DE60313329T2

DE60313329T2 - Schmiedeschweissverfahren

Info

Publication number: DE60313329T2
Application number: DE60313329T
Authority: DE
Inventors: Johannis Josephus Den Boer; Anthony Thomas Cole; Klisthenis Brunei Shell DIMITRIADIS; Björn HALMRAST; Per Harald Moe; Kjell Magne Rabben; Djurre Hans Zijsling
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: EA006407B1; DK1534466T3; ATE359893T1; UA80556C2; NO331701B1; EP1534466B1; AU2003250093A1; AU2003250093B2; EA200500214A1; WO2004007139A1; US20080237308A1; DE60313329D1; CA2492745C; US20050236372A1; CN100402222C; NO20050823L; EP1534466A1; CN1668416A; CA2492745A1; WO2004007139A9

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden von Rohrenden durch Schmiedeschweißen.
Schmiedeschweißen umfaßt die Umfangserhitzung der Rohrenden, die zu verbinden sind, und das nachfolgende Aneinanderpressen der Rohrenden, um eine metallurgische Bindung zu bilden.
Eine große Vielzahl von Erhitzungstechnologien kann angewendet werden, um die Rohrenden heiß genug zu machen, damit sie eine metallurgische Bindung eingehen können. Die Erhitzungstechniken können elektrische, elektromagnetische, Induktions-, Infrarot-, Funken- und/oder Reib-Erhitzungstechniken oder Kombinationen dieser oder anderer Erhitzungsmethoden umfassen.
Es ist aus den US-Patenten 4,566,625 , 4,736,084 , 4,669,650 und 5,721,413 , erteilt an Per H. Moe, bekannt, daß es günstig sein kann, die Rohrenden unmittelbar vor und während des Schmiedeschweißvorganges mit einem reduzierenden Spülgas, wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, zu spülen, um jegliche Sauerstoffhaut von den erhitzten Rohrenden zu entfernen und eine metallurgische Bindung mit einem Mindestmaß an Unregelmäßigkeiten zu erzielen. Es ist auch aus den US-Patenten 2,719,207 und 4,728,760 bekannt, zum Flachschweißen und Induktionsstirnschweißen nichtexplosive Gemische zu verwenden, die etwa 95 Vol.-% eines im wesentlichen inerten Gases, wie Argon, Stickstoff und/oder Helium, und etwa 5 Vol.-% eines reduzierenden Gases umfassen, wie Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid.
Experimente haben gezeigt, daß Schmiedeschweißtechniken befähigt sind, eine hohe Qualität der metallurgischen Bindung zwischen den Rohrenden zu erzeugen, insbesondere, wenn die Rohrenden während des Erhitzens und/oder der Schweißvorgänge mit einem reduzierenden Spülgasgemisch gespült werden, daß aber die rotglühenden Rohrenden im allgemeinen deformiert werden, so daß im Bereich der Schweißzone Stauchungen gebildet werden.
Für viele Anwendungen ist es erforderlich, diese Stauchungen nach dem Schweißvorgang zu entfernen, was Schleif- und/oder Abarbeitsvorgänge erfordert, die an vielen Stellen, wo Rohrenden miteinander verschweißt werden, schwierig und kostspielig durchzuführen sind, wie auf Ölbohrtürmen, Rohrverlegeschiffen und vielen Offshore- und Onshore-Stellen, wo Untergrund- oder Übergrund-Rohrleitungen installiert werden müssen.
Das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus dem US-Patent 4,669,650 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren werden die Rohrenden zu einer einwärts geneigten Konfiguration verformt. Das japanische Patent JP 03-243286 offenbart ebenfalls ein Schmiedeschweißverfahren, bei welchem die Rohrenden eine einwärts geneigte Konfiguration haben. Das Patent GB 793402 offenbart ein Schmiedeschweißverfahren, bei welchem die verschweißten Rohrenden komplementäre konkave und konvexe Gestalt haben.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Schmiedeschweißen von Rohrenden zu schaffen, bei welchem die Bildung von Stauchungen in der Schweißzone minimiert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt die Merkmale des Anspruchs 1.
Zusätzlich kann der Teil jedes Rohres, das zu schmieden ist, im Querschnitt reduziert werden, derart, daß die Deformation während des Schmiedens das Rohr in eine Dimension rückstellt, die im wesentlichen gleich seiner ursprüngliche Dicke ist.
Die genauen Winkel und Dimensionen der Endvorbereitung hängen von den zu verbindenden Materialien und ihren Dehnungskoeffizienten, ihrer Wanddicke, dem Rohrdurchmesser, dem Ausmaß der für die Schweißung erforderlichen Hitze, der Breite der Schweißzone und der erwünschten Schmiedelänge ab. Typische Werte sind in der Tabelle 1 für Kohlenstoffstahlrohre mit einer Wandstärke von etwa 4 mm und einem Durchmesser von 70 mm angegeben.
