DE3523221A1 - Verfahren zum verschrauben von rohren - Google Patents
Verfahren zum verschrauben von rohrenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschrauben von
Rohren mit gasdichten Verbindungen, bei welchen die Abdich
tung durch eine metallische Berührung zwischen zwei den Ver
schraubungsgewinden benachbarten Dichtsitzflächen im Bereich
ineinandergreifender Anschlagschultern erzielt wird, wobei
zunächst die Gewinde unter Einhaltung eines vorgeschriebenen
Drehmomentenverlaufes ineinandergeschraubt werden, insbeson
dere zum Herstellen von Bohrrohrleitungen, Futter- und Steig
rohren.
Um eine Schraubverbindung zwischen zwei an ihren Enden mit
Gewinde versehenen Rohren herzustellen, ist es bekannt, eine
bestimmte Anzahl von Gewindegängen in gegenseitigen Eingriff
zu bringen und ein bestimmtes Drehmoment anzuwenden. So be
schreibt die DE-PS 28 17 910 ein Verfahren, womit dafür ge
sorgt wird, daß die Verschraubung der Gewindegänge unter Ein
haltung eines vorgegebenen Verhältnisses von Drehmoment zur
Anzahl der Drehungen erfolgt. Sobald das vorgeschriebene Ver
hältnis mit unzulässigen Abweichungen verlassen wird, sorgt
eine automatische Abschaltung für die Stillsetzung der Ver-
schraubungszangen und eine Wiederholung des Vorgangs. Die
vollständige Verschraubung der Gewindegänge führt jedoch
noch nicht zu einer genügenden Gasdichtigkeit bei nur mit
Gewinden versehenen Verbindungen. Zu diesem Zweck sind die
ineinandergreifenden Enden der Rohre neben den Gewinden mit
Dichtsitz- und Anschlagschultern versehen. Erst durch das An
einanderpressen dieser Dichtsitze wird die genügende Abdich
tung gegen Leckangen erzielt. Die dafür aufzubringenden Dreh
momente liegen wesentlich höher als die Gewindeverschrau
bungsmomente. Um die notwendige Dichtigkeit zu erreichen,
wurden von den Rohrherstellern für die verschiedenen verwen
deten Rohrtypen Verschraubungsdrehmomente vorgegeben. Diese
Werte berücksichtigen jedoch nicht den Anteil des Drehmoments
während der Verschraubung der Gewindegänge bis zum losen An
einanderliegen der Schultern und den Anteil des Drehmoments,
der der anschließenden Schultervorspannung entspricht. Dadurch
kann es in Extremfällen entweder zu einer nicht ausreichenden
Vorspannung an den Dichtsitzflächen oder zu einer Überlastung
der Schulter mit plastischer Verformung kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verschraubungs
verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, womit es
möglich ist, optimale Schultervorspannwerte während des Ver
schraubvorganges von Rohren mit Schulterverbindungen zu er
reichen und dabei eine einheitliche Spannungskontrolle des
gesamten Stranges zu sichern. Die optimalen Schultervorspann
werte können somit im sicheren Bereich, d. h. unterhalb schäd
licher Materialbelastungswerte liegen, wobei die optimalen
Schultervorspannwerte und damit die angestrebte Gasdichtheit
der Verbindung erreicht werden. Der optimale Schultervorspann
wert entspricht dem Wert, der notwendig ist, um eine Metall-
auf Metallflächenpressung zu gewährleisten, die größer als der
maximale Wert des Druckunterschiedes zwischen innen und außen
unter Berücksichtigung der maximalen Zugspannungen des
Stranges ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch folgende, nacheinan
der ablaufende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- a) die Verschraubung wird nach Überschreiten eines Bezugs drehmomentes so lange fortgesetzt, bis sich die Anschlag schultern berühren,
- b) das der Gewindeverschraubung bis zum drucklosen Schulter anschlag entsprechende Drehmoment M 1 wird gemessen,
- c) durch Addition des Drehmomentes M 1 mit einem rohr- und materialspezifischen Schultervorspannmoment M s wird das Enddrehmoment M 3 ermittelt und
- d) der Schraubvorgang eines vorgegebenen Schulterdrehmomen tenverlaufes wird unter Einhaltung zulässiger Toleranzen fortgesetzt bis die Höhe des Enddrehmomentes M 3 erreicht ist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Ver
schraubungszangen mit einem Sondersystem zur automatischen
Kontrolle der hydraulischen Leistungsaufnahme verwendet. Für
die automatische Verschraubungskontrolle im Hinblick auf die
erfindungsvariablen Werte des Enddrehmomentes, das den fe
sten Wert des Schulterdrehmomentes umfaßt, sorgt ein EDV-
gesteuertes hydraulisch-elektronisch regulierbares Steuer
ventil.
