in which mechanical means of a tube deform. In this method, this deformation can be performed arbitrarily before or after the heating zone or simultaneously to plastically deform the tube. Furthermore, in this method, a pressure in at least two planes perpendicular to each other is exerted on the tube.
  • the EP 2 471 609 A1 gives a method for forming tubes with rectangular cross-section, but in which other problems exist because oval cross-sections do not adjust anyway.
  • the object of the invention is to reduce the strength of the pipe bend weakening geometric changes in the transformation such as ovality and wall thickness reduction.
  • the solution according to the invention is provided by a method for induction bending with the features of claim 1 and an induction bending device for carrying out the method with the features of claim 8.
  • the method according to the invention initially relies on an artificial ovality being imposed on the tube before the beginning of the shaping, specifically in the form of a so-called horizontal oval.
  • Lying means that the longer diameter axis of the ellipse, which corresponds to the shape of the pipe cross section, lies in the bending plane. Since the induction bending deformation can be performed in practice only in a horizontal plane due to the large mass of the tubes and the required fixed arrangement of the bending arm, the long diameter axis is also aligned horizontally.
  • the tube is vertically compressed prior to heating and thus before entering the forming zone in a press device by press ram and counter bearing or by two mutually opposed ram and guided laterally in the horizontal direction.
  • the compression is preferably carried out by the same degree of out-of-roundness that would occur in the induction bending for a pipe bend with a certain arc angle on the same tube type. Particular preference is given to a continuous adjustment of the degree of ovality during the execution of the tube bending process, so that initially worked with lower pre-ovalities, which increase to the center of the tube bending, because without the inventive pretreatment process there would be the largest ovality.
  • the second measure provided according to the invention for optimizing the tube geometry during induction bending forming is based on the approach of at least relocating the unavoidable, different wall thickness distribution on the inside and outside of the tube.
  • the wall thickness in the inner arc increases even more due to the natural law volume constancy.
  • this has no negative effects on the strength and the subsequent processability of the pipe bend.
  • the wall thickness reduction can be reduced on the outside, so that according to the invention, a larger wall thickness is obtained, as it was previously possible when using a similar pipe.
  • the wall thickness reduction is up to 25% for a 90 ° tubular bend produced by the conventional induction bending process, namely at a conventional bending radius to pipe diameter ratio of 1.5: 1, for example.
  • the wall thickness reduction can be substantially reduced according to the invention, in particular be halved. This means that the wall thickness at the outer curve in the method according to the invention is 12.5% greater than in the prior art. This also means that either a higher operating load with the same wall thickness of the insert tube is possible, or that even a lower output wall thickness can be selected under the same operating conditions. This in turn results in a saving in weight and cost.
  • the displacement of the neutral zone during tube induction bending is achieved according to the invention in that the tube cross section between the outside of the sheet and the inside of the sheet is heated differently.
  • the outside of the bow is heated less strongly than the inside of the bow. Due to the higher temperature, the resistance to deformation at the inner arc is lower than the outer arc, resulting in the intended displacement of the neutral zone in the bend to the outer bow out.
  • the invention thus makes targeted use of the forming temperature interval available for the material.
  • the deformation with altered temperature profiles is carried out according to the invention in a partial region of the arc angle. From the beginning tangent in these Partial area into a transition program takes place, in which the displacement from a starting position, which is symmetrical to the center of the tube, is gradually shifted to the outside. From the sub-area into the final tangent, a transitional program is also applied in which the temperature profile is again increasingly symmetrically aligned.
  • Said subarea extends over about 80% - 90% of the intended arc angle.
  • the partial area starts from the initial tangent at about 1 ° -2 ° of the arc angle and ends about 1 ° -2 ° before the transition to the final tangent.
  • the inventively provided displacement of the temperature profile is preferably based on an adjustment of the annular inductor in the bending plane, in particular to the outside, preferably coupled with an adjustment of the electrical power in the induction device, ie a change in heating power. Due to the inductor adjustment to the outside of the inductor is closer to the pipe inside the pipe than outside, so here is the stronger heating.
  • the adjustment range is very small in relation to the used pipe diameters of more than 600 mm with about 5 - 50 mm. In order to effect a heating of large wall thicknesses by induction, the air gap, so the distance between the annular inductor as a current-carrying conductor and the pipe jacket, not be too large.
  • a targeted energy destruction by local cooling can take place.
  • the temperature is measured without contact as the surface temperature on the inside and outside curves, and these values are fed to a control device.
  • the temperature distribution can be tracked by the cooling capacity is increased on the outer arc and / or increases the heating power on the inner arc and / or the position of the inductor is changed in the transverse direction.
  • a distance-controlled and at the same time a power-controlled method is provided.
  • both the inside of the sheet and the outside of the sheet can be specifically influenced.
  • the operator can preselect which side of the sheet is to be primarily distance-controlled and which is power-controlled, and specifies the desired surface temperatures including permissible tolerance fields.
