WO2019197664A1 - SCHMIERRING FÜR EINEN MECHANISCHEN EXPANDER ZUM KALIBRIEREN VON GROßROHREN - Google Patents

SCHMIERRING FÜR EINEN MECHANISCHEN EXPANDER ZUM KALIBRIEREN VON GROßROHREN Download PDF

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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a lubricating ring according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a method for producing a lubricating ring having the features of claim 6.
  • the additively manufactured part consists of a high-strength steel.
  • the large pipes have a diameter of 14 inches or less.
  • the additively manufactured part has circumferential common rails for lubricant guidance.
  • the additively manufactured part is designed to integrate the function of two-wire distributors.
  • the invention also relates to a method for producing a lubricating ring according to the invention, characterized by the steps:
  • the field of application of the invention can be used both as a retrofit solution in new plants and in existing plants. Keywords to the invention are: pipe welding systems, SAW pipes, mechanical expander, expander tool, calibration of large pipes
  • the purpose of the invention is the simplified and reproducible production of expander tools for calibrating large pipes with diameters of 14 inches and smaller.
  • Disadvantages of prior art solutions Especially with expander tools for small pipe diameters (e.g., 14 inches and smaller), conventional manufacturing has its limitations. The reason for this is the small space in the lubrication ring, which makes it difficult to position and manufacture the fluid bores. Because to redirect a fluid by 90 °, two holes, one in the vertical direction and the other in the horizontal direction are required. Thus, the production of lubricating rings for 14-inch pipes is very complex and risky, since in some areas only a few millimeters remain until a collision with another hydraulic bore. If so, the part becomes scrap.
  • the invention is a hybrid component that combines conventional and additive manufacturing.
  • a ring of a low-strength, but inexpensive structural steel is used on the complex part of a high-strength material by the additive manufacturing, or 3D printing called, generated in layers.
  • 3D printing 3D printing
  • a mild steel with low strength properties is sufficient because the critical cross section is not in this area of the component.
  • the through-holes for the subsequent assembly and the Flydraulik ein are conventionally manufactured in the steel ring.
  • For the layered structure of the ring is then then aligned in the printer assembly space and mounted and the metal powder layers are applied to the blank and melted using a laser.
  • the SMS group design is also characterized by the two circumferential common rails. These supply the individual channels to the two-way distributors with expander oil.
  • FIG. 1 shows a sectional view through a prior art expander with inventive lubricating ring.
  • Fig. 2 shows a three-dimensional view of a lubrication ring according to the prior art.
  • FIG. 3 shows the lubricating ring of Fig. 2 in a partially cutaway view with the indicated steps for the production of the holes.
  • FIG. 4 shows a three-dimensional view of the inventive lubricating ring from FIG. 1 and the lubricating ring as a hybrid component.
  • the expander 1 shown in Fig. 1 comprises a wedge 2 which is displaceable over a tie rod 3 relative to oppositely shaped segments 4, so that the segments 4 are pressed radially outward to deform a pipe (not shown) from the inside or to calibrate.
  • the wedge 2 has lubricant channels (not shown), which transport the lubricant into the gap between the wedge 2 and segments 4.
  • the wedge 2 is connected by a nut 5 with the pull rod. Between the nut 5, a disk 7 and then a lubricating ring 6 are arranged as a stack in the pulling direction.
  • the lubricant is from a supply pin 8 via
  • Fig. 2 and Fig. 3 show a previously known, manufactured in a conventional manner lubricating ring.
  • Fig. 3 illustrates how previously fluid bores or lubricant channels were introduced through holes in the lubricating ring 6.
  • the previously known lubricating ring 6 'according to FIG. 2 can be used as an alternative to the inventive lubricating ring 6 according to FIG. 4 in the expander according to FIG. 1 be provided, or the inventive lubricating ring 6, the conventional lubricating ring 6 ', optionally with additional adjustment of the disc 7, replace.
  • the 4 comprises a conventionally manufactured part 12 in the form of a ring, the shape of which in this area largely corresponds to the corresponding part of the lubricating ring 6 'according to FIG. 2.
  • a manufactured by additive manufacturing part 13 connects in the axial direction of the conventionally manufactured part 12 at.
  • the additively manufactured part 13 faces the disk 7 and abuts against it.
  • the lubricating ring 6 according to FIG. 4 is thus designed as a hybrid component.
  • the conventionally manufactured part 12 is made of structural steel.
  • the additive manufactured part 13 is made of high strength steel.
  • two circumferential common rail lines 14 are provided for distributing the lubricant, inter alia to the two-line distributors 11.