Zum Messen der Verschraubungsenergie und der Werte der
axialen Spannung und Dehnung in den Anschlagschultern der
Verbindung werden elektronische Dehnungsmeßstreifen von
hoher Genauigkeit verwendet. Die aufgezeichneten Werte
der Widerstandsänderungen bei der Dehnung werden elektro
nisch in einen Prozeß-Computer eingegeben, wo dieselben
in entsprechende Kontrollsignale beim Verschrauben umge
wandelt werden. Beispielsweise kann an einer hydraulischen
Zange mit integrierter hydraulischer Konterzange eine Zug
dose mit Dehnungsmeßstreifen zwischen Zange und Konterzan
ge fixiert werden. An einer Zange ohne integrierte hydrau
lische Konterzange befindet sich die Zugdose mit Dehnungs
meßstreifen am Konterseil.
Beim Verschrauben bzw. bei der Unterzugstellung der Zugdo
se emitiert der Dehnungsmeßstreifen ein entsprechendes Sig
nal der Widerstandsänderung. Dieses Signal wird gleichzeitig
in den Prozeß-Computer eingegeben. Durch ein spezielles Pro
gramm wird dieser Impuls in Form eines entsprechenden Sig
nals des Drehmomentes und/oder der Vorspannung gleichzeitig
zur Aufzeichnung und Kontrolle unter realen Zeitverhältnis
sen weitergegeben. Gleichzeitig wird auch die Änderung im
Dehnungsverhalten kontrolliert.
Eine automatische Bewertung und Kontrolle ist von der Aus
führungsform (Typ) der Verbindungselemente, von der Fertigung,
von operativen und/oder empirischen Kriterien oder Spezifika
tionen abhängig. Verschiedene Parameter, feste und/oder vari
able Werte sind in die Computerprogramme eingebaut und werden
für eine automatische Auswertung der Vollständigkeit und Qua
litätskontrolle der Verschraubung verwendet. Diese Werte bzw.
Signale sind wählbar und können wie folgt sein:
- 1. Variable maximale und minimale Grenzwerte für das Gewinde- Drehmoment,
- 2. feste Werte für die Schultervorspannung bzw. entsprechende
Schulterdrehmomente mit
- a) einem Minimalwert für eine notwendige Metall- auf Metall dichtsitz-Flächenpressung,
- b) einem Maximalwert, der der Mindestgrenze des Vorspannens und der betrieblichen Sicherheitsgrenze entspricht,
- c) die für jede beliebige Operation notwendigen spezifischen Werte, welche sich zwischen den minimalen und maximalen Vorspannwerten befinden,
- 3. der Wert, der der maximalen elastischen Deformation ε 0,2 bis ε 0,5 (0,2-0,5%) entspricht.