  • the control device then automatically changes the position of the inductor so that the desired relative distribution between inside and outside of the pipe bend is achieved and also adjusts the electrical power so that the absolute forming temperatures are achieved.
  • FIG. 1 shows an induction tube bending apparatus 100, which includes a stationary machine bed 10, on which a holding device 11 is arranged for a tube 1.
  • the holding device 11 engages the tube 1 at its rear end and clamps it firmly.
  • the holding device 11 in the direction of a pipe center axis 2, which also indicates the feed direction relative to the machine bed 10 slidably. The feed takes place via a hydraulic unit 12.
  • a bending arm 30 is pivotally mounted on a vertical bending axis 32, wherein the distance of the bending axis 32 can be adjusted perpendicular to the tube center axis 2 to specify the desired bending radius.
  • a bending lock 31 is arranged, with which the tube 1 can be gripped and clamped.
  • a cooling device not shown here is arranged, with the z. B. over water, a cooling of the surface temperature is effected as soon as the corresponding length section has emerged from the forming zone.
  • An induction device comprises an annular inductor 20, which is positioned with its center in the region of the tube center axis 2.
  • a transverse adjustment device 21 is provided according to the invention, in order to be able to move the inductor 20 transversely to the longitudinal axis 2 of the insertion tube 1.
  • a press unit 50 is provided, of which a preferred embodiment in FIG FIG. 7 in front view, seen from the machine bed 10 in the feed direction, is shown.
  • a frame 51 at the top and bottom of each at least one hydraulic ram 52, 53 are arranged, which are each provided with a pressure roller 54, 55 in the form of a double cone or a Rotationshyperboloids or otherwise concave, rotationally symmetrical body.
  • a load distribution is obtained on two spaced-apart lines at the outer circumference of the tube 1 which are sufficient to each other. Traces on the outer tube shell due to excessive surface pressure can be avoided.
  • the hydraulic rams 54, 55 are operated after a single adjustment to a center which is located on the tube center axis 2, with the same stroke, so that the pressure rollers 54, 55 simultaneously contact the tube shell and then cause the same deformation forces.
  • the tube thus remains centered in the vertical plane throughout the entire bending process.
  • the tube 1 is also centered so that it is exactly on the center axis 2 through the top and bottom arranged punch 52, 53 with the pressure rollers 54, 55 compressed and no eccentricities occur.
  • the hydraulic rams 56, 57 on the side only the guide rollers 58, 59 are positioned and held, but no deforming force is exerted on the tube by them.
  • the lateral guide rollers 58, 59 are convex-spherical or cylindrical in order to avoid a shape-related fixing of the tube 1 to the guide rollers in the vertical direction.
  • the compression takes place exclusively in the vertical direction, so that the cross section of the tube 1 takes the form of an ellipse, so the long diameter axis is horizontal.
  • the ovality is in the representation after FIG. 7 as also explained in the following FIG. 3 shown oversubscribed for illustrative purposes.
  • the imposed runout is only about 1% of the pipe diameter at the beginning, 1.5% at the end, and up to 4% of the pipe diameter in the middle of the pipe bend, so that it is barely visible to the naked eye.
  • the frame 51 of the press unit 50 is annular, in the sense that it is self-contained, so endless, is formed.
  • the outer shape is preferably rhombic in plan view, wherein at each vertex one of the punches 52, 53, 55, 56 is arranged.
  • FIG. 2 shows a pipe bend 3 with an initial tangent 2 and a tangent 4.
  • the sectional plane BB is located in the middle of the pipe bend 3, because there are the largest deviations of the wall thicknesses on the inner bow and the outer bow.
  • FIG. 5 shows in a further cross-sectional drawing in the plane BB, the different wall thickness distributions on the pipe bend 3.
  • the wall thickness is significantly thicker than the pipe outer arch 3.1.
  • a vertical axis 3.3 which characterizes the neutral zone, does not lie in the center of the tube cross-section, but according to the invention is offset towards the outer pipe bend 3.1. This is achieved, for example, by the following asymmetrical temperature distribution in the forming zone according to the invention: Bow outside 3.1 850 ° C Inside bend 3.2 1000 ° C
  • FIG. 6 shows the wall thickness distribution in a horizontal longitudinal section through the pipe bend 3.
  • the dot-dash line in the middle represents the pipe center axis 2.
  • the dashed lines in the region of the pipe inner bend 3.2 and the pipe outer arch 3.1 represent the wall thicknesses on the undeformed pipe 1.
  • the solid lines show the adjusting wall thicknesses after carrying out the bending deformation. Again, the deviations shown exaggerated.

