DE102020200034A1

DE102020200034A1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohres sowie Verbundrohr

Info

Publication number: DE102020200034A1
Application number: DE102020200034.4A
Authority: DE
Inventors: Torsten Beenders; Helge Dähndel
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2021-07-08
Also published as: WO2021136755A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohres umfassend die Herstellung eines Mantelrohres im Schleudergussverfahren aus einem ersten Werkstoff und das Aufbringen eines Werkstoffpulvers aus einem zweiten Werkstoff auf die noch schmelzeheiße Innenwand des Mantelrohres innerhalb der Gussform für das Mantelrohr, sodass der Werkstoff des Mantelrohres mit dem in das Mantelrohr eingebrachten Werkstoffpulver unter Bildung eines Innenrohrs einen innigen Verbund eingeht, wobei der erste Werkstoff im Wesentlichen aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl besteht und der das Innenrohr bildende zweite Werkstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe von Werkstoffen umfassend hochlegierte Stähle, hochkorrosionsfeste, hochverschleißfeste oder hochtemperaturfeste Stähle und keramische Materialien.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohres umfassend die Herstellung eines Mantelrohres im Schleudergussverfahren aus einem ersten Werkstoff und das Aufbringen eines Werkstoffpulvers aus einem zweiten Werkstoff auf die noch schmelzeheiße Innenwand des Mantelrohres innerhalb der Gussform für das Mantelrohr, sodass der Werkstoff des Mantelrohres mit dem in das Mantelrohr eingebrachten Werkstoffpulver unter Bildung eines Innenrohrs einen innigen Verbund eingeht.
Derartige Verfahren sind grundsätzlich im Stand der Technik bekannt. Ein Verbundrohr, welches zumindest teilweise im Schleudergussverfahren hergestellt wurde, ist beispielsweise aus der EP 1 802 410 B1 bekannt. Das Verfahren betrifft die Verwendung eines Verbundrohres mit einem ersten Teilrohr und einen zweiten Teilrohr, bei dem das eine Teilrohr in dem anderen Teilrohr angeordnet ist, das erste Teilrohr ein Schleudergussrohr ist und das zweite Teilrohr durch Druckbehandlung mittels isostatischem Heißpressen aus einem Pulver erzeugt wurde. Die beiden Teilrohre können aus dem gleichen Werkstoff bestehen, wobei das innere Teilrohr profiliert ist.
Aus der DE 28 41 295 OS ist ein Verfahren zum Auskleiden der Wandung eines rohrförmigen Körpers aus Stahl mit einem verschleißfesten, vorzugsweise Karbidverbindungen umfassenden Werkstoff durch Aufbringen eines pulverförmig vorliegenden Werkstoffs auf die um die Rohrachse rotierende Innenwand unter Einfluss von Wärme bekannt, wobei sich dieses Verfahren dadurch auszeichnet, dass die Innenwandung bis zum Schmelzen erwärmt wird, der verschleißfeste Werkstoff in die Schmelze eingebracht wird und danach mit der Abkühlung unter fortlaufender Drehung des Rohres verschmolzen wird.
Aus der US 4,510,988 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohres bekannt, dass ein erstes Teilrohr und ein zweites Teilrohr umfasst, die ineinander angeordnet sind. Bei dem dort beschriebenen Verbundrohr wird das zweite Teilrohr durch Aufsprühen eines Pulvers auf das erste Rohr hergestellt. Das erste Teilrohr wird nach seiner Herstellung auf einem hohen Temperaturniveau gehalten, sodass das aufgesprühte Pulver durch die im ersten Teilrohr verbliebene Wärmeenergie geschmolzen wird. Durch die weitergehende Drehung des ersten Teilrohres wird das Pulver und damit das herzustellende zweite Teilrohr mit dem ersten Teilrohr verbunden. Das erste Teilrohr, welches das Mantelrohr bildet, besteht aus einem hochlegierten, hochtemperaturfesten Fe-Cr-Ni Stahl, wohingegen das Innenrohr aus einer selbstfließenden Pulverlegierung besteht.