In dem Moment, in dem das Dehnungsmeßstreifen-Kontrollsignal
einen der festen und/oder variablen vorgenannten Werte im
Hinblick auf die Programm- und Kontrollkriterien erreicht,
emitiert der Computer ein Befehlssignal, um die hydraulische
Leistungsaufnahme der Zange zu unterbrechen. Dieses Signal
ist ein elektronischer Impuls und schließt automatisch durch
einen Elektromagneten das regulierbare Kontrollventil ab.
Gleichzeitig wird automatisch die Bewertung der Verschrau
bungsqualität der Verbindung durchgeführt und als Graphik
auf der Grundlage der akzeptierten Werte des Vorspannens
des Drehmomentes und der Deformation dargestellt. Die Sym
bole "GUT" oder "SCHLECHT" werden automatisch ausgedruckt.
Das elektronische Datenverarbeitungssystem (Hardware und
Software) ist so zusammengestellt, daß es auch im Falle
einer mangelhaften Verschraubungsverbindung bzw. beim Unter-
oder Überschreiten der notwendigen Werte des Drehmomentes und/
oder der Vorspannung ein Kontrollsignal (Befehlssignal) ab
gibt, um eine sofortige Unterbrechung der hydraulischen Lei
stungsaufnahme zu sichern. Es verhält sich damit ebenso wie
bei einer guten Verbindung, wenn nach Abschluß eines Ver
schraubungsvorganges die vorgesehenen Bedingungen des Drehmo
mentes und der Vorspannung erfüllt sind.
Das Hardware-Kontrollgerät umfaßt eine Dehnungsmeßstreifen-
Zugdose, den Haupt-Computer und einen elektronischen Magnet
teil des regulierbaren Unterbrechungsventils, der die hydrau
lische Leistungsaufnahme mit Hilfe eines elektronischen Sig
nals vollkommen unterbricht. Als Standardtyp des Computers
wird ein Gerät mit einer Minimalkapazität 16k byte und 50 CPS
mit Bildschirm und Schreiber (Printer) für Aufzeichnung,
Verarbeitung, Registrierung und Kontrolle des Vorspannpro
zesses der Schulterverbindungen verwendet.
Als Software wird ein spezielles Programm zur Aufnahme des
Verschraubungsprozesses als Ergebnis der Widerstandsänderung
des Dehnungsmeßstreifens und der festen und variablen Daten
im Zusammenhang mit den Eigenschaften der Verbindungen verwen
det. Diese Programme ermöglichen gleichzeitig eine automati
sche Computer-Kontrolle des Drehmomentes, der Schultervor
spannung und der Deformation während des Verschraubungsvor
ganges der Schulterverbindungen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schultervor
spannung innerhalb der Verbindung gemessen, um die Vollstän
digkeit der Verbindung zu sichern. Dieses System ist einem
Messen des gesamten Drehmomentes als Grundparameter überlegen.
Der Bereich der Druckvorspannung in den Verbindungsschultern
mit einem zumindest notwendigen Wert wird vorgewählt und auto
matisch angewandt. Dadurch können alle Verbindungen der ge
samten Rohrstränge einheitlich auf den vorgegebenen Wert vor
gespannt werden. Hierdurch wird eine optimale Anwendung des
Vorspannprinzipes in den Schulterbereichen der Verbindungen
erreicht und das Dichtungsprinzip der Metall auf Metall-Ver
bindung optimiert. Während der Verschraubung ist eine unmit
telbare Kontrolle des Materialverhaltens innerhalb der Ver
bindung im elastischen/plastischen Deformationsbereich mög
lich. Alle Verbindungen der Rohrstränge, deren Schultern
einheitlich und optimal vorgespannt sind, ermöglichen eine
bessere Kontrolle der gesamten Spannung während des Produk
tionsprozesses und des Ein- und Ausbaues des Stranges. Durch
das Verschrauben der Verbindungen mit den minimal notwendi
