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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung zwei- oder dreischichtiger Metallrohre durch die
aufeinanderfolgenden Schritte Explosionsschweißen bzw.
Sprengschweißen, Warmstrangpressen und Coextrusion bzw.
Mehrschichtstrangpressen. Die Erfindung bezieht sich speziell
auf ein derartiges Verfahren für den Einsatz bei der
Herstellung zwei- oder dreischichtiger Metallrohre, wobei die
Rohrinnenwand aus korrosionsbeständigem Material besteht.
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Es ist eine beträchtliche Anforderung an zwei- oder
dreischichtige Metallrohre gestellt, speziell für den
Gebrauch in Gestängerohren und in Verteilerpipelines in der
Öl- und Gasindustrie. Herkömmlicherweise bestehen derartige
Rohre aus einem Hauptmetallrohr aus einem ersten Metall, das
mit einer Metallschicht aus einem zweiten Metall unlösbar
verbunden wird, wobei das zweite Metall ein teureres
korrosionsbeständiges Material ist. Durch die Verwendung
derartiger Rohre ergeben sich Einsparungen, indem der Bedarf
beseitigt wird, völlig aus dem teureren Material bestehende,
korrosionsbeständige Rohre herzustellen, die in einer den
normalen Druckanforderungen genügenden Wandstärke angefertigt
sind. Die korrosionsbeständige Schicht kann innerhalb der
Rohrbohrung, auf der Außenfläche oder auf beiden Flächen
sein. Normalerweise wird die korrosionsbeständige Schicht
jedoch auf der Innenfläche des Rohres sein, durch welches das
korrosive Material durchgelassen wird.
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Coextrusion ist das vorherrschende Verfahren zur Herstellung
dieser Rohrart. Dieses Verfahren besteht aus dem Anordnen
eines ersten Rohres aus korrosionsbeständigen Material in der
Bohrung eines zweiten, viel dickwandigeren Rohres aus weniger
teurem Metall, gewöhnlich Stahl. Das Außenrohr läßt sich mit
seinem, üblicherweise ca. 300mm bis 400mm starken
Außendurchmesser in Feinpassung in die Druckkammer einer
Strangpressmaschine einpassen. Die Innenbohrung variiert und
hängt von dem Pressdorn ab, der zur Erzeugung der speziellen
Bohrung der zu formenden, stranggepressten 'Ummantelung'
verwendet wird. Die Länge des losen Verbundwerkstoffs, d.h.
das erste und zweite Rohr, entspricht der für die Druckkammer
der Strangpresse erforderten Länge, und das Verhältnis der
Wandstärken der beiden Metallrohre stimmt mit dem, beim
endgültig herzustellenden Rohr erwünschten Verhältnis
überein.
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Der Übergang der Rohre wird vor dem Erwärmen des
Verbundrohlings versiegelt, welcher dann stranggepresst wird.
Bei dem Strangpressen werden die beiden Metalle an dem
Übergang unlösbar verbunden.
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Die Hauptbeschränkung für einen erfolgreichen Prozeßablauf
ist, daß die beiden verwendeten Metalle während der
Coextrusion bei erhöhten Temperaturen für das Strangpressen
verträglich sein müssen. Verträglichkeit ist gewöhnlich mit
einem geringen Unterschied in den mechanischen Eigenschaften
und im Atomabstand der beiden Metalle verknüpft. Dieser
Herstellungsweg beschränkt somit die Wahl der verwendbaren
Metalle.
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Ein alternatives Verfahren zur Herstellung des Bimetallrohres
ist das Explosionsschweißen. Dieses Verfahren wird
ausgeführt, indem ein korrosionsbeständiges Rohr in einem
Stahlrohr angeordnet wird und die beiden Rohre zentralisiert
werden. Die Außen- und Innendurchmesser des jeweiligen
Innen- -und Außenrohres sind derart dimensioniert, daß durch
Zentralisieren der beiden Rohre ein ringförmiger Spalt
erzeugt wird. Von dort an wird das Verfahren mit einem von
zwei Verfahren, d.h. Expansion oder Implosion, fortgesetzt.
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Diese Verfahren werden unter den GB-Patent-Nrn. 2.209.978 und
2.209.979 und in "A Fabrication Process for the Production of
a Zirconium Bimetall Tube for Cl&sub2; und H&sub2;S Gas Wells" von R.
Hardwick und C.T. Wang in der "Proceedings of the High Energy
Rate Forming Conference", 1984, Seiten 189-194 dargestellt.
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GB 2.209.978 bezieht sich auf ein Verfahren zur Formung von
Bimetallrohren durch Explosionsschweißen, indem eine
röhrenförmige Komponente expandiert wird, so daß diese mit
einer umgebenden Metallkomponente verzahnt wird. In diesem
Verfahren ist eine Sprengladung axial angeordnet und wird
innerhalb eines stoßwellenübertragenden Einsatzes gezündet,
der einen hohlen zylindrischen Behälter aufweist. Der hohle
zylindrische Behälter ist in dem Abschnitt des zu
expandierenden röhrenförmigen Metallbestandteiles in
Feinpassung eingepaßt und hat eine ladungstragende
Einrichtung zur Unterbringung der Sprengladung und zur
axialen Anordnung innerhalb des Behälters, wobei der Behälter
mit einer stoßwellenübertragenden Flüssigkeit gefüllt ist.