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  • Bending Of Plates, Rods, And Pipes (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Induktionsbiegeumformen eines druckfesten runden Rohrs mit großer Wandstärke und großem Durchmesser, insbesondere eines Kraftwerks- und Pipelinerohrs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, sowie eine zur Durchführung geeignete Induktions-Rohrbiegevorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
  • Zur Durchleitung von flüssigen und gasförmigen Medien unter Druck werden Rohre aus Stahl benötigt, die eine große Wandstärke besitzen, um den Beanspruchungen Stand zu halten. Solche Anforderungen gelten beispielsweise für den Transport von Heißdampf in Kraftwerken, wo Rohrbiegungen erforderlich sind, um die Rohrleitungen an die baulichen Gegebenheiten anzupassen, oder für den Transport von Rohöl oder Erdgas in Pipelines über weite Strecken, wo in regelmäßigen Abständen Doppelbögen eingesetzt sind, um thermisch bedingte Längenänderungen zu kompensieren. Um einen großen Durchsatz zu ermöglichen, ist ein großer Öffnungsquerschnitt und dementsprechend ein großer Rohraußendurchmesser erforderlich. Rohre, auf die sich das vorliegende Verfahren bezieht, besitzen üblicherweise Nenndurchmesser von größer als 300 mm und ein Verhältnis von Durchmesser zu Wandstärke von 10:1 bis 100:1, typischerweise von 20:1 bis 70:1.
  • Ein solches Verfahren zum Induktionsbiegeumformen ist seit langem bekannt, beispielsweise aus der DE2513561 A1 , und ist fortlaufend verbessert worden, um trotz der enormen Abmaße und Wandstärken der Rohre sehr maßhaltige Rohrbögen herstellen zu können. Während die präzise Einhaltung des vorgegebenen Bogenwinkels für die Rohrbiegung beherrscht wird, bleiben zwei nachteilige Formabweichungen im Bereich der Rohrbiegung. Dabei handelt es sich zum einen um die Ovalität, also eine Abweichung des Rohrquerschnitts von der gewünschten kreisrunden Idealform, und zum anderen um eine Wanddickenschwächung am Außenbogen.
  • Runde Rohre mit den oben genannten Größenverhältnissen werden mit Ovalitäten von etwa 1% hergestellt und ausgeliefert. Eine zulässige Unrundheit am Rohrbogen nach Durchführung des Induktionsbiegeprozesses liegt nach europäischen und nordamerikanischen Normen bei 4%. Größere Abweichungen sind deshalb problematisch, weil durch den Innendruck der durch den Rohrbogen geleiteten Medien lokal unterschiedliche Zugspannungen an der Rohrwandung eintreten. Bei Hochdruckanwendungen, für die diese dickwandigen Rohre insbesondere bestimmt sind, sind solche aufgrund Unrundheit auftretenden Zusatzbeanspruchungen relevant. Die Wandstärke muss also wegen der geometrischen Abweichung oftmals größer gewählt werden, als es allein aufgrund des Fluiddrucks rechnerisch erforderlich wäre. Der andere nachteilige Einfluss auf das Rohr beim Induktionsbiegeumformen besteht in der unterschiedlichen Wanddickenverteilung am Außen- und Innenbogen. Während des Biegens um die neutrale Zone, die auf der Rohrlängsachse liegt, wird die Rohrwandung im Bereich des zu bildenden Außenbogens auf Zug beansprucht. Da der Außenbogen länger ist als der unverformte Rohrabschnitt, kommt es zwangsläufig zu einer Wanddickenreduzierung. Am Innenbogen hingegen liegen beim Biegen Druckspannungen vor und es kommt wegen der notwendigen Verkürzung der Bogenlänge zu einer Wanddickenerhöhung. Diese unvermeidbaren Effekte führen jedoch ebenfalls dazu, dass die Festigkeitsberechnung für die Hochdruckanwendung immer bei der am stärksten geschwächten Wandung ansetzen muss, welche die Wandung am Außenbogen ist. Auch aus diesem Grund muss die Wandstärke des gesamten Rohrs wesentlich größer gewählt werden als auf den geraden Abschnitten, damit im Rohrbogen ausreichende Festigkeiten erzielt werden.
  • Die DE3150381 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem mit mechanischen Mitteln eines Rohrs verformt wird. Bei diesem Verfahren kann diese Verformung beliebig vor oder hinter der Erwärmungszone oder auch gleichzeitig durchgeführt werden, um das Rohr plastisch zu verformen. Weiterhin wird bei diesem Verfahren ein Druck in mindestens zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen auf das Rohr ausgeübt.
  • Die EP 2 471 609 A1 gibt ein Verfahren zum Umformen von Rohren mit rechteckigem Querschnitt an, bei dem aber andere Aufgabenstellungen bestehen, weil sich ovale Querschnitte ohnehin nicht einstellen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die die Festigkeit des Rohrbogens schwächenden geometrischen Veränderungen bei der Umformung wie Ovalität und Wanddickenreduzierung zu reduzieren.