gen Schultervorspannungen wird die operative Aufnahmefähig
keit des ganzen Förderstranges für zusätzliche Druckspannun
gen der Verbindungen während der weiteren Produktion erwei
tert, was besonders wichtig und vorteilhaft ist, um Spannungs
korrosion bei Einsatz von Rohrmaterialien aus hochlegierten
Stählen weiter zu reduzieren. Ein weiterer großer Vorteil ist
die Vermeidung nachteiliger Einflüsse durch Produktions- und
Betriebstoleranzen infolge direkter Kontrolle des Zapfen/Muf
fen-Gewindeeingriffs. Durch Einsatz dieser Methode wird auch
der Einfluß verschiedener Reibungskoeffizienten unterschied
licher Schmiermittel und deren Reibungseffekte mit verschie
denen Teilen der Verbindungen (Gewinde, Stoß, Metall auf
Metall-Berührung) unter Kontrolle gebracht. Der größte wirt
schaftliche Vorteil ist durch die größere Lebensdauer und die
Wiederverwendung der Verbindungen gegeben, da die Anwendung
des minimalen rohr- und materialspezifischen Vorspannmomentes
MS das Material schont und eine vermehrte Verwendung des Rohr
materials sichert.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung sche
matisch dargestellt und nachstehend erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1-3 verschiedene Verbindungsausführungen mit Schulter
anschlägen und Metall- auf Metalldichtsitzen sowie
deren Drehmomentverläufe bis zur Herstellung einer
vollständig verschraubten Verbindung graphisch auf
gezeichnet,
Fig. 4 eine Übersichtsskizze über eine hydraulische Ver
schraubungszange mit zur Durchführung des erfin
dungsgemäßen Verfahrens vorgesehenen Einrichtungen.
Der Punkt 1 entspricht dem Wert des endgültigen Gewindedreh
momentes sowie des ersten Zapfen/Muffen-Schulterkontaktes
mit der Spannung Null. In diesem Moment liegen also die Schul
tern lose aneinander, ohne einen Druck aufeinander auszuüben.
Der Punkt 3 entspricht dem minimal notwendigen Wert der axia
len Schulterdruckvorspannung, die jeweils vom Punkt 1 nach
oben aufgetragen wird, also einer Addition zum Wert des Punk
tes 1 entspricht. Der Punkt 4 entspricht dem festen Endwert
des Verschraubmomentes nach heutiger Technik. Dadurch kann es
zu einer ungenügenden Vorspannung der Anschlagschulter, d. h.
zu einer ungenügenden Metalldichtsitzflächenpressung oder zu
einer zu hohen Spannung mit Materialschädigung kommen, wie
dies insbesondere in Fig. 1 mit den Verlaufsbeispielen II
und III veranschaulicht wird. Der Endwert berücksichtigt nicht
die unterschiedliche Aufteilung und den Bedarf der Verschrau
bungsenergie auf bzw. für den Gewindeanteil (Punkt 1) und den
Anschlagschulteranteil (Punkt 3). Werden dagegen nach dem er
findungsgemäßen Verfahren die Schultervorspannwerte entspre
chend einem vorgegebenen rohr- und materialspezifischen Dreh
moment berücksichtigt, so erhalten alle Schulterverbindungen
bei den Ausführungsbeispielen I bis III gleiche Vorspannwerte
(Differenzen zwischen den Punkten 1 und 3). Das Beispiel des
Kurvenverlaufs IV zeigt dagegen, daß bei einem Verfahren nach
dem Stand der Technik eine unnötig hohe Spannung (Punkt 4)
in der Nähe der Mindeststreckengrenze erreicht wird. Hierdurch
wird die Einsatzfähigkeit und die Einsatzdauer der Verbindung
bzw. des gesamten Rohrstranges unter Dauerbeanspruchung durch
zusätzliche Lasten im Komplettierungs- und Produktionszustand
reduziert, was auch zu einem Bruch in den Verbindungen führen
kann.