Der Neigungswinkel der inneren und/oder äußeren Wände der rohrförmigen Enden kann derart gewählt werden, daß das Verhältnis zwischen dem durchschnittlichen Durchmesser D(t) der Spitze des Rohrendes und dem durchschnittlichen Durchmesser D(b) der Basis des Rohrendes auf eine angenommene Temperaturdifferenz zwischen der Spitze und der Basis des Rohrendes während des Schmiedeschweißvorganges und einem Wärmedehnungskoeffizienten der Stahlqualitäten des Rohrendes bezogen wird.
Für viele Schmiedeschweißvorgänge kann das Verhältnis D(t)/D(b) zwischen 0,8 und 0,99 gewählt werden.
Um die Oberfläche der schmiedegeschweißen Rohrenden zu erhöhen und gleichzeitig zur Ausrichtung der Rohrenden beizutragen, kann die Endfläche eines der rohrförmigen Enden, die zu verschweißen sind, im wesentlichen eine konvexe Gestalt haben, und die Endfläche des anderen rohrförmigen Endes eine im wesentliche konkave Geestalt haben.
Die schmiedegeschweißten Rohre können Stahlrohre niedriger Qualität sein und eine Stahlauskleidung höherer Qualität auf der Innen- und/oder Außenfläche des Basisrohres aufweisen. In einem solchen Fall ist es bevorzugt, daß beim Gegeneinanderpressen der Rohrenden die Endflächen der Auskleidungen einander zuerst berühren, wogegen die Endflächen der Basisrohrenden einander erst nachfolgend berühren. Es wird auch bevorzugt, daß jegliches nicht-oxidierendes oder reduzierendes Spülgas von der der Auskleidungsschicht gegenüberliegenden Seite der Rohrwand eingebracht wird.
Es versteht sich, daß das einwärts geneigte Rohrende eine große Vielfalt von Gestalten haben kann, und daß eine Einwärtsablenkung durch iterative Kalkulation und/oder Experimente bestimmt werden kann, um das Ausmaß der Stauchung der geschweißten Rohrenden zu beurteilen, um dieses auf ein Minimum zu reduzieren.
Im Gebrauch wird die Menge an Material an den Rohrenden, die durch das Schmieden deformiert wird, genau kontrolliert, um die Stauchung weiter zu minimieren.
Es sei bemerkt, daß das US-Patent 4,669,650 einen Schmiedeschweißvorgang offenbart, bei dem die Außenwände der rohrförmigen Enden auf eine größere Tiefe als die Innenwände der rohrförmigen Enden abgearbeitet werden. Die bekannte Ausführung ist jedoch nicht so konfiguriert, daß die erhitzten rohrförmigen Enden während des Schmiedeschweißvorganges im wesentlichen zylindrisch bleiben.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 ein Paar von konkaven und konvexen Rohrenden, die durch ein Schmiedeschweißverfahren gemäß der Erefindung miteinander verbunden wurden;
1, wie die konkaven und konvexen Rohrenden unter einem Einwärts-Neigungswinkel X einwärts orientiert sind, der derart gewählt wird, daß die erhitzten konkaven und konvexen Rohrenden im wesentlichen Längsorientierung haben;
3 eine Längsschnittansicht eines Paares von ausgekleideten rohrförmigen Enden, unmittelbar bevor sie durch ein Schmiedeschweißverfahren gemäß der Erfindung verbunden werden;
4a eine Längsschnittansicht eines Paares von an der Innenseite ausgekleideten rohrförmigen Enden, bei denen ein rohförmiges Ende konkav und das andere rohrförmige Ende konvex ist,
4b eine Längsschnittansicht eines Paares von an der Außenseite ausgekleideten rohrförmigen Enden, bei denen ein rohförmiges Ende konvex und das andere rohrförmige Ende konkav ist; und
5 eine Längsschnittansicht eines Endes eines ausgekleideten Rohres, bei welchem die Dicke der Auskleidungsschicht am Ende des Rohres erhöht ist.
In 1 ist ein Paar von erhitzten, axial ausgerichteten Rohrenden gezeigt, und in 2 sind die nicht-erhitzten Enden gezeigt, wobei X der Einwärts-Neigungswinkel, 1 das Rohr mit der ursprünglichen Wandstärke, 2 die Mindestschmiedelänge, die zur Ausführung der Schweißung erforderlich ist, 3, 5, 6 typische Radien des konvexen Rohrendes 9, 4 eine erste Kontaktschulter, 7 ein Rohrende mit reduzierter Wandstärke, 8 die Rohrmittellinie und 10 das konkave Rohrende sind. Die Neigungswinkel x des nicht-erhitzten konvexen und konkaven Rohrendes 9, 10 sind in 1 gezeigt und derart gewählt, daß die erhitzten Rohrenden genau zusammenpassen und genau axial ausgerichtet sind, wie dies gezeigt ist, derart, daß eine nahtlose Schmiedeschweißung erzeugt wird, wenn die Rohrenden 9, 10 aneinandergepreßt und nur minimale Stauchungen an den Innen- und Außenflächen der Rohre 1 im Bereich der Schmiedeschweißverbindung gebildet werden.