  • Additive Manufacturing Inventory Announcement Lubricating Ring as a Hybrid Component
  • they are calibrated with respect to their roundness and dimensional stability after internal and external welding using the mechanical expander 1.
  • Each expansion process involves high surface pressure and thus friction between the surfaces of the segments and the wedge. The friction is reduced by a defined lubrication.
  • the lubrication ring acts as a lubricant distributor and forwarder.
  • the SMS group design is characterized by the two circulating common rails 14. These supply the individual channels to the two-line distributors 11, in which then a precisely defined amount of lubricant is ejected.
  • the lubricating oil supply for the two Common Rails 14 takes place only via two channels 10, which has a great advantage on the number of necessary seals respectively the number of possible leakage points. Because this is reduced by 17%. This also eliminates the need for special seals.
  • the design of the AM area is defined so that the effort for the subsequent post-processing is minimized. For this purpose, all angles in the printing direction are chosen so that the need for support structures omitted.
  • the rework for the seat of the two-line manifold 11 is also kept as low as possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schmierring für einen mechanischen Expander (1) zum Kalibrieren von Großrohren, umfassend einen konventionell gefertigten Ring (12) aus einem Stahl, insbesondere Baustahl, wobei in dem Ring (12) Fluidbohrungen vorgesehen sind, wobei ein Teil (13) des Schmierrings (6) mittels einer additiven Fertigungstechnologie hergestellt ist.

Description

Schmierring für einen mechanischen Expander zum Kalibrieren von Großrohren
Die Erfindung betrifft einen Schmierring nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung eines Schmierrings mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Aus der Praxis des Baus von Expandern für die Kalibrierung von Großrohren ist es bekannt, einen Schmierring zwischen einem durch eine Zugstange bewegten Keil und einer Scheibe anzuordnen. Der Stapel aus Scheibe, Schmierring und Keil wird dabei in Richtung der Zugstange mit einer hohen Kraft beaufschlagt. Die Zugstange bringt die Kraft auf die Komponenten auf. Diese werden von der Zugstange in Richtung des Zylinders bewegt. Die Zugstange sitzt an einem Zylinder, der durch hydraulischen Druck aus - und eingefahren wird. Auf dem Keil liegende Segmente werden radial nach außen gedrückt und dehnen ein zu kalibrierendes Rohr. Schmiermittel zur Schmierung des Spaltes zwischen dem Keil und den Segmenten wird durch den Schmierring hindurch zu Bohrungen in dem Keil geleitet, wobei der Schmierring zwei Common Rails und Zweileiterverteiler zur Steuerung des Schmiermittelstroms aufweist.
Bei der Herstellung von Großrohren werden diese nach dem Innen- und Außennahtschweißen mit Hilfe des mechanischen Expanders hinsichtlich ihrer Rundheit und Maßhaltigkeit kalibriert. Bei jedem Expansionsvorgang tritt eine hohe Flächenpressung und somit Reibung zwischen den Flächen der Segmente und des Keils auf. Die Reibung wird durch eine definierte Schmierung verringert. Um das Schmiermittel an die entsprechenden Stellen zu führen, dient der Schmierring als Schmiermittelverteiler und auch als Weiterleiter des Expanderöls. Bislang werden die Schmierringe der SMS group GmbH durch konventionelle Fertigungsmethoden hergestellt. Die einzelnen Hydraulikkanäle werden zum Teil in zwei Ebenen verlaufend gebohrt. Das konkurrierende Unternehmen Häusler AG verwendet für die Verteilung und Weiterleitung des Expanderöls Schlauchleitungen und das Unternehmen Fontijne Grotness hat gebogene Rohre für die Erfüllung der Funktion vorgesehen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte und reproduzierbare Herstellung des Schmierringes zur Verteilung und Weiterleitung des Expanderöls anzugeben. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung, eine Verringerung der Bauteilabmessung zur Herstellung von Großrohren mit Durchmessern kleiner gleich 14 Zoll anzugeben.
Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Schmierring erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der additiv gefertigte Teil aus einem hochfesten Stahl.
Weiterhin allgemein vorteilhaft haben die Großrohre einen Durchmesser von 14 Zoll oder weniger.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass der additiv gefertigte Teil umlaufende Common Rails zur Schmiermittelführung aufweist.
