DE3140936C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zum Innen­ härten eines doppellagigen Stahlrohrs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und richtet sich andererseits auf eine Vorrichtung zum Innenhärten eines doppellagigen Stahlrohrs gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 4.

Doppellagige Stahlrohre werden für die hydraulische För­ derung von Feststoffen eingesetzt. Diese Transportart verlangt in Verbindung mit den Einsatzbedingungen der Stahlrohre sowie den Beanspruchungen, welche die Stahlrohre vom Herstellerwerk bis zum Verlegeort ausgesetzt sind, spezielle Fertigungsmethoden. Einerseits ist auf der Innenseite ein großer Verschleißwider­ stand erforderlich, während andererseits außenseitig ein elasti­ scher Mantel erwünscht ist. Dabei kommt dem innenseitigen Ver­ schleißwiderstand eine besondere Bedeutung zu. Er wird durch Härten erzielt.

Zu diesem Zweck wird eine Wärmequelle in Form eines schmalen scheibenartigen Gasbrenners durch das Stahlrohr ge­ führt, dem in geeignetem Abstand eine Ringbrause folgt. Die Er­ wärmung der Innenlage auf eine Temperatur geringfügig über den Austenitisierungspunkt AC ₃ im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ge­ schieht im wesentlichen - bis auf die Vorwärmung durch ver­ brannte Abgase - nur durch die aus dem Scheibenbrenner mit ver­ gleichsweise hoher Intensität auf einen kleinen Oberflächenbe­ reich auftreffenden Gasflammen. Die Kühlung des Stahlrohrs wird durch die ringförmige Wasserbrause bewirkt. Deren Strahlen tref­ fen in einem vorbestimmten Abstand hinter der Erwärmzone auf die Innenlage. Folglich strahlt das Stahlrohr innerhalb dieses Übergangsbereichs Wärme sowohl nach innen als auch nach außen ab. Aufgrund dessen muß die Ringbrause diese Abstrahlzone so schnell überfahren und oberhalb der kritischen Abkühlgeschwindigkeit ab­ kühlen, daß die Rohrtemperatur den AC ₃-Punkt nicht langsam überschreitet. Mithin muß im schmalen Auftreffbereich des Gas­ brenners die Erwärmung der Innenlage bei derselben Vorschubge­ schwindigkeit geschehen.

Des weiteren ist nicht zu vermeiden, daß doppellagige Stahlrohre, insbesondere in den Endabschnitten, jedoch auch im Mittelteil mehr oder weniger große Luftspalte zwischen den beiden Rohrlagen aufweisen. Die Rohrlagen liegen hier also nicht satt aneinander. Die Luftspalte bilden mithin eine Trennschicht zwischen den Lagen und verhindern das ungehinderte Abfließen der in die Innenlage eingebrachten Wärmeenergie in die Außen­ lage. So besteht die Möglichkeit, daß im Bereich unterhalb der­ artiger Luftspalte die Innenlage merklich über den AC ₃-Punkt hinaus erwärmt wird, wohingegen in den Rohrbereichen, wo die Innenlage satt an der Außenlage anliegt, die Temperatur ledig­ lich in dem gewünschten Umfang den AC ₃-Punkt geringfügig über­ schreitet. Die Folge hiervon sind Risse in der Innenlage des Stahlrohrs, insbesondere am Anfang und Ende, eine ungleichmäßige Verteilung des Grobkorn-Feinkorngefüges verbunden mit einer unregelmäßigen Härte sowie nicht aneinanderliegende Rohrlagen.

Problematisch ist ferner die Erwärmung von doppellagigen Stahlrohren mit einer dickwandigen Innenlage bei Anwendung des bekannten Scheibenbrenners. Da die Energie nur über einen recht kleinen Oberflächenbereich in die Innenlage eingebracht wird, wäre der Zeitbedarf für eine solch gleichmäßige Erwärmung der Innenlage relativ hoch, daß die Wärmeenergie auch noch gleichmäßig in die Außenlage übertreten könnte. Da jedoch eine Mindestvorschubgeschwindigkeit des Scheibenbrenners nicht unterschritten werden kann, ist es in diesen Fällen erforder­ lich, die Energiekonzentration an dem zu erwärmenden Ober­ flächenbereich so hoch zu wählen, daß zwar die gesamte Innen­ lage über den AC ₃-Punkt erwärmt wird, dann aber ein Teil der Oberfläche der Innenlage verbrennt oder aber man nimmt bewußt in Kauf, daß die Innenlage nicht über ihre gesamte Dicke über den AC ₃-Punkt hinaus erwärmt wird.

