DE102007034895A1

DE102007034895A1 - Verfahren zur Herstellung von warmgefertigten nahtlosen Rohren mit optimierten Ermüdungseigenschaften im verschweißten Zustand

Info

Publication number: DE102007034895A1
Application number: DE102007034895A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr.-Ing. Ring; Gerd Dipl.-Ing. Kloster; Oliver Dipl.-Ing. Sommerkamp; Caroline Dipl.-Ing. Rott; Marion Dipl.-Ing. Erdelen-Peppler
Original assignee: V&M Deutschland GmbH
Current assignee: Vallourec Deutschland GmbH
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2009-01-29
Also published as: CA2694469C; BRPI0814347B1; EA015222B1; US9718116B2; AU2008280642A1; JP2010534136A; JP5165757B2; UA96827C2; WO2009012744A1; US20100326557A1; BRPI0814347A2; EP2170540B1; AU2008280642B2; KR101499631B1; AR067641A1; AU2008280642A2; MX2010000815A; EA201000234A1; CN101827666A; CN101827666B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von warmgefertigten, insbesondere warmgewalzten, nahtlosen Rohren mit optimierten Ermüdungseigenschaften im verschweißten Zustand mit einem Außendurchmesser bis 711 mm und einer Nennwanddicke bis 100 mm aus Metall, insbesondere Stahl, wobei nach dem Warm- oder Fertigwalzen mindestens an einem Rohrende über eine festgelegte Länge ein mit engen Toleranzen für Innen- und Außendurchmesser versehener definierter Rohrquerschnitt erzeugt wird, der dann ein Verschweißen mit dem Rohrende eines weiteren Rohres ermöglicht. Hierzu ist vorgesehen, dass in einem ersten Schritt am betreffenden Rohrende in einem Bereich eine größere Wanddicke erzeugt wird als am übrigen Rohrkörper, wobei der Außendurchmesser vergrößert und/oder der Innendurchmesser verkleinert wird, und in einem zweiten Schritt in diesem Bereich durch mechanische Bearbeitung der geforderte Rohrquerschnitt hergestellt und der Übergang vom bearbeiteten zum unbearbeiteten Bereich des Rohres mit geringer Oberflächenrauigkeit und nahezu kerbfrei fließend erzeugt wird und die im Bearbeitungsbereich verbleibende Restwanddicke innerhalb der geforderten Toleranzen liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung warmgefertigter nahtloser Rohre mit optimierten Ermüdungseigenschaften im verschweißten Zustand gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein nach diesem Verfahren hergestelltes Rohr.
Verschiedene Verfahren zur Herstellung nahtloser Rohre werden beispielsweise im Stahlrohr Handbuch (Vulkan-Verlag, Essen, 12. Auflage 1995, S. 97–101) beschrieben.
Nach diesen Verfahren erzeugte Rohre werden beispielsweise in der Öl- oder Gasfördertechnik verwendet, wobei die einzelnen Rohrabschnitte durch eine Verbindungsnaht zu einem Endlosstrang verschweißt werden.
Bei der Herstellung der Rohrverbindung ist eine exakt zueinander passende Geometrie der zu verschweißenden Rohrenden mit engen Toleranzen eine unbedingte Voraussetzung, um eine hohe Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung im Betriebszustand der Rohrleitung zu erreichen. Zur Vermeidung von geometrischen Kerben ist insbesondere darauf zu achten, dass kein Kantenversatz der zu verschweißenden Rohrenden entsteht.
Die exakte Geometrie und engen Toleranzen der zu verschweißenden Rohrenden sind nicht nur für die Erfüllung der hohen Anforderungen an die Ermüdungsfestigkeit wichtig sondern auch für die Herstellungskosten der Schweißverbindung.
Nur wenn eine exakte Fluchtung der zu verschweißenden Rohrenden in engen Toleranzen realisiert wird, kann die Schweißverbindung kostengünstig und effizient, z. B. durch automatisiertes Schweißen, hergestellt und eine hohe Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung sichergestellt werden. Auch ein möglichst störungsfreier Medienfluss durch die Rohrleitung ist ebenfalls nur dann gewährleistet.
Herstellungsbedingt können die Toleranzen warmgewalzter nahtloser Rohre aber nicht sicher in einem für eine effiziente Herstellung der Verbindungsschweißung erforderlichen engen Rahmen gehalten werden. Hinzu kommt, dass geringfügige Wanddickenschwankungen und Ovalitäten beim Rohrdurchmesser auftreten.