  • Die Lösung nach der Erfindung wird durch ein Verfahren zum Induktionsbiegeumformen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Induktionsbiegevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 8 bereitgestellt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren setzt zunächst darauf auf, dass dem Rohr vor Beginn der Umformung eine künstliche Ovalität aufgezwungen wird, und zwar in Form eines sogenannten liegenden Ovals. Liegend bedeutet, dass die längere Durchmesserachse der Ellipse, welche der Form des Rohrquerschnitts entspricht, in der Biegeebene liegt. Da die Induktionsbiegeumformung aufgrund der großen Masse der Rohre und der erforderlichen ortsfesten Anordnung des Biegearms in der Praxis nur in einer horizontalen Ebene durchgeführt werden kann, ist die lange Durchmesserachse zugleich horizontal ausgerichtet.
  • Um die liegende Ovalität zu erreichen, wird nach der Erfindung das Rohr vor der Erwärmung und damit vor dem Eintritt in die Umformzone in einer Presseneinrichtung durch Pressstempel und Gegenlager oder durch zwei gegeneinander arbeitende Pressstempel vertikal gestaucht und in horizontaler Richtung seitlich geführt.
  • Die Stauchung erfolgt dabei vorzugsweise um den gleichen Grad an Unrundheit, der bei dem Induktionsbiegeumformverfahren für einen Rohrbogen mit einem bestimmten Bogenwinkel am selben Rohrtyp auftreten würde. Besonders bevorzugt erfolgt eine kontinuierliche Anpassung des Grades der Ovalität während der Durchführung des Rohrbiegeverfahrens, so dass zunächst mit geringeren Vor-Ovalitäten gearbeitet wird, die sich zur Rohrbiegungsmitte steigern, weil sich ohne das erfindungsgemäße Vorbehandlungsverfahren dort die größte Ovalität einstellen würde.
  • Durch die aufgezwungene Querschnittsform des Rohrs als liegendes Oval vor Einlauf in den Induktor werden alle Ovalitäten am Anfang der Rohrbiegung, in dessen Mitte und auch am Ende aufgehoben, wobei der Anfang als das in Vorschubrichtung gesehen vordere Ende definiert ist. Hierdurch wird in der Biegung ein - mit sehr geringen Toleranzen im Vergleich zur herkömmlichen Umformung - im Querschnitt kreisrundes Rohr erhalten. Das scheinbare Paradoxum, dass erfindungsgemäß trotz einer zuvor künstlich erzeugten Ovalität vor Beginn der Rohrbiegung ebenfalls ein runder Querschnitt am Anfang der Rohrbiegung erhalten wird, liegt in der internen Verteilung von Druck- und Zugspannungen im Rohrbogen. Während diese Spannungen ohne die erfindungsgemäße Maßnahme die Ursache für Ovalitäten bilden, führen Sie unter Wirkung der erfindungsgemäßen Vorbehandlung dazu, dass sich alle Effekte gegenseitig kompensieren.
  • Die zweite nach der Erfindung vorgesehene Maßnahme zur Optimierung der Rohrgeometrie beim Induktionsbiegeumformen beruht auf dem Ansatz, die unvermeidbare, unterschiedliche Wanddickenverteilung an Rohrinnen- und -außenbogen zumindest zu verlagern. Indem die neutrale Zone nach außen verlegt wird, nimmt zwar aufgrund der naturgesetzlichen Volumenkonstanz die Wandstärke im Innenbogen noch stärker zu. Dies hat jedoch keine negativen Einflüsse auf die Festigkeit und die spätere Verarbeitbarkeit des Rohrbogens. Wesentlich ist, dass mit dieser Maßnahme die Wandstärkenreduktion an der Außenseite reduziert werden kann, dass also nach der Erfindung eine größere Wandstärke erhalten wird, als es bisher bei Verwendung eines gleichartigen Rohrs möglich war.
  • Die Wandstärkenreduktion beträgt bei einem nach dem herkömmlichen Induktionsbiegeverfahren hergestellten 90°-Rohrbogen bis zu 25%, und zwar bei einem üblichen Verhältnis von Biegeradius zu Rohrdurchmesser von beispielsweise 1,5:1. Die Wandstärkenreduktion kann erfindungsgemäß wesentlich gemindert werden, insbesondere halbiert werden. Das bedeutet, dass die Wandstärke am Außenbogen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um 12,5% größer ist als im Stand der Technik. Dies bedeutet weiterhin, dass entweder eine höhere Betriebsbelastung bei gleicher Wandstärke des Einsatzrohrs möglich ist, oder dass sogar eine geringere Ausgangswandstärke bei gleichen Betriebsbedingungen gewählt werden kann. Dies resultiert wiederum in einer Einsparung an Gewicht und Kosten.
  • Die Verschiebung der neutralen Zone beim Rohr-Induktionsbiegeumformen wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Rohrquerschnitt zwischen der Bogenaußenseite und der Bogeninnenseite unterschiedlich erwärmt wird. Dabei wird die Bogenaußenseite weniger stark erwärmt als die Bogeninnenseite. Aufgrund der höheren Temperatur ist der Widerstand gegen Verformung am Innenbogen geringer als am Außenbogen, wodurch sich die beabsichtigte Verlagerung der neutralen Zone in der Biegung zum Außenbogen hin ergibt. Die Erfindung nutzt also das für den Werkstoff zur Verfügung stehende Umformtemperaturintervall gezielt aus.