Schließlich besteht im bekannten Fall noch ein Nachteil darin, daß beim Härten von doppellagigen Stahlrohren mit vorab angeschweißten endseitigen Radialflanschen im Bereich dieser Radialflansche die Energieableitung von der Innenlage über die Außenlage und in die Radialflansche ungleichmäßig ist. Da über die Flanschkehlnähte eine wesentlich bessere Energie­ ableitung erfolgt, werden mithin die Bereiche der Innenlage unter den Radialflanschen nur ungenügend durchgewärmt, d. h. der AC ₃-Punkt wird nicht erreicht. Damit ist nur eine teil­ weise Härte vorhanden.

Im Umfang der DE-OS 29 05 071 ist es bekannt, ein längsge­ schlitztes Futterrohr unter Anwendung einer Preßkraft in ein Mantelrohr einzubringen. Nach dem Einpressen in das Mantel­ rohr wird das Futterrohr flammgehärtet. Aufgrund der Wahl des Schrumpfmaßes der Breite des Längsschlitzes des Futter­ rohrs und der Flammhärt-Bedingungen infolge der Feinkorn- Gefügeausbildung wird in der zylinderförmigen Oberflächen- Härtezone im Futterrohr in radialer Richtung eine Streck­ wirkung in der Weise hervorgerufen, daß der Längsschlitz völlig geschlossen wird.

Die DE-AS 25 29 518 beschreibt ein Verfahren zur Großrohr­ vergütung, insbesondere dickwandiger Rohre, mit einer Er­ wärmung der Rohre auf Austenitisierungstemperatur und nach­ folgender Abschreckung. Hierbei werden die Rohre zunächst mit Hilfe eines Ringbrenners im Gegestrom durch Flammener­ wärmung bis etwa auf Curie-Temperatur gebracht. Hinter dem Ringbrenner ist eine induktive Heizeinrichtung angeordnet, an die sich ein Spritzring unmittelbar anschließt.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Innenhärten eines doppel­ lagigen Stahlrohrs zu schaffen, welche eine gleichmäßige Erwärmung der Innenlage über die gesamte Rohrlänge gewähr­ leisten, so daß eine einwandfreie Härtung erzielbar und da­ durch die Standzeit des Stahlrohrs wesentlich verlängert wird.

Was die Lösung des verfahrensmäßigen Teils dieser Auf­ gabe anlangt, so besteht diese nach der Erfindung in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Danach wird nunmehr jeder Oberflächenbereich der Innen­ lage genügend lange, aber mit einer geringeren Intensität dem Einfluß einer Wärmequelle ausgesetzt. Dies hat zur Folge, daß sich die Innenlage aufgrund der Wärmedehnung auch dort satt an die Außenlage anschmiegt, wo fertigungsbedingte Luftspalte vor­ handen sind. Dies wiederum führt zu einem gleichmäßigeren Energieübertritt von der Innenlage in die Außenlage, so daß nach dem Abschrecken eine gleichmäßige Härte bei Rißfreiheit über die gesamte Länge des Stahlrohrs vorhanden ist. Dabei kann durch freie Wahl des Zeitraums zwischen dem Beginn und dem Ende der Erwärmung gezielt dafür Sorge getragen werden, daß auch dickere Innenlagen gleichmäßig durchgewärmt werden, ohne daß die innere Oberfläche verbrennt.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß der Zeitraum vom Be­ ginn der Erwärmung eines Oberflächenbereichs bis zum Ende seiner Erwärmung etwa doppelt so groß wie der zeitliche Abstand zwischen dem Ende der Erwärmung und dem Beginn der Kühlung be­ messen wird. Dieser Verfahrensschritt dürfte in der überwiegen­ den Mehrzahl der Anwendungsfälle die gewünschten Ergebnisse bringen. Dabei läßt es der Grundgedanke der Erfindung jedoch ohne weiteres zu, bei Bedarf auch eine abweichende Relation zu wählen, um sich an die jeweiligen Gegebenheiten in dem erforder­ lichen Umfang anpassen zu können.