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GB 2.209.979 beschreibt ein Verfahren zur Formung von
Bimetallrohren gemäß GB 2.209.978, wobei das äußere Rohr
durch ein von Flüssigkeit umgebendes Metallformteil gehalten
wird.
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Hardwick und Wang beschreiben ein Verfahren zur Herstellung
von Zirkonium/Stahl-Bimetallrohren durch Explosionsschweißen,
indem unter Verwendung einer äußeren ringförmigen Ladung ein
Außenrohr aus Stahl direkt und ohne Zwischenschicht auf ein
Innenrohr aus Zirkonium implodiert wird, so daß eine
geschweißte Ummantelung geformt wird. Die geschweißte
Ummantelung wird anschließend innerhalb eines hohlen
Stahlrohlings coextrudiert, so daß eine stranggepresste
Ummantelung aus Stahl mit Zirkoniumauflage der erforderlichen
Wandstärkenverhältnisse geformt wird. Die stranggepresste
Ummantelung wird dann mit einem Rohrreduzierer zur
endgültigen Rohrgröße weiter bearbeitet.
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Hardwick und Wang bevorzugen ebenfalls eher das
Explosionsverfahren als Herstellungsverfahren von
Bimetallrohren als das Implosionsverfahren.
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Die Materialverträglichkeit ist kein beschränkender Faktor
beim Explosionsschweißen, wie es im Coextrusionsverfahren der
Fall ist. Es treten allerdings in den im vorstehenden Stand
der Technik gezeigten Explosionsschweißverfahren durch
Explosion oder Implosion Einschränkungen auf.
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Im Expansionsverfahren definiert beispielsweise die Bohrung
des inneren Rohres das Volumen des darin aufzunehmenden
Sprengstoffs. Ist die Wandstärke des inneren Rohres
ausreichend stark, tritt ein Fall ein, in dem die Bohrung des
Rohres nicht genügend Sprengstoff für ein Verschweißen
enthalten kann. Es besteht daher eine Beziehung zwischen der
Bohrung des Rohres, der Wandstärke und dem verwendeten
Material.
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Ferner sollte die Wandstärke des Außenrohres ausreichend dick
sein, wenn das Außenrohr durch die Sprengladung nicht
expandieren soll. Tritt eine Expansion des Außenrohres auf,
ist nicht nur die Maßhaltigkeit verloren, sondern wird auch
der am Übergang zwischen den Rohren auftretende
Kollisionsdruck reduziert, was die Schweißqualität reduziert.
Dieses Problem kann, wie in GB A 2.209.979 vorgeschlagen,
durch Verwendung einer äußeren Form gelöst werden. Jedoch ist
diese Lösung zeitaufwendig, arbeitsintensiv und teuer.
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Ein weiterer Nachteil des Expansionsverfahrens ist, daß die
Detonationsgeschwindigkeit des Sprengstoffes durch die
fortschreitende Drucksteigerung innerhalb der Bohrung des
Rohres beschleunigt wird. Daher kann ein Fall eintreten, in
dem die Detonationsgeschwindigkeit über die Grenze für
Schweißen ansteigt. Folglich ist die durch das
Expansionsverfahren zu verschweißende Rohrlänge beschränkt.
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Das Implosionsverfahren krankt ebenfalls an einer Reihe von
Nachteilen. So ist beispielsweise die Wandstärke des zu
implodierenden Außenrohres beschränkt.
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Ferner sollte der ringförmige Übergangsspalt mindestens um
die 20% der Wandstärke des Außenrohres sein, um ein
Verschweißen zu gewährleisten. Ist somit die Außenwand dick,
wird der Spalt beträchtlich sein und ein Fall eintreten, wo
der von dem Außenrohr erforderte Kontraktionsgrad übermäßig
hoch ist. Daher kann eine starke, durch den Schweißprozeß
nicht beseitigbare Einbeulung auftreten, wobei die
Beherrschung derartiger Einbeulung für den
Explosionsschweißprozeß wichtig ist.
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Ein weiterer Nachteil des bislang eihgesetzten
Implosionsverfahrens ist, daß die obere Grenze der praktisch
zu erreichenden Rohrlänge 3 bis 4 Meter ist. Der Grund dafür
ist die Schwierigkeit, eine einheitliche Sprengstoffdichte
über die Länge der ringförmigen Ladung zu erreichen.