In den Fig. 2 und 3 sind andere Formen von gasdichten
Schulterverbindungen dargestellt, wobei jedoch auch hier
erkennbar ist, daß für diese Ausbildungen das erfindungs
gemäße Verfahren Anwendung finden kann. Der Kurvenverlauf
der Fig. 2 zeigt einen zusätzlichen Punkt 2, der nicht un
mittelbar mit Punkt 1 zusammenfällt, sondern den Beginn der
direkten Anlage für den axialen Metalldichtsitz anzeigt.
Der Bereich zwischen den Punkten 1 und 2 zeigt also den di
rekten Energieanteil des axial gerichteten Metall auf Me
tall-Dichtsitzes. In den Fig. 1a bis 1d sind die ein
zelnen graphischen Darstellungen der Fig. 1 zur besseren
Übersicht im einzelnen dargestellt.
Die hydraulische Kraftzange 10 mit zugehöriger hydraulischer
Konterzange ist mit einem Druckunterbrechungsventil 12, einer
Steuerdruckanzeige 13 und einer Lastdose mit Dehnungsmeß
streifen 16 ausgerüstet. Die Verbindungsleitungen für die Hy
draulikflüssigkeit sind mit 14 a (Vorlauf) und 14 b (Rückführ
leitung) bezeichnet. Von dem Druckunterbrechungsventil 12
und der Lastdose 16 mit dem Dehnungsmeßstreifen führen elek
trische Verbindungsleitungen zu einem Prozeßcomputer 18, der
mit einem Bildschirm 19 mit X-Y-Auswerter und einem Drucker 20
ausgerüstet ist.
Claims (6)
1. Verfahren zum Verschrauben von Rohren mit gasdichten
Verbindungen, bei welchen die Abdichtung durch eine metal
lische Berührung zwischen zwei den Verschraubungsgewinden
benachbarten Dichtsitzflächen im Bereich ineinandergreifen
der Anschlagschultern erzielt wird, wobei zunächst die Ge
winde unter Einhaltung eines vorgeschriebenen Drehmomentenver
laufes ineinandergeschraubt werden, insbesondere zum Herstel
len von Bohrrohrleitungen, Futter- und Steigrohren, dadurch
gekennzeichnet, daß
- a) die Verschraubung nach Überschreiten eines Bezugsdrehmo mentes so lange fortgesetzt wird, bis sich die Anschlag schultern berühren,
- b) das der Gewindeverschraubung bis zum drucklosen Schulter anschlag entsprechende Drehmoment (M 1) gemessen wird,
- c) durch Addition des Drehmomentes (M 1) mit einem Rohr- und materialspezifischen Schultervorspannwert (M s ) das End drehmoment (M 3) ermittelt und
- d) der Schraubvorgang eines vorgegebenen Schulterdrehmomenten verlaufes unter Einhaltung zulässiger Toleranzen fortge setzt wird, bis die Höhe des Enddrehmomentes (M 3) erreicht ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Schultervorspannmoment (M s ) einem minimalen Schultervor
spannwert (S s ) entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der minimale Schultervorspannwert (S s) einen für den jewei
ligen Anwendungsfall optimalen Wert hat.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Prozeß-Computer ein elektronisch gesteuertes hydrau
lisches Antriebssystem unterbricht, sobald die Spannungs-/
Dehnungswerte und die Drehmomentwerte ihre jeweils vorgege
benen optimalen Werte erreichen oder vorgegebenen Grenzwerte
über- bzw. unterschreiten.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 unter Verwendung einer
hydraulischen Kraftzange mit integrierter hydraulischer Kon
terzange, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zugdose (16) mit
Dehnungsmeßstreifen zwischen der Kraftzange und der Konter
zange angeordnet und mit einem Prozeß-Computer (18) elektrisch
verbunden ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
über den Prozeß-Computer eine Druck-Unterbrechungsventilan
ordnung zur Unterbrechung der Zufuhr der Hydraulikflüssigkeit
zum Hydraulikmotor steuerbar ist.
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