  • Die Umformung mit veränderten Temperaturprofilen wird erfindungsgemäß in einem Teilbereich des Bogenwinkels durchgeführt. Von der Anfangstangente aus in diesen Teilbereich hinein findet ein Übergangsprogramm statt, in welchem die Verschiebung aus einer Ausgangsposition, welche symmetrisch zur Rohrmitte ist, allmählich nach außen verlagert wird. Aus dem Teilbereich in die Endtangente hinein wird ebenfalls ein Übergangsprogram angewandt, bei dem das Temperaturprofil wieder zunehmend symmetrisch ausgerichtet wird.
  • Der genannte Teilbereich erstreckt sich über etwa 80% - 90% des vorgesehenen Bogenwinkels. Dabei setzt der Teilbereich von der Anfangstangente aus bei etwa 1°-2° des Bogenwinkels ein und endet etwa 1°-2° vor dem Übergang zur Endtangente.
  • Die erfindungsgemäß vorgesehene Verschiebung des Temperaturprofils beruht bevorzugt auf einer Verstellung des ringförmigen Induktors in der Biegeebene, insbesondere nach außen, vorzugsweise gekoppelt mit einer Anpassung der elektrischen Leistung in der Induktionseinrichtung, also einer Änderung der Heizleistung. Durch die Induktorverstellung nach außen liegt der Induktor am Rohrinnenbogen näher an der Rohrwandung als außen, so dass hier die stärkere Erwärmung erfolgt. Der Verstellbereich ist im Verhältnis zu den eingesetzten Rohrdurchmessern von größer 600 mm mit etwa 5 - 50 mm sehr klein. Um eine Erwärmung großer Wandstärken durch Induktion zu bewirken, darf der Luftspalt, also der Abstand zwischen dem ringförmigen Induktor als Strom durchflossenem Leiter und dem Rohrmantel, nicht zu groß sein. Andererseits muss ein metallischer Kontakt mit der Rohraußenseite unter allen Umständen vermieden werden. Der Durchmesser des Induktors wird vorzugsweise mit 1,05 DRohr zzgl. 25mm festgelegt. Bei einem Rohr mit DRohr = 1000mm ergibt sich somit ein theoretischer Verstellweg von 75mm, von dem allerdings praktisch nur etwa 50mm für die Erreichung eines seitlich verschobenen Temperaturprofils nutzbar sind.
  • Alternativ oder zusätzlich zur lokal unterschiedlichen Erwärmung kann auch eine gezielte Energievernichtung durch lokale Kühlung erfolgen.
  • Die Temperatur wird berührungslos als Oberflächentemperatur an Innen- und Außenbogen gemessen, und diese Werte werden einer Regelungseinrichtung zugeführt. Über die Regelungseinrichtung kann die Temperaturverteilung nachgeführt werden, indem am Außenbogen die Kühlleistung erhöht wird und/oder am Innenbogen die Heizleistung erhöht und/oder die Position des Induktors in Querrichtung verändert wird.
  • Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein abstandsgeregeltes und zugleich ein leistungsgeregeltes Verfahren vorgesehen. Dadurch können sowohl die Bogeninnenseite wie auch die Bogenaußenseite gezielt beeinflusst werden. Der Bediener kann dabei vorwählen, welche Bogenseite primär abstandsgeregelt werden soll und welche leistungsgesteuert, und gibt die gewünschte Oberflächentemperaturen einschließlich zulässiger Toleranzfelder vor. Die Regelungseinrichtung verändert dann automatisch die Position des Induktors so, dass die gewünschte relative Verteilung zwischen Innen- und Außenseite am Rohrbogen erreicht wird und passt außerdem die elektrische Leistung so an, dass die absoluten Umformtemperaturen erreicht werden.
  • Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
    • Fig. 1
    eine Induktions-Rohrbiegevorrichtung in schematischer Ansicht;
    Fig. 2
    einen Rohrbogen in Draufsicht;
    Fig. 3
    Querschnitte nach dem Stand der Technik in den in Fig. 2 markierten Querschnittsebenen;
    Fig. 4
    Querschnitte nach der Erfindung in den in Fig. 2 markierten Querschnittsebenen;
    Fig. 5
    die unterschiedliche Wanddickenverteilung in der Mitte des Rohrbogens im Querschnitt;
    Fig. 6
    die unterschiedliche Wanddickenverteilung in der Mitte des Rohrbogens im Längsschnitt und
    Fig. 7
    eine Presseneinrichtung zur Vorovalisierung.