Dies macht es erforderlich, die zu verschweißenden Enden von Rohren entsprechend ihrer Geometrie auszuwählen und zuzuordnen. Für diese gezielte Zuordnung ist deshalb bislang eine entsprechende Vermessung der Rohrenden unverzichtbar.
Aus der WO 2005/031249 ist eine Vorrichtung bekannt, die die innere und äußere Geometrie von Rohrenden vermisst und so eine gezielte Auswahl von zueinander exakt passenden Rohrenden ermöglicht.
Nachteilig bei dieser Verfahrensweise ist, dass eine aufwändige Logistik für Lagerung und Transport der Rohre erforderlich ist, damit für einen möglichst störungsfreien Fertigungsablauf immer die von der Geometrie her zueinander passenden Rohre zur Verfügung stehen. Ein weiterer Nachteil ist die Unflexibilität im Fertigungsablauf bei auftretenden Störungen, z. B. wenn ein an ein Leitungsrohrende anzuschweißendes Rohr nicht mit der passenden Geometrie zur Verfügung steht.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung warmgewalzter nahtloser Rohre anzugeben, mit dem Rohrenden von gleichmäßiger und exakter Geometrie erzeugt werden, die ein effizientes Verschweißen ohne eine vorherige Vermessung und gezielte Zuordnung der Rohrenden ermöglicht und mit dem gleichzeitig eine hohe Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung erreicht wird.
Diese Aufgabe wird nach dem Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Verfahren verwendet, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem ersten Schritt am betreffenden Rohrende in einem Bereich eine größere Wanddicke erzeugt wird als am übrigen Rohrkörper, wobei der Außendurchmesser vergrößert und/oder der Innendurchmesser verkleinert und in einem zweiten Schritt in diesem Bereich durch mechanische Bearbeitung der geforderte Rohrquerschnitt hergestellt und der Übergang vom bearbeiteten zum unbearbeiteten Bereich des Rohres mit geringer Oberflächenrauhigkeit und nahezu kerbfrei fließend erzeugt wird und die im Bearbeitungsbereich verbleibende Restwanddicke innerhalb der geforderten Toleranzen liegt.
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Rohrenden jetzt mit einer reproduzierbaren den Kundenanforderungen entsprechenden Geometrie erzeugt werden, die ein Aneinanderschweißen ohne vorherige Vermessung und Zuordnung ermöglicht. Der logistische Aufwand für Lagerung und Transport der Rohre wird minimiert, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt.
Gleichzeitig werden durch die mechanische Bearbeitung die Toleranzen der Rohrendengeometrie in sehr engen Grenzen gehalten, was zu optimalen Schweißbedingungen führt und eine effiziente Herstellung der Rohrverbindung, z. B. durch automatisierte Schweißverfahren, ermöglicht. Zudem wird eine hohe Ermüdungsfestigkeit der Rohrverbindung aufgrund weitgehender Kerbfreiheit durch geringe Oberflächenrauhigkeit gewährleistet.
Günstig für einen störungsarmen Medienfluss im späteren Verbindungsbereich des Rohres ist in Rohrlängsrichtung ein absatzfreier Übergang vom verdickten Rohrende zum nicht verdickten Rohrbereich. Erfindungsgemäß wird dazu am Übergang vom bearbeiteten zum nicht bearbeiteten Rohrende ein möglichst großer Radius bzw. Radien vorgesehen.
Vorteilhaft wird die Wandverdickung so groß gewählt, dass die aufgrund der Rohrtoleranzen vorhandenen Maßabweichungen, insbesondere bezüglich der Rundheit bzw. Ovalität, durch die nachfolgende mechanische Bearbeitung ohne Unterschreitung der Nennwanddicke nahezu vollständig ausgeglichen werden können.
Zur Sicherstellung eines ausreichenden Bearbeitungsspielraumes hat es sich deshalb als günstig herausgestellt, eine Wandverdickung von mindestens 3 mm zur Rohraußenseite und/oder zur Rohrinnenseite auf einer Länge von mindestens 100 mm, ausgehend von der Stirnseite des Rohres, vorzusehen.
Bei Bedarf kann die Wandverdickung jedoch auch größer oder kleiner sein und sich über kürzere oder längere Abschnitte erstrecken.
Andererseits sollte die Wandverdickung und deren Längserstreckung sowohl aus fertigungstechnischen wie auch aus Kostengründen auf ein für die Bearbeitung notwendiges Maß beschränkt werden.