Zur allgemeinen Optimierung der Schmiermittelverteilung kann es vorteilhaft vorgesehen sein, dass der additiv gefertigte Teil zur Integration der Funktion von Zweileiterverteilern ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schmierrings, gekennzeichnet durch die Schritte:
a. Herstellung des Rings aus einem Stahl auf konventionelle Weise; b. Ausrichtung und Montieren des Rings als Rohteil in einem Druckerbauraum;
c. Aufträgen von Metallpulverschichten und Aufschmelzen mit Hilfe eines Lasers auf dem Rohteil.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung: Die Erfindung kann sowohl in Neuanlagen als auch in bestehenden Anlagen als Nachrüstlösung eingesetzt werden. Stichwörter zu der Erfindung sind: Rohrschweißanlagen, SAW Pipes, Mechanischer Expander, Expander-Werkzeug, Kalibrieren von Großrohren
Zweck der Erfindung ist die vereinfachte und reproduzierbare Herstellung von Expander-Werkzeugen zur Kalibrierung von Großrohren mit den Durchmessern 14 Zoll und kleiner. Nachteile von vorbekannten Lösungen: Insbesondere bei Expanderwerkzeugen für kleine Rohrdurchmesser (z.B. 14 Zoll und kleiner) gelangt die konventionelle Fertigung an ihre Grenzen. Ursache hierfür ist der geringe Bauraum im Schmierring, der die Positionierung und die Herstellung der Fluidbohrungen erschwert. Denn um ein Fluid um 90° umzuleiten, werden zwei Bohrungen, eine in vertikaler Richtung und die andere in horizontaler Richtung benötigt. Sodass sich die Herstellung von Schmierringen für 14 Zoll Rohren sehr aufwändig und risikobehaftet gestaltet, da in manchen Bereichen nur wenige Millimeter verbleiben bis eine Kollision mit einer anderen Hydraulikbohrung entsteht. Ist dies der Fall, wird das Teil zu Ausschuss.
Der Kern der erfindungsgemäßen Lösung: Bei der Erfindung handelt es sich um ein hybrides Bauteil, das die konventionelle mit der additiven Fertigung verbindet. Als Basis wird ein Ring aus einem geringer festen, aber kostengünstigen Baustahl eingesetzt auf den der komplexere Teil aus einem hochfesten Werkstoff durch die additive Fertigung, oder auch 3D Druck genannt, schichtweise generiert wird. Für den Ring ist ein Baustahl mit niedrigen Festigkeitseigenschaften ausreichend, da der kritische Querschnitt nicht in diesem Bereich des Bauteils liegt. Zunächst werden die Durchgangsbohrungen für die nachfolgende Montage und die Flydraulikleitungen konventionell in dem Stahlring gefertigt. Für den schichtweisen Aufbau wird der Ring dann anschließend im Druckerbauraum ausgerichtet und montiert und die Metallpulverschichten werden auf dem Rohteil aufgetragen und mit Hilfe eines Lasers aufgeschmolzen. Bei der additiven Fertigung gibt kein Werkzeug die Geometrie oder den Verlauf der Kanäle an, sodass diese so kompakt wie möglich integriert sind und sich dadurch die Bauteilhöhe verringert Das SMS group Design wird außerdem durch die beiden umlaufenden Common Rails charakterisiert. Diese versorgen die einzelnen Kanäle zu den Zweileiterverteilern mit Expanderöl.
Zusätzliche, die Erfindung verbessernde Maßnahmen: Integration der Funktion der Zweileiterverteiler, um den exakt definierten Expanderölausstoß sicherzustellen.
Weitere Vorteile der Erfindung: Reduzierung der Dichtungsanzahl (Leckagemöglichkeiten) von 68 auf 50, da die Anschlüsse der Kanäle nur noch durch zwei scheibenseitig befindliche Anschlusspunkte erfolgt. Wegfall der zugekauften Spezialdichtungen durch die Integration von zwei umlaufenden Common Rails, die die Verteilerfunktion übernehmen und die Versorgung der Kanäle sicherstellen. Reduzierung der Bauteilhöhe, sodass die umliegenden Komponenten ebenfalls kleiner dimensioniert werden können. Vereinfachung der anliegenden Komponente, da hier keine zum Teil in drei Ebenen schräg verlaufenden Bohrungen gefertigt werden müssen. Reduzierung der Teileanzahl, den damit verbundenen geringeren Montageaufwand. Know-how-Schutz.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht durch einen vorbekannten Expander mit erfindungsgemäßem Schmierring.
Fig. 2 zeigt eine räumliche Ansicht eines Schmierrings nach dem Stand der Technik.