Für die Lagerung, den Transport oder zur Förderung von hochkorrosiven Medien, wie beispielsweise schwefelhaltigem Rohöl oder mit Sauergas versetztem Erdgas oder für den Transport von Wasserstoff müssen verwendete Rohre oder Behältnisse entweder vollständig aus hochlegierten Werkstoffen, wie nicht rostenden austenitischen Stählen oder Duplexstählen oder Nickel bzw. Chrombasislegierungen hergestellt sein, oder sie müssen, wenn sie aus einfacheren, preiswerteren Werkstoffen, wie niedriglegierten Stählen bestehen, in regelmäßigen Abständen erneuert werden.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Rohre bereitzustellen, die überwiegend aus einem preisgünstigen und einfach zu verarbeitenden Werkstoff bestehen, die aber dennoch wenigstens innenseitig temperaturfest, korrosionsfest und/oder verschleißfest sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren umfassend die Merkmale des Anspruchs 1 sowie durch ein Verbundrohr umfassend die Merkmale des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohres umfassend die Herstellung eines Mantelrohres im Schleudergussverfahren aus einem ersten Werkstoff und das Aufbringen eines Werkstoffpulvers aus einem zweiten Werkstoff auf die noch schmelzeheiße Innenwand des Mantelrohres innerhalb der Gussform für das Mantelrohr, sodass der Werkstoff des Mantelrohres mit dem in das Mantelrohr eingebrachten Werkstoffpulver unter Bildung eines Innenrohrs einen innigen Verbund eingeht, wobei der erste Werkstoff im Wesentlichen aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl besteht und der das Innenrohr bildende zweite Werkstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe von Werkstoffen umfassend hochlegierte Stähle, hochkorrosionsfeste, hochverschleißfeste oder hochtemperaturfeste Stähle und keramische Materialien.
Das Verfahren gemäß der Erfindung umfasst insbesondere das Aufsprühen eines Metallpulvers als Werkstoffpulver auf die noch flüssige oder teilflüssige bzw. noch nicht vollständig erstarrte Innenfläche des als Schleudergussteil hergestellten Mantelrohres, vorzugsweise noch während des Schleudergussprozesses. Dabei ist ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung, dass das Mantelrohr, anders als bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren aus einem einfachen und preiswerten Werkstoff besteht. Das Mantelrohr besteht erfindungsgemäß aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl. Unter einem niedriglegierten Stahl im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Stahl zu verstehen, der bis zu 5 Masseprozent Legierungsbestandteile umfasst.
Die Temperatur des Schleudergußteils ist bei dem Verfahren gemäß der Erfindung zweckmäßigerweise beim Aufsprühen bzw. Auftragen des Werkstoffpulvers so hoch, dass das aufgesprühte Werkstoffpulver zumindest an geschmolzen wird, um einen innigen Materialverbund bzw. eine metallene Verbindung beider Werkstoffe zu erhalten.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Werkstoffpulver unmittelbar nach dem Schleudergießen des Mantelrohres oder zeitlich versetzt danach aufgebracht wird, je nach Temperatur des Mantelrohres.
Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Temperatur der Innenwand des Mantelrohres vor dem Einbringen des Werkstoffpulvers gemessen wird und dass Werkstoffpulver anschließend in zeitlicher Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur auf die Innenwand des Mantelrohres aufgebracht wird. Hierzu kann einseitig, bevorzugt an der Öffnung der Gussform/Kokille gegenüber einer Eingangsseite eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen sein, um über die Temperatur der unbeschichteten Innenfläche des Schleudergussteils den optimalen Zeitpunkt zum Aufsprühen des Werkstoffpulvers bestimmen zu können.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass das Abkühlverhalten des Mantelrohres nach dem Schleuderguss berechnet und/oder simuliert wird und dass aus der Berechnung und/oder Simulation ein optimaler Zeitpunkt für die Einbringung des Werkstoffpulvers ermittelt wird.
Das Werkstoffpulver kann Werkstoffe umfassen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend rostträge martensitische oder austenitische Stähle oder Duplexstähle oder andere metallene Werkstoffe auf Nickel-, Chrom-, Kupfer-, Beryllium- oder Titanbasis.
Zur Erhöhung der Resistenz gegen Verschleiß oder Korrosion kann das aufzusprühende Werkstoffpulver partikelverstärkt sein, beispielsweise mit Keramikartikeln und/oder anderen Hartstoffen und/oder mit Graphitpartikeln. Die Einlagerung von Graphitpartikeln hat insbesondere den Vorzug, dass damit dem Werkstoff des Innenrohrs Lagereigenschaften vermittelt werden.
Weiterhin kann zur Verbesserung der metallischen Verbindung des Werkstoffs des Mantelrohres mit dem aufzuschmelzenden Werkstoffpulver ein Flussmittel, beispielsweise auf Phosphat- oder Boratbasis beigefügt werden. Alternativ kann vor dem Aufsprühen des Werkstoffpulvers ein Flussmittel auf die Innenseite des Mantelrohres aufgetragen werden.
Zweckmäßigerweise umfasst das Werkstoffpulver zwischen 5 % und 40 % verschleißfeste Werkstoffe, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Titancarbid, Titannitrit, Bornitrid, Borcarbid und Aluminiumoxid.
Bevorzugt beträgt die Schmelztemperatur des Werkstoffpulvers zwischen 850 °C und 1530 °C.