Besonders vorteilhaft ist es beim erfindungsgemäßen Ver­ fahren, daß die Stahlrohre gehärtet werden, bevor endseitig die Radialflansche angesetzt sind. Hierdurch ist ein Verfahrens­ schritt möglich, gemäß welchem nach dem Härten der Innenlage die Endabschnitte des Stahlrohrs unter gleichzeitiger Kühlung abgetrennt und anschließend unter Kühlung der Innenlage die Radialflansche angeschweißt werden. Auf diese Weise werden evtl. geringfügige Ovalitäten an den Rohrenden beseitigt. Eine Beeinträchtigung der Härte der Innenlage ist nicht zu be­ fürchten, da diese gekühlt wird und die Schweißwärme keine Aus­ wirkungen auf den Härtegrad hat. Zur Trennung wird vor­ zugsweise ein Plasmabrenner oder ein Laserstrahl verwendet.

Bezüglich des sich auf die Vorrichtung beziehenden Teils der Aufgabe besteht die erfindungsgemäße Lösung in den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 4.

Die Innenlage wird also jetzt mit Hilfe langer Brenner­ leisten erwärmt. Die aus diesen Brennerleisten austretenden Brennstrahlen haben dabei eine geringere Intensität im Ver­ gleich zu den bislang verwendeten schmalen Scheibenbrennern und erlauben dadurch eine langsame sowie gleichmäßige Durchwär­ mung der Innenlage. Die Anzahl der Brennerleisten ist von der Größe des Stahlrohrs abhängig. Es können beispielsweise vier um jeweils 90° in Umfangsrichtung zueinander versetzte Brennerlei­ sten vorgesehen sein.

Vorteilhaft ist es nach der Erfindung, daß die Brenner­ leisten frei vorkragend an einer Ringbrause befestigt sind. Die Ringbrause bildet damit zugleich den Tragkörper für die Brennerleisten. Zusätzliche Einbauten werden vermieden.

Eine weitere Verbesserung kann insbesondere dann ge­ währleistet werden, wenn nach der Erfindung die aus den Brennerleisten austretenden Brennstrahlen in Vorschubrichtung und die aus der Ringbrause austretenden Wasserstrahlen nach rückwärts geneigt sind. Dabei ist zweckmäßig der Neigungswinkel der Brennstrahlen gegenüber der Rohrlängsachse größer als der Neigungswinkel der Wasserstrahlen bemessen.

Schließlich wird es noch als ein vorteilhaftes Merkmal angesehen, daß die Brennerleisten radial verstellbar sind. Hierdurch können mit ein und derselben Härtevorrichtung Stahl­ rohre verschiedener Durchmesser bearbeitet werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein doppellagiges Stahlrohr im vertikalen Längs­ schnitt während des Härtevorgangs;

Fig. 2 einen vertikalen Querschnitt durch das Stahl­ rohr der Fig. 1 gemäß der Linie II-II und

Fig. 3 in vergrößerter Darstellung den Ausschnitt III der Fig. 1.

In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 ein doppellagiges Stahl­ rohr bezeichnet, das als Bestandteil eines Rohrleitungsstrangs der hydraulischen Förderung von Feststoffen dient.

Wie bei gemeinsamer Betrachtung der Fig. 1 bis 3 zu er­ kennen ist, besteht das Stahlrohr 1 aus einer Innenlage 2 und einer im Vergleich dazu dünnwandigeren Außenlage 3. Endseitig des Stahlrohrs 1 werden (s. Fig. 1) nach dem Härten Radial­ flansche 4 angeschweißt, welche der Verbindung von im Rohrlei­ tungsstrang aufeinanderfolgenden Stahlrohren 1 dienen.

Zur Härtung der Innenlage 2 dienen beim Ausführungsbei­ spiel vier lange Brennerleisten 5, die sich in Längsrichtung des Stahlrohrs 1 erstrecken und um 90° zueinander in Umfangs­ richtung versetzt sind. Die Brennerleisten 5 sind an einer Ring­ brause 6 frei vorkragend befestigt. Die Halterung für die Ring­ brause 6 und damit auch für die Brennerleisten 5 ist zur Auf­ rechterhaltung der Zeichnungsübersichtlichkeit nicht näher dar­ gestellt. Ebenfalls nicht näher dargestellt ist die Vorrichtung, mit deren Hilfe das Stahlrohr 1 relativ zu den Brennerleisten 5 und zu der Ringbrause 6 gemäß den Pfeilen R in Rotation ver­ setzt wird.

Die Zuführungsleitungen für das Gas zu den Brenner­ leisten 5 und das Wasser zu der Ringbrause 6 sind mit 7 be­ zeichnet.