Eine Übersicht der Dimensionen der Rohrverbindung gemäß den 1 und 2 ist in Tabelle 1 gezeigt.

Identifizierer (siehe Fig. 1)	Beschreibung	Typischer Wert
X	Einwärts-Neigungswinkel	1 bis 5°
1	Ursprüngliche Wandstärke	4 mm
3, 5, 6	Präparationsradius	0,6 mm
2	Mindestschweißlänge	0,05 mm
7	Reduzierte Wandstärke	3 mm
8	Rohrmittellinie
4	Erste Kontaktschulter

Tabelle 1: Typische Werte für eine Schmießeschweiß-Präparation - 4 mm WT, 70 mm OD-Rohr

Unter Bezugnahem auf 3 ist ein oberes Rohr 11 und ein unteres Rohr 12 gezeigt, die je ein Basisrohr niedriger Stahlqualität mit einer Innenauskleidung aus Hochchromstahl 13 aufweisen.
Die rohrförmigen Ende 14 und 15 sind keilförmig, derart, daß die Spitzen der keilförmigen Enden durch die Auskleidungen 13 gebildet werden. Dies sichert, daß beim Aneinanderpressen der rohrförmigen Enden die Auskleidungen 13 einander zuerst berühren, bevor die Enden der Basisrohre einander berühren. Während des Schmiedeschweißvorganges wird ein Spülgas um die rohrförmigen Enden 14 und 15 gespült und sichergestellt, daß das Spülen zwischen den rohrförmigen Enden 14 und 15 fortgesetzt wird, nachdem die Auskleidungen 13 einander berührt haben, wobei das Spülgas auf die nicht-ausgekleideten Außenflächen der Rohre 11 und 12 aufgebracht wird.
4a zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die untere Endfläche 26 des oberen Rohres 20 eine allgemein konkave Gestalt und die obere Endfläche 23 des unteren Rohres 21 eine allgemein konvexe Gestalt hat.
Die Innenfläche der Rohre 20 und 21 ist mit einer Auskleidung 24 und 25 aus rostfreiem Stahl ausgekleidet, und die konkaven und konvexen Endflächen 23, 26 sind derart geformt, daß die Auskleidungen 24 und 25 einander zuerst berühren, und daß die Basisrohre 20, 21 einander danach berühren, wobei die nicht-erhitzten Endflächen 23, 26 einwärts unter einem Neigungswinkel X orientiert sind. In diesem Fall wird ein reduzierendes nicht-explosives Spülgas vom Äußeren der Rohre aufgebracht, und die Rohrenden bilden weiterhin einen Keil, derart, daß die Berührungszone allmählich von der Außenfläche gegen die Innenfläche der schmiedegeschweißten Rohre zunimmt. Auf diese Weise wird eine gute Bindung zwischen den Auskleidungen 24, 25 sichergestellt und der Einschluß von Oxiden zwischen den schmiedegeschweißten Rohren 20 und 21 minimiert.
4b zeigt eine Schmiedeschweißverbindung eines Paares von Basisrohren 33, 34 niedriger Stahlqualität, deren Außenfläche mit einer rostfreien Stahlauskleidung 30, 31 ausgekleidet ist und deren Endflächen 35, 36 eine ineinandergreifende konvexe und konkave Gestalt haben, derart, daß die nicht-erhitzten Flächen 35, 36 einwärts unter einem Neigungswinkel X orientiert sind, und daß die rostfreien Stahlauskleidungen 30, 31 einander berühren, bevor die Basisrohre 33, 35 einander berühren, wenn die Endflächen 35, 36 erhitzt und während des Schmiedeschweißvorganges gegeneinandergepreßt werden. In diesem Fall wird ein reduzierendes Gas von der Innenseite 44 des Rohre während des Schmiedeschweißvorganges aufgebracht.
5 zeigt ein verjüngtes keilförmiges Ende 40 eines Rohres 41, das mit einer Auskleidungsschicht 43 ausgekleidet ist, wobei weiteres Material 42, das mit der Auskleidungsschicht 43 kompatibel ist, um das Ende des Rohres 2 abgelagert ist, um ein weiteres Bearbeiten zu ermöglichen, ohne das Basisrohr 41 freizulegen. Der Einwärts-Neigungswinkel X des verjüngten Endes 40 wird derart gewählt, daß die erhitzten Rohrenden im wesentlichen axial ausgerichtet sind, und der Neigungswinkel wird so gewählt, daß die Auskleidungsschichten 43 der benachbarten Rohrenden einander zuerst berühren, bevor die Basisrohre einander während des Schmiedeschweißvorganges berühren.