Fig. 3 zeigt den Schmierring aus Fig. 2 in einer teilweise aufgeschnittenen Ansicht mit den angedeuteten Schritten zur Fertigung der Bohrungen. Fig. 4 zeigt eine räumliche Ansicht des erfindungsgemäßen Schmierrings aus Fig. 1 bzw. den Schmierring als hybrides Bauteil. Der in Fig. 1 gezeigte Expander 1 umfasst einen Keil 2, der über eine Zugstange 3 relativ zu entgegengesetzt geformten Segmenten 4 verschiebbar ist, so dass die Segmente 4 radial nach außen gedrückt werden, um ein Rohr (nicht dargestellt) von innen zu verformen bzw. zu kalibrieren. Der Keil 2 weist Schmiermittelkanäle (nicht dargestellt) auf, die das Schmiermittel in den Spalt zwischen Keil 2 und Segmenten 4 transportieren.
Der Keil 2 ist durch eine Mutter 5 mit der Zugstange verbunden. Zwischen der Mutter 5 sind in Zugrichtung eine Scheibe 7 und dann ein Schmierring 6 als Stapel angeordnet. Das Schmiermittel wird von einem Versorgungszapfen 8 über
Außenleitungen 9 zu Kanälen der Scheibe 7 geführt. Die Kanäle in der Scheibe 7 schließen in axialer Richtung an Kanäle 10 des Schmierrings 6 an. An dem Schmierring 6 sind Zweileiterverteiler 11 (in Fig. 4 nicht gezeigt) angebracht, die für eine Steuerung des Schmiermittelstroms sorgen.
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen einen vorbekannten, auf konventionelle Weise gefertigten Schmierring. Fig. 3 verdeutlicht dabei, wie bisher Fluidbohrungen bzw. Schmiermittelkanäle durch Bohrungen in den Schmierring 6 eingebracht wurden. Der vorbekannte Schmierring 6‘ gemäß Fig. 2 kann alternativ zu dem erfindungsgemäßen Schmierring 6 nach Fig. 4 in dem Expander nach Fig. 1 vorgesehen sein, bzw. der erfindungsgemäße Schmierring 6 kann den konventionellen Schmierring 6‘, gegebenenfalls unter zusätzlicher Anpassung der Scheibe 7, ersetzen. Der erfindungsgemäße Schmierring 6 nach Fig. 4 umfasst einen konventionell gefertigten Teil 12 in Form eines Rings, dessen Formgebung in diesem Bereich weitgehend dem korrespondierenden Teil des Schmierrings 6‘ nach Fig. 2 entspricht. Ein durch Additive Manufacturing gefertigter Teil 13 schließt in axialer Richtung an den konventionell gefertigten Teil 12 an. Der additiv gefertigte Teil 13 ist der Scheibe 7 zugewandt und liegt an dieser an. Der Schmierring 6 nach Fig. 4 ist somit als hybrides Bauteil ausgebildet. Der konventionell gefertigte Teil 12 besteht aus Baustahl. Der additiv gefertigte Teil 13 besteht aus hochfestem Stahl.
In dem additiv gefertigten Teil 13 sind zwei umlaufende Common-Rail-Leitungen 14 zur Verteilung des Schmiermittels, unter anderem an die Zweileiterverteiler 11 , vorgesehen.
Additive Manufacturing: Erfindungsmeldung Schmierring als hybrides Bauteil Bei der Fierstellung von Großrohren werden diese nach dem Innen- und Außennahtschweißen mit Hilfe des mechanischen Expanders 1 hinsichtlich ihrer Rundheit und Maßhaltigkeit kalibriert. Bei jedem Expansionsvorgang tritt eine hohe Flächenpressung und somit Reibung zwischen den Flächen der Segmente und des Keils auf. Die Reibung wird durch eine definierte Schmierung verringert. Um das Schmiermittel an die entsprechenden Stellen zu führen, dient der Schmierring als Schmiermittelverteiler und - Weiterleiter.
Insbesondere bei Expanderwerkzeugen 1 für kleine Rohrdurchmesser (z.B. 14“ und kleiner) gelangt die konventionelle Fertigung an ihre Grenzen. Ursache hierfür ist der geringe Bauraum im Schmierring 6‘, der die Positionierung und die Fierstellung der Fluidbohrungen erschwert. Mit der additiven Fertigungstechnologie ergeben sich neue Möglichkeiten. Allerdings finden die oft filigranen Strukturen, die mit der additiven Fertigung in Verbindung gebracht werden, insbesondere im Schwermaschinenbau nur schwer eine Anwendung. Denn oftmals herrschen sehr raue Betriebsbedingungen und hohe Kräfte werden zur plastischen Verformung benötigt, was zu einer Massivbauweise der Komponenten führt.