Insbesondere die Fig. 3 zeigt mit der notwendigen Deut­ lichkeit, daß die aus den Brennerleisten 5 austretenden Brenn­ strahlen 8 in Vorschubrichtung V der Härtevorrichtung 9 und die aus der Ringbrause 6 austretenden Wasserstrahlen 10 nach rück­ wärts geneigt sind. Dabei ist der Neigungswinkel der Brenn­ strahlen 8 gegenüber der Rohrlängsachse 11 größer als der Nei­ gungswinkel der Wasserstrahlen 10 bemessen.

Beim Hindurchführen der Härtevorrichtung 9 durch das rotierende Stahlrohr 1 wird jeder Oberflächenbereich der Innen­ lage 2 langsam und gleichmäßig durch die Brennstrahlen 8 auf eine Temperatur geringfügig oberhalb des AC ₃-Punkts des Eisen- Kohlenstoff-Diagramms erwärmt. Dabei ist in der Fig. 3 durch die strichpunktierte Linienführung 12 veranschaulicht, wie die Temperaturumwandlung der Innenlage 2 von einem Bereich 13 unterhalb des AC ₃-Punkts auf einen Bereich 14 oberhalb des AC ₃- Punkts erfolgt. Durch dieses langsame Durchwärmen der Innenlage 2 ist sichergestellt, daß sich die Innenlage 2 überall auf­ grund der Wärmedehnung an die Außenlage 3 anschmiegt und damit eine gleichmäßige Überführung der Wärmeenergie auch in die Außenlage 3 sichergestellt ist.

Die durch die Länge der Brennerleisten 5 vorgegebene Erwärmungszone EZ (s. Fig. 3) ist etwa doppelt so lang wie der Abstand A der Brennstrahlen 8 von dem Beginn der Kühlung bemes­ sen ist. Durch die strichpunktierte Linienführung 15 ist die Grenze des gehärteten Innenlagenbereichs 16 veranschaulicht.

Claims (8)

1. Verfahren zum Innenhärten eines doppellagigen Stahlrohrs, bei welchem die Innenlage des in Rotation versetzten Stahl­ rohrs an einem Rohrende beginnend und dann in Längsrichtung gleichmäßig fortschreitend zunächst auf eine Temperatur oberhalb des AC ₃-Punkts im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm er­ wärmt und anschließend im räumlichen sowie zeitlichen Ab­ stand zur Wärmequelle innerhalb eines kurzen Zeitraums mit einer den AC ₃-Punkt schnell überschreitenden, oberhalb der kritischen Abkühlgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Oberflächenbereich der Innenlage (2) während einer Zeitspanne einer Wärmeeinwirkung ausgesetzt wird, die we­ sentlich größer als der zeitliche Abstand zwischen dem Ende der Erwärmung und dem Beginn der Kühlung sowie derart be­ messen ist, daß sich die Innenlage (2) durch die Wärmeaus­ dehnung vor dem Einsetzen der Kühlung an die Außenlage (3) luftspaltfrei anschmiegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zeitraum vom Beginn der Erwärmung eines Oberflächenbereichs bis zum Ende seiner Erwärmung etwa doppelt so groß wie der zeitliche Abstand zwischen dem Ende der Erwärmung und dem Beginn der Kühlung bemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in der Anwendung auf ein doppellagiges Stahlrohr mit endseitigen Radialflanschen, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Härten der Innenlage (2) die Endabschnitte des Stahlrohrs (1) unter gleichzeitiger Kühlung abgetrennt und anschließend unter Kühlung der Innenlage (2) die Radialflansche (4) an­ geschweißt werden.

4. Vorrichtung zum Innenhärten eines doppellagigen Stahl­ rohrs, welche aus einer in Längsrichtung des um seine Längs­ achse drehfähig eingespannten Stahlrohrs verlagerbaren Wär­ mequelle und aus einer der Wärmequelle nachgeführten Kühl­ einheit besteht, insbesondere zur Durchführung des Verfah­ rens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wärmequelle aus mehreren, umfangsseitig zueinander versetzten, sich in Längsrichtung des Stahlrohrs (1) erstreckenden Brennerleisten (5) besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Brennerleisten (5) frei vorkragend an einer Ringbrause (6) befestigt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die aus den Brennerleisten (5) austretenden Brennstrahlen (8) in Vorschubrichtung (V) und die aus der Ringbrause (6) austretenden Wasserstrahlen (10) nach rückwärts geneigt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Neigungswinkel der Brennstrahlen (8) gegenüber der Rohrlängsachse (11) größer als der Nei­ gungswinkel der Wasserstrahlen (10) bemessen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerleisten (5) radial verstellbar sind.