  • Figur 1 zeigt eine Induktions-Rohrbiegevorrichtung 100, die ein ortsfestes Maschinenbett 10 umfasst, auf dem eine Haltevorrichtung 11 für ein Rohr 1 angeordnet ist. Die Haltevorrichtung 11 greift das Rohr 1 an dessen hinterem Ende und spannt es fest ein. Außerdem ist die Haltevorrichtung 11 in Richtung einer Rohrmittelachse 2, welche zugleich die Vorschubrichtung angibt, gegenüber dem Maschinenbett 10 verschiebbar. Der Vorschub erfolgt über eine Hydraulikeinheit 12.
  • Ein Biegearm 30 ist schwenkbar an einer vertikalen Biegeachse 32 gelagert, wobei der Abstand der Biegeachse 32 senkrecht zur Rohrmittelachse 2 eingestellt werden kann, um den gewünschten Biegeradius vorzugeben. Auf dem Biegearm 30 ist ein Biegeschloss 31 angeordnet, mit dem das Rohr 1 gegriffen und geklemmt werden kann.
  • Relativ nahe zum Induktor 20 und zur Wärmeinflusszone ist eine hier nicht dargestellte Kühlvorrichtung angeordnet, mit der z. B. über Wasser eine Abkühlung der Oberflächentemperatur bewirkt wird, sobald der entsprechende Längenabschnitt aus der Umformzone herausgetreten ist.
  • Eine Induktionseinrichtung umfasst einen ringförmigen Induktor 20, der mit seinem Zentrum im Bereich der Rohrmittelachse 2 positioniert ist.
  • Während die vorgenannten Merkmale auch Bestandteil der bekannten Induktions-Rohrbiegevorrichtungen sind, ist erfindungsgemäß zum einen eine Querverstelleinrichtung 21 vorgesehen, um den Induktor 20 quer zur Längsachse 2 des Einsatzrohrs 1 verfahren zu können.
  • Zum anderen ist eine Presseneinheit 50 vorgesehen, von der eine bevorzugte Ausführungsform in Figur 7 in Ansicht von vorn, vom Maschinenbett 10 aus in Vorschubrichtung gesehen, dargestellt ist. In einem Rahmengestell 51 ist oben und unten jeweils wenigstens ein hydraulischer Stempel 52, 53 angeordnet, welcher jeweils mit einer Druckrolle 54, 55 in Form eines Doppelkegels oder eines Rotationshyperboloids oder eines sonstwie konkaven, rotationssymmetrischen Körpers versehen sind. Durch diese Formen wird mit nur jeweils einer Rolle an jeder Seite des Rohrs 1 eine Lastverteilung auf zwei zueinander ausreichende beabstandete Linien am Außenumfang des Rohrs 1 erhalten. Laufspuren am Rohraußenmantel aufgrund zu hoher Flächenpressung werden dadurch vermieden. Die hydraulischen Stempel 54, 55 werden nach einmaliger Justierung auf ein Zentrum, das auf der Rohrmittelachse 2 liegt, mit gleichem Hub betrieben, so dass die Druckrollen 54, 55 gleichzeitig den Rohrmantel kontaktieren und dann auch mit gleichen Kräften die Verformung bewirken. Das Rohr bleibt somit während der gesamten Durchführung des Biegeumformverfahrens in der vertikalen Ebene zentriert.
  • Rechts und links am Rahmengestell 51 sind zwei weitere hydraulische Stempel 56, 57 angebracht, die an ihrem Ende je wenigstens eine Führungsrolle 58, 59 aufweisen. Hierdurch wird das Rohr 1 auch hin horizontaler Richtung so zentriert, dass es exakt auf der Mittelachse 2 durch die oben und unten angeordneten Stempel 52, 53 mit den Druckrollen 54, 55 gestaucht wird und keine Exzentrizitäten auftreten. Durch die hydraulischen Stempel 56, 57 an der Seite werden nur die Führungsrollen 58, 59 positioniert und gehalten, jedoch wird von ihnen keine verformende Kraft auf das Rohr ausgeübt. Vorzugsweise sind die seitlichen Führungsrollen 58, 59 konvex-ballig oder zylindrisch, um eine formbedingte Festlegung des Rohrs 1 an den Führungsrollen in vertikaler Richtung zu vermeiden.
  • Diese Anordnung auf den horizontalen und vertikalen Achsen gilt für eine Rohrbiegung, die in einer horizontalen Ebene ausgeführt wird.
  • Wie Figur 7 zeigt, erfolgt die Stauchung ausschließlich in vertikaler Richtung, so dass der Querschnitt des Rohrs 1 die Form einer Ellipse annimmt, die lange Durchmesserachse also horizontal verläuft. Die Ovalität ist in der Darstellung nach Figur 7 wie auch in der nachfolgend erläuterten Figur 3 zur Veranschaulichung überzeichnet dargestellt. Tatsächlich beträgt die aufgezwungene Unrundheit nur etwa 1% des Rohrdurchmessers am Anfang, 1,5% am Ende und bis 4% des Rohrdurchmessers in der Mitte der Rohrbiegung, so dass sie mit bloßem Auge kaum sichtbar ist.