Die massive Ausführung wurde auch bei dem Produktentwicklungsprozess berücksichtigt. Dabei ist ein neuer Schmierring 6 mit hybridem Design entstanden, in dem die konventionelle mit der additiv gefertigten Bauweise verbunden wird. Die Basis für den schichtweisen Auftrag bildet ein Stahlring 12, in den erste Bohrungen zur Fluidweiterleitung zum Keil 2 bereits mit konventionellen Mitteln gefertigt werden. Der Ring 12 wird im Druckerbauraum ausgerichtet und montiert. Anschließend erfolgt der Aufbau durch die additive Fertigungstechnologie. Mit der kompakten Anordnung der Fluidkanäle beträgt die aufzutragende Flöhe lediglich 70 mm. Die maximalen Abmessungen haben sich im Vergleich zur ursprünglichen Konstruktion im Außendurchmesser um 10% und in der Gesamtbauteilhöhe um nahezu 30% verringert, was gleichzeitig zu einer Verkleinerung der umliegenden Komponenten führt. Denn mit Hilfe der additiven Fertigungstechnologie können die Kanäle 10, 14 gänzlich unabhängig von der Kontur der Fertigungswerkzeuge hergestellt und auf geringem Bauraum sehr kompakt gestaltet werden.
Das SMS group Design wird durch die beiden umlaufen Common Rails 14 charakterisiert. Diese versorgen die einzelnen Kanäle zu den Zweileiterverteilern 11 , in denen dann eine exakt definierte Menge an Schmiermittel ausgestoßen wird. Die Schmierölzufuhr für die beiden Common Rails 14 erfolgt nur noch über zwei Kanäle 10, was einen großen Vorteil auf die Anzahl der notwendigen Dichtungen respektive die Anzahl der möglichen Leckagestellen hat. Denn diese reduziert sich um 17%. Damit entfällt ebenfalls die Notwendigkeit von Spezialdichtungen. Des Weiteren vereinfacht die Schmiermittelzufuhr über lediglich zwei Kanäle 10 die Konstruktion der angrenzenden Bauteile, wie die konventionell hergestellte Scheibe. Das Design des AM Bereiches ist so definiert, dass der Aufwand für das nachfolgende Post-Processing möglichst gering gehalten wird. Hierzu sind alle Winkel in Druck-Richtung so gewählt, dass die Notwendigkeit von Stützstrukturen entfallen. Die Nacharbeit zur für den Sitz der Zweileiterverteiler 11 ist ebenfalls so gering wie möglich gehalten.
Die Kombination von konventionellen und additiven Verfahren überzeugt nicht nur technisch sondern auch wirtschaftlich und wird in Zukunft eine bedeutende Rolle im Schwermaschinenbau spielen.
Bezugszeichenliste
1 Expander
2 Keil
3 Zugstange
4 Segmente
5 Mutter
6 Schmierring
6‘ konventioneller Schmierring
7 Scheibe
8 Versorgungszapfen
9 Außenleitungen
10 Kanäle des Schmierrings
11 Zweileiterverteiler
12 konventionell gefertigter Teil, Ring aus Stahl
13 durch Additive Manufacturing gefertigter Teil
14 Common-Rail-Leitungen

Claims

Patentansprüche
1. Schmierring für einen mechanischen Expander (1 ) zum Kalibrieren von Großrohren, umfassend
einen konventionell gefertigten Ring (12) aus einem Stahl, insbesondere Baustahl,
wobei in dem Ring (12) Fluidbohrungen vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Teil (13) des Schmierrings (6) mittels einer additiven Fertigungstechnologie hergestellt ist.
2. Schmierring nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der additiv gefertigte Teil (13) aus einem hochfesten Stahl besteht.
3. Schmierring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Großrohre einen Durchmesser von 14 Zoll oder weniger haben.
4. Schmierring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der additiv gefertigte Teil (13) umlaufende Common Rails (14) zur Schmiermittelführung aufweist.
5. Schmierring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der additiv gefertigte Teil (13) zur Integration der Funktion von Zweileiterverteilern (11 ) ausgebildet ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Schmierrings nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte:
a. Herstellung des Rings (12) aus einem Stahl auf konventionelle Weise;
b. Ausrichtung und Montieren des Rings (12) als Rohteil in einem Druckerbauraum;
c. Aufträgen von Metallpulverschichten und Aufschmelzen mit Hilfe eines Lasers auf dem Rohteil.
PCT/EP2019/059548 2018-04-12 2019-04-12 SCHMIERRING FÜR EINEN MECHANISCHEN EXPANDER ZUM KALIBRIEREN VON GROßROHREN WO2019197664A1 (de)

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