Die mechanische Bearbeitung der Wandverdickung kann beispielsweise durch Ausdrehen erfolgen, wobei eine sehr geringe Ovalität bei ebenfalls sehr geringen Durchmessertoleranzen und sehr geringer Oberflächenrauhigkeit erreicht werden kann.
Als vorteilhaft hat sich zur Sicherstellung einer qualitativ einwandfreien Verschweißung der Rohrenden eine Bearbeitungslänge ausgehend von der Stirnseite des Rohres von mindestens 100 mm bewährt.
Im Bedarfsfall kann vor der Verschweißung der Rohrenden ein in die bearbeiteten Bereiche der beiden Rohrenden hinein ragender Zentrierring eingesetzt werden, um ein optimales Fluchten der Rohrenden für eine automatisierte Schweißung zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird die Wandverdickung in einer ersten vorteilhaften Verfahrensvariante durch ein Aufstauchen, insbesondere durch Warmstauchen des Rohrendes erzeugt.
Der Stauchvorgang wird dabei vorteilhaft so ausgeführt, dass die beim Stauchen am Außen- und Innenumfang erzeugten Übergänge zum Rohrkörper bezogen auf die Rohrlängsachse versetzt angeordnet sind. Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass sich diese versetzte Anordnung der Übergänge in der Rohrlängsachse sowie die Positionierung der Radien in unterschiedlichen Rohrquerschnittsebenen bei der mechanischen Bearbeitung positiv auf die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung im Betriebszustand auswirken.
Vorteilhaft werden dazu diese Übergänge bei der mechanischen Bearbeitung der Wandverdickung mit einem möglichst großen Radius oder Radienkombinationen versehen. Diese gewährleisten durch ihre Lage in unterschiedlichen Querschnittsebenen das Einhalten einer vorgegebenen minimalen Wandstärke und führen zu einem möglichst fließenden und kerbfreien Übergang zum nicht verdickten Bereich des Rohres. Hierdurch wird vorteilhaft in der Übergangszone ein niedriger Spannungskonzentrationsfaktor gewährleistet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, die Wandverdickung des Rohrendes durch eine Auftragsschweißung oder durch Aufsintern zu realisieren und anschließend mechanisch zu bearbeiten.
Bei den vorgenannten Verfahrensvarianten wird die Erzeugung der Wandverdickung vollständig vom Walzprozess abgekoppelt was den Vorteil hat, dass Rohre, z. B. Lagerrohre, die ursprünglich nicht für den beschriebenen Einsatzzweck vorgesehen waren, nachträglich mit einer Wandverdickung und einer entsprechenden mechanischen Bearbeitung versehen werden können.
Es ist außerdem möglich, die Rohrendenverdickung bereits bei der Herstellung des warmgewalzten nahtlosen Rohres zu erzeugen, wenn es aus fertigungstechnischer Sicht vorteilhafter erscheint. Beispielsweise wird durch ein Auseinanderfahren der Walzen am Rohrende ein vergrößerter Außendurchmesser erzeugt und ein vergrößerter Innendurchmesser z. B. durch ein entsprechend konstruiertes Innenwerkzeug.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele.
Es zeigen:
1 eine durch Aufstauchen erzeugte Wandverdickung an einem Rohrende,
2 eine erfindungsgemäße Rohrendenausbildung im bearbeiteten Zustand.
In 1 ist ausschnittsweise im Längsschnitt ein erfindungsgemäß erzeugtes Rohr mit einer Wandverdickung zur Rohraußen- und -innenseite am Rohrende nach dem Aufstauchen dargestellt.
Das Rohr 1 weist im Endbereich eine in einem Warmumformschritt erzeugte Wandverdickung 3 auf, die mit einem Übergangsbereich 4, 4' in den Ausgangsquerschnitt 2 des Rohres 1 übergeht.
Die Wandverdickung 3 ist in diesem Beispiel so ausgeführt, dass der Außendurchmesser des Rohres 1 vergrößert und der Innendurchmesser verkleinert ist.
Erfindungsgemäß wird der Stauchvorgang dabei so ausgeführt, dass der beim Stauchen am Außenumfang erzeugte Übergangsbereich 4 und der am Innenumfang erzeugte Übergangsbereich 4' zum Rohrkörper bezogen auf die Rohrlängsachse versetzt angeordnet sind.
Der durch den Stauchvorgang erzeugte Übergangsbereich 4 weist am Außenumfang des Rohres 1 Absätze 5 und 6 und der Übergangsbereich 4' am Innenumfang Absätze 7 und 8 auf.
2 zeigt den durch mechanische Bearbeitung hergestellten Fertigzustand des Endbereiches des Rohres 1.