Claims

Verfahren zum Verbinden von Rohren durch Schmiedeschweißen, wobei das Verfahren die Formung der miteinander zu verschweißenden Rohrenden zu einer einwärts geneigten Konfiguration umfaßt, wobei die geneigte Konfiguration derart ist, daß beim Erhitzen der Rohrenden während des Schmiedeschweißvorganges sich die erhitzten Rohrenden infolge der Wärmedehnung zu einer im wesentlichen langgestreckt orientierten zylindrischen Gestalt verformen, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche eines der Rohrenden eine konvexe Gestalt und die Endfläche des anderen Rohrendes eine konkave Gestalt hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Neigungswinkel der inneren und äußeren Wände der rohrförmigen Enden derart gewählt wird, daß das Verhältnis zwischen dem Durchschnittsdurchmesser D(t) der Spitze des Rohrendes und dem Durchschnittsdurchmesser D(b) der Basis des Rohrendes auf eine angenommene Temperaturdifferenz zwischen Spitze und Basis des Rohrendes während des Schmiedeschweißverfahrens und einen Wärmedehnungskoeffizienten von Stahlqualität oder Qualität des rohrförmigen Endes bezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Verhältnis D(t) zu D(b) zwischen 0,8 und 0,99 gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Rohrenden bearbeitet werden, um eine reduzierte Wanddicke in der Schweißzone zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Rohre ein Basisrohr von niedriger Stahlqualität und eine Auskleidung an der Innen- und/oder Außenfläche des Basisrohres von einer höheren Stahlqualität aufweisen, und die Endflächen derart geformt werden, daß beim Zusammenpressen der rohrförmigen Enden die Endflächen der Auskleidungen einander berühren, bevor die Endflächen der Basisrohrenden einander berühren.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Rohrenden keilförmig und die Spitzen der Keile durch die Auskleidungen ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, bei welchem nur die benachbarten Endteile von benachbarten Basisrohren einer niedrigeren Stahlqualität mit dem Auskleidungsmetall bedeckt werden, um eine weitere Bearbeitung der Endteile ohne Exponierung der Basisrohre zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem während des letzten Teiles des Schmiedeschweißvorganges ein Spülgas um die Schweißzone gespült wird und zumindest ein Teil des Spülgases in die Schweißzone von der nicht ausgekleideten Seite des Rohres eingebracht wird, derart, daß das eingebrachte Spülgas die Enden der noch immer beabstandeten Basisrohre erreichen kann, nachdem die Auskleidungen einander berührt haben.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem das Spülgas ein reduzierendes Spülgas ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Spülgas ein nicht explosives Gemisch eines im wesentlichen inerten Gases und eines reduzierenden Gases ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem das im wesentlichen inerte Gas Helium, Argon, Stickstoff und/oder Kohlendioxid umfaßt, und das reduzierende Gas Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das nicht explosive Spülgasgemisch mehr als 90 Vol.-% eines im wesentlichen inerten Gases und zumindest 2 Vol.-% Wasserstoff aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Rohre Ölfeld- und/oder Schachtrohre sind.