  • Das Rahmengestell 51 der Presseneinheit 50 ist ringförmig ausgebildet, und zwar in dem Sinne, dass es in sich geschlossen, also endlos, ausgebildet ist. Die äußere Form ist in der Draufsicht vorzugsweise rautenförmig, wobei an jedem Eckpunkt einer der Stempel 52, 53, 55, 56 angeordnet ist.
  • Figur 2 zeigt einen Rohrbogen 3 mit einer Anfangstangente 2 und einer Tangente 4. In Figur 2 sind drei verschiedene Schnittebenen A-A, B-B und C-C markiert, wobei die Schnittebene B-B in der Mitte des Rohrbogens 3 angeordnet ist, weil dort die größten Abweichungen der Wandstärken am Innenbogen und am Außenbogen vorliegen.
  • Die Querschnitte an den in Figur 2 markierten Stellen, welche sich bei einem Induktionsbiegeverfahren nach dem Stand der Technik ergeben würden, sind in Figur 3 dargestellt. Demnach ist der Querschnitt nur im Bereich A-A, also an der Endtangente 4 an dem unverformten Einsatzrohr 1, noch kreisrund. Aufgrund des Umformprozesses ergibt sich als Querschnitt B-B in der Mitte des Bogens 3 eine so genannte stehende Ovalität, welche zugleich zur Folge hat, dass im Bereich C-C, also am Übergang zur Anfangstangente 2, eine liegende Ovalität gegeben ist.
  • Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Induktionsbiegeverfahrens ergeben sich hingegen für alle drei Querschnitte A-A, B-B und C-C kreisrunde Formen, wie in Figur 4 dargestellt.
  • Figur 5 zeigt in einer weiteren Querschnittszeichnung in der Ebene B-B die unterschiedlichen Wandstärkenverteilungen am Rohrbogen 3. Am Rohrinnenbogen 3.2 ist die Wandstärke deutlich dicker als am Rohraußenbogen 3.1. Eine vertikale Achse 3.3, welche die neutrale Zone charakterisiert, liegt nicht im Zentrum des Rohrquerschnitts, sondern ist erfindungsgemäß zum Rohraußenbogen 3.1 hin versetzt. Dies wird zum Beispiel durch die folgende, erfindungsgemäß asymmetrische Temperaturverteilung in der Umformzone erreicht:
    Bogenaußenseite 3.1 850°C
    Bogeninnenseite 3.2 1000°C
  • Der Induktor-Verstellweg an dieser Stelle beträgt nur etwa 10 mm außermittig. Dieser im Verhältnis zu den sonstigen geometrischen Maßen geringe Verstellweg ist bereits ausreichend, um die erfindungsgemäßen Wirkungen zu erzielen.
  • Die Figur 6 zeigt die Wandstärkenverteilung in einem horizontalen Längsschnitt durch den Rohrbogen 3. Die strichpunktierte Linie in der Mitte stellt die Rohrmittelachse 2 dar. Parallel dazu läuft die neutrale Zone 3.3. Die gestrichelten Linien im Bereich des Rohrinnenbogens 3.2 und des Rohraußenbogens 3.1 stellen die Wandstärken am unverformten Rohr 1 dar. Die Volllinien zeigen die sich einstellenden Wandstärken nach Durchführung der Biegeumformung. Auch hier sich die Abweichungen überzeichnet dargestellt.
  • Nachfolgend werden Beispiele für die Wanddickenverteilung bei einem Einsatzrohr mit einer Nenn-Wandstärke von 10 mm dargestellt:
    • a) Induktionsbiegeumformen nach dem Stand der Technik:
  • Bogenaußenseite 3.1 7,5 mm (-25%)
    Bogeninnenseite 3.2 15,0 mm (+50%)
    Veränderung des Rohrinnendurchmessers (Einschnürung): -1,25 mm
    • b) Induktionsbiegeumformen nach der Erfindung:
  • Durch entsprechend angepasste Temperaturen kann eine Verschiebung der neutralen Zone 3.3 nach innen oder außen erreicht werden. In der Regel wird mit dem Verfahren nach der Erfindung eine Verschiebung nach außen angestrebt, um die Verschwächung zu halbieren:
    Bogenaußenseite 3.1 8,75 mm (-12,5%)
    Bogeninnenseite 3.2 17,50 mm (+75 %)
    Veränderung des Rohrinnendurchmessers (Einschnürung): ca. -3,125 mm
  • Somit ist die Schwächung der Bogenaußenseite 3.1 um die Hälfte reduziert worden. Die gleichzeitige Erhöhung der Wandstärke an der Bogeninnenseite 3.2 führt zwar zu einer geringfügigen Reduzierung des Innendurchmessers. Die daruas resultierende Verringerung des lichten Rohrquerschnitts um etwa 2 mm ist angesichts der großen Durchmesser der eingesetzten Rohre vernachlässigbar.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Induktionsbiegeumformen eines druckfesten runden Rohrs (1) mit großer Wandstärke und großem Durchmesser, insbesondere an einem Kraftwerks- und Pipelinerohr,
    mit wenigstens folgenden Schritten
    - horizontale Lagerung des unbearbeiteten runden Rohrs (1);
    - Vorschub des Rohres (1) bis zur Durchführung eines vorderen Rohrabschnitts durch einen ringförmigen Induktor (20) einer elektrischen Induktionseinheit, welche quer zum Länqsverlauf des Rohres (1) verschiebbar ist;