Das Werkstoffpulver weist zweckmäßigerweise eine mittlere Korngröße aufweist, die so bemessen ist, dass aufgrund der kinetischen Energie der Pulverteilchen eine etwaige noch flüssige Deck-bzw. Deoxidationsschicht oder Zunderschicht durchdrungen werden kann.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der mittlere Korndurchmesser des Werkstoffpulvers zwischen 0,01 mm und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,02 mm und 0,5 mm beträgt.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Werkstoffpulver auf die Innenwand des Mantelrohres aufgebracht wird, während das Mantelrohr in der Gussform rotiert.
Das Werkstoffpulver kann mittels wenigstens eines innerhalb des Mantelrohres in Richtung der Rohrachse verfahrbaren Sprühkopfs aufgebracht werden. Zweckmäßigerweise ist eine pneumatische Förderung des Werkstoffpulvers an den Sprühkopf mittels eines Inertgases oder im einfachsten Fall mittels Druckluft vorgesehen. Der Sprühkopf kann zusätzlich innerhalb des Mantelrohres rotiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen und auch besonders vorteilhaft, dass die Dicke des hergestellten Innenrohres variabel ist. Dadurch lässt sich die Dicke des Innenrohres auf den gewünschten Einsatzfall abstimmen. Dies hat den Vorzug, dass die Menge des verhältnismäßig teureren Werkstoffpulvers für das Innenrohr minimiert werden kann.
Die Erfindung umfasst weiterhin die Bereitstellung eines Verbundrohres, dass vorzugsweise nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, welches ein Mantelrohr aus einem unlegierten oder niedriglegierten Werkstoff und ein mit dem Werkstoff des Mantelrohres innig verbundenes Innenrohr aus einem korrosionsfesten und/oder verschleißfesten und/oder hochtemperaturfesten Werkstoff aufweist.
Vorzugsweise ist der Werkstoff des Innenrohres ausgewählt aus einer Gruppe umfassend rostträge martensitische oder austenitische Stähle oder Duplexstähle oder andere metallene Werkstoffe auf Nickel-, Chrom- oder Titanbasis.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1802410 B1 [0002]
DE 2841295 [0003]
US 4510988 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundrohres umfassend die Herstellung eines Mantelrohres im Schleudergussverfahren aus einem ersten Werkstoff und das Aufbringen eines Werkstoffpulvers aus einem zweiten Werkstoff auf die noch schmelzeheiße Innenwand des Mantelrohres innerhalb der Gussform für das Mantelrohr, sodass der Werkstoff des Mantelrohres mit dem in das Mantelrohr eingebrachten Werkstoffpulver unter Bildung eines Innenrohrs einen innigen Verbund eingeht, wobei der erste Werkstoff im Wesentlichen aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl besteht und der das Innenrohr bildende zweite Werkstoff ausgewählt ist aus einer Gruppe von Werkstoffen umfassend hochlegierte Stähle, hochkorrosionsfeste, hochverschleißfeste oder hochtemperaturfeste Stähle und keramische Materialien.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoffpulver auf die Innenwand des Mantelrohres aufgebracht wird, wenn sich diese noch im flüssigen oder teilflüssigen Zustand befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoffpulver unmittelbar nach dem Schleudergießen des Mantelrohres oder zeitlich versetzt danach aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Innenwand des Mantelrohres vor dem Einbringen des Werkstoffpulvers gemessen wird und das Werkstoffpulver anschließend in zeitlicher Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur auf die Innenwand des Mantelrohres aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlverhalten des Mantelrohres nach dem Schleuderguss berechnet und/oder simuliert wird und dass aus der Berechnung und/oder Simulation ein optimaler Zeitpunkt für die Einbringung des Werkstoffpulvers ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoffpulver Werkstoffe umfasst, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend rostträge martensitische oder austenitische Stähle oder Duplexstähle oder andere metallene Werkstoffe auf Nickel-, Chrom-, Kupfer-, Beryllium- oder Titanbasis.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoffpulver zwischen 5 % und 40 % an verschleißfesten Werkstoffen umfasst, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Titancarbid, Titannitrit, Bornitrid, Borcarbid und Aluminiumoxid.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur des Werkstoffpulvers zwischen 850 °C und 1530 °C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Korndurchmesser des Werkstoffpulvers zwischen 0,01 mm und 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,02 mm und 0,5 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoffpulver auf die Innenwand des Mantelrohres aufgebracht wird, während das Mantelrohr in der Gussform rotiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstoffpulver mittels eines vorzugsweise rotierenden und innerhalb des Mantelrohres in Richtung der Rohrachse verfahrbaren Sprühkopfs aufgebracht wird.
Verbundrohr, vorzugsweise hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einem Mantelrohr aus einem unlegierten oder niedriglegierten Werkstoff und einem mit dem Werkstoff des Mantelrohres innig verbunden Innenrohr aus einem korrosionsfesten und/oder verschleißfesten und/oder hochtemperaturfesten Werkstoff.