Die Fertigkontur des mechanisch bearbeiteten Rohres 1 weist im ursprünglich verdickten Endbereich des Rohres 1 einen Außendurchmesser auf, der dem Ursprungsdurchmesser des Rohres 1 entspricht. Der Übergangsbereich 4 ist mit einem großen Radius 9 versehen, der durch einen fließenden, absatzfreien Übergang zusammen mit einer sehr geringen Oberflächenrauhigkeit im bearbeiteten Bereich, eine weitgehende Kerbfreiheit gewährleistet.
Um die geforderte Mindestwanddicke des Rohres 1 im Bereich des Übergangsbereiches 4 nicht zu unterschreiten, ist der Innenumfang des verdickten Rohrendes nicht bis auf den Ursprungsinnendurchmesser abgearbeitet, sondern es verbleibt eine geringe Wandverdickung 11, von der ausgehend der Übergangsbereich 4' ebenfalls mit einem großen Radius 10 versehen ist, der fließend und absatzfrei in den Ausgangsquerschnitt 2 des Rohres 1 übergeht.
Erfindungsgemäß sind die Radien 9 und 10 in unterschiedlichen Rohrquerschnittsebenen positioniert, was sich positiv auf die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung im Betriebszustand auswirkt.

Durch diese Anordnung ist einerseits gewährleistet, dass die geforderte Mindestwanddicke nicht unterschritten wird, andererseits kann nur auf diese Weise ein möglichst kerbfreier Übergang 4' zum Ausgangsquerschnitt 2 des Rohres 1 realisiert werden. Bezugszeichenliste

Nr.	Bezeichnung
1	Rohr
2	Ausgangsquerschnitt
3	Wandverdickung
4, 4'	Übergangsbereich
5, 6	Absatz Übergangsbereich außen
7, 8	Absatz Übergangsbereich innen
9	Radius Übergangsbereich außen
10	Radius Übergangsbereich innen
11	Wandverdickung Rohrinnenseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/031249 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Vulkan-Verlag, Essen, 12. Auflage 1995, S. 97–101 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung von warmgefertigten, insbesondere warmgewalzten, nahtlosen Rohren mit optimierten Ermüdungseigenschaften im verschweißten Zustand mit einem Außendurchmesser bis 711 mm und einer Nennwanddicke bis 100 mm aus Metall, insbesondere Stahl, wobei nach dem Warm- oder Fertigwalzen mindestens an einem Rohrende über eine festgelegte Länge ein mit engen Toleranzen für Innen- und Außendurchmesser versehener definierter Rohrquerschnitt erzeugt wird dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt am betreffenden Rohrende in einem Bereich eine größere Wanddicke erzeugt wird als am übrigen Rohrkörper, wobei der Außendurchmesser vergrößert und/oder der Innendurchmesser verkleinert wird, und in einem zweiten Schritt in diesem Bereich durch mechanische Bearbeitung der geforderte Rohrquerschnitt hergestellt und der Übergang vom bearbeiteten zum unbearbeiteten Bereich des Rohres mit geringer Oberflächenrauhigkeit und nahezu kerbfrei fließend erzeugt wird und die im Bearbeitungsbereich verbleibende Restwanddicke innerhalb der geforderten Toleranzen liegen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wandverdickung des betreffenden Rohrendenbereiches durch ein Stauchen des Rohrendes erzeugt wird, wobei die beim Stauchen am Außen- und Innenumfang erzeugten Übergänge zum Rohrkörper bezogen auf die Rohrlängsachse versetzt angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Stauchen ein Warmstauchen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wandverdickung des betreffenden Rohrendenbereiches durch ein Aufsintern erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wandverdickung des betreffenden Rohrendenbereiches durch eine Auftragsschweißung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wandverdickung durch ein Warmwalzen vor dem Fertigwalzen erzeugt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–6 dadurch gekennzeichnet, dass die Wandverdickung mindestens 3 mm beträgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass die Wandverdickung ausgehend von der Stirnseite sich in Rohrlängsrichtung auf einer Länge von mindestens 100 mm erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8 dadurch gekennzeichnet, dass in Rohrlängsrichtung am Außen- und/oder Innenumfang ein absatzfreier Übergang vom verdickten Rohrende zum nicht verdickten Rohrbereich erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang mit mindestens je einem Radius am Außen- und Innendurchmesser versehen wird, der in unterschiedlichen Querschnittsebenen liegt.
Nahtloses Rohr, hergestellt mit den Verfahrensschritten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.