    - Klemmung des vorderen Rohrabschnitts in einem Biegeschloss (31), das auf einem Biegearm (30) gelagert ist, der um eine seitlich des Rohrs (1) angeordnete, vertikale Drehachse (32) schwenkbar ist;
    - Strombeaufschlagung der Induktionseinheit zur Erwärmung eines Rohrabschnitts;
    - Auslenken des Biegearms (30) durch Längsvorschub des Rohrs (1) bis zum Fertigstellen des Rohrbogens (3);
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass das Rohr (1) vor der Einführung in den Induktor (20) in einer Presseneinheit (50) vertikal gestaucht wird und dass darin dem Rohr (1) ein Querschnitt in Form eines liegenden Ovals aufgezwungen wird und
    - dass zumindest während eines Teilabschnitts der Rohrbiegung mittels einer Querverschiebung des Induktors (20) relativ zum Rohr (1) ein Temperaturprofil mit einer niedrigeren Temperatur an einer Bogenaußenseite (3.2) und mit einer höhen Temperatur an einer Bogeninnenseite (3.1) eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) ständig während des Längsvorschubs gestaucht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) während des Längsvorschubs ständig gestaucht wird, wobei der Grad der Stauchung von einer Anfangstangente (2) zur Mitte des Rohrbogens (3) zunehmend gesteigert wird und von dort zu einer Endtangente (4) wieder reduziert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturprofil durch erhöhte lokale Energiezufuhr an einer Bogenseite (3.1, 3.2) eingestellt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Induktors (20) zur Bogeninnenseite (3.2) reduziert wird und zugleich an der Bogenaußenseite (3.1) erhöht wird und dass das absolute Temperaturniveau durch Anpassung des elektrischen Stromes, der in dem Induktor (20) fließt, geregelt wird.
  6. Verfahren nach einem Der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturprofil durch erhöhte lokale Energieabfuhr an einer Bogenseite (3.1, 3.2) eingestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an der Bogeninnenseite (3.2) mittels einer Kühleinrichtung reduziert wird und dass das absolute Temperaturniveau durch Anpassung des elektrischen Stromes, der in dem Induktor (20) fließt, geregelt wird.
  8. Induktions-Rohrbiegevorrichtung (100) für druckfeste runde Rohre (1) mit großer Wandstärke und großem Durchmesser, insbesondere für Kraftwerks- und Pipelinerohre,
    wenigstens umfassend:
    - ein Maschinenbett (11) zur horizontalen Lagerung eines unbearbeiteten Rohrs (1);
    - eine längs der Rohrachse wirkende Vorschubeinheit (11) ;
    - eine elektrische Induktionseinheit mit einem ringförmigen Induktor (20) zur Erwärmung eines Rohrabschnitts;
    - einen um eine vertikale Drehachse (32) schwenkbaren Biegearm (30) mit einem Biegeschloss (31) zum Klemmen des Rohrs (1) sowie mit einer Verstelleinrichtung zur Verstellung des Abstands zwischen der Drehachse (32) und dem Biegeschloss (31);
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass in Vorschubrichtung gesehen vor dem (20) Induktor eine Presseneinheit (50) angeordnet ist, welche wenigstens einen vertikal auf das Rohr (1) wirkenden Stempel (52) und ein Gegenlager (53) aufweist; und
    - dass der Induktor (20) quer zur Vorschubrichtung verschiebbar gelagert ist und dass über eine Regeleinheit die elektrische Leistung der Induktionseinheit in Abhängig von einem Querversatz des Induktors (20) regelbar ist oder umgekehrt.
  9. Induktions-Rohrbiegevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Presseneinheit (50) wenigstens zwei entgegengesetzt zueinander auf das Rohr wirkende, hydraulisch angetriebene Stempel (52, 53) aufweist.
  10. Induktions-Rohrbiegevorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Stempel und Gegenlager bzw. die entgegengesetzt wirkenden Stempel (52, 53) je wenigstens eine Druckrolle (54, 55) aufweisen, die die Form eines Doppelkegels oder eine Rotationshyberboloids besitzen.
  11. Induktions-Rohrbiegevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel und das Gegenlager bzw. die beiden Stempel (52, 53) oben und unten in einem geschlossenen Rahmengestell (51) angeordnet sind und dass an beiden Seiten des Rahmengestells (51) wenigstens je eine seitliche Führungsrolle (58, 59) angeordnet ist.
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