Schwankungen in der Sprengstoffdichte können die
Detonationsgeschwindigkeit beeinflussen und so die entlang
dem ringförmigen Spalt nach unten fortschreitende
Detonationsfront destabilisieren und als eine Funktion in
Abhängigkeit der Wegstrecke immer mehr verzerren. Dies setzt
sich fort, bis die zugehörige Kollisionsfront an dem Übergang
unterhalb der Detonationsfront nicht mehr nur noch in eine
Längsrichtung, sondern auch umfangsseitig in entgegengesetzte
Richtungen wandert. Wenn sich diese gegenüberstehenden
Fronten an einem genau entgegengesetzten Punkt treffen,
bewirkt eine adiabate Luftkompression vor der Kollisionsfront
ein übermäßiges Schmelzen der Oberfläche, was die Metall-
Metall-Verschweißung verhindert und zudem möglicherweise ein
Bersten des Innenrohres bewirkt.
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Sowohl das Expansions- als auch das Implosionsverfahren ist
relativ teuer, da sie sich äußerst arbeitsintensiv gestalten.
Ferner bedeuten die Längenbeschränkung kurze Rohrlängen, was
in einer häufigen Aneinanderfolge von Verbindungen bei einer
ausgedehnten Pipeline resultiert.
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Das von Hardwick und Wang gezeigte Implosionsverfahren umgeht
einige der vorstehenden Probleme, indem eine Stahlschicht auf
die äußere Oberfläche eines Zirkoniumrohres plattiert wird,
um eine Verbundummantelung zu formen, wobei die Ummantelung
anschließend in einem Stahlformrohling angeordnet und
warmcoextrudiert wird. Dieses Verfahren ermöglicht drei,
durch eine Einzelexplosion erzeugte Längsstücke des Rohres,
wobei jedes üblicherweise 12 Meter lang ist, wodurch die aus
einer Einzelexplosion erhältliche Gesamtlänge des Rohres um
den Faktor 12 gegenüber den bislang eingesetzten
Explosionsverfahren gesteigert wird.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aus einer
Einzelexplosion erhältliche Rohrlänge, z.B. um einen Faktor 3
gegenüber den vorstehend beschriebenen, von Hardwick und Wang
gezeigten Fall, d.h. um einen Faktor 36 gegenüber dem
herkömmlichen Explosionsverfahren weiter zu steigern.
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Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, die vorstehenden
Nachteile bestehender Strangpress-Explosions- bzw.
Implosionstechniken zu beseitigen oder abzuschwächen.
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Es ist zudem ferner Aufgabe der Erfindung, vielmehr eine
genau dimensionierte Verbundummantelung bei der
Coextrusionsstufe, und weniger eine direkt aus der
Explosionsschweißstufe entstehende Verbundummantelung mit
rauher Oberfläche zu schaffen.
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Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung eines zwei- oder dreischichtigen Metallrohrs,
wobei wobei die zylindrische Innenfläche eines Rohres einem
ersten Metall an die zylindrische Außenfläche eines im
wesentlichen inkompressiblen Rohlings aus einem zweiten
Metall durch eine Implosion des Rohres aus dem ersten Metall
auf den im wesentlichen inkompressiblen Rohling
explosionsverschweißt wird, so daß ein zylindrisch
verschweißter Verbundwerkstoff geformt wird, wobei ein
Längsstück des zylindrisch verschweißten Verbundwerkstoffes
darauffolgend bei einer erhöhten Temperatur
warmstranggepresst wird, um eine stranggepresste
Bimetallummantelung zu formen, wobei ein Längsstück der
stranggepressten Ummantelung darauf folgend innerhalb der
Bohrung eines hohlen Rohlings aus demselben Metall wie das
erste Metall oder einem, mit dem ersten Metall verträglichen
Metall angeordnet wird, um bei der Coextrusion bei erhöhter
Temperatur darauf stranggepresst zu werden, und somit ein
ringförmiger Übergang zwischen der zylindrischen Außenfläche
der Ummantelung und einer zylindrischen Innenfläche des
hohlen Rohlings geformt wird, wobei der ringförmige Übergang
darauffolgend versiegelt wird, so daß ein zusammengesetzter
Verbundwerkstoff geformt wird, wobei der zusammengesetzte
Verbundwerkstoff anschließend zur Formung eines zwei- oder
dreischichtigen Metallrohres bei einer erhöhten Temperatur
coextrudiert wirddie zylindrische Innenfläche eines Rohres
aus einem ersten Metall an die zylindrische Außenfläche eines
im wesentlichen inkompressiblen Rohlings aus einem zweiten
Metall durch eine Implosion des Rohres aus dem ersten Metall
auf den im wesentlichen inkompressiblen Rohling
explosionsverschweißt wird, so daß ein zylindrisch
verschweißter Verbundwerkstoff geformt wird, wobei ein
Längsstück des zylindrisch verschweißten Verbundwerkstoffes
darauf folgend
bei einer erhöhten Temperatur
warmstranggepresst wird, um eine stranggepresste
Bimetallummantelung zu formen, wobei ein Längsstück der
stranggepressten Ummantelung darauffolgend innerhalb der
Bohrung eines hohlen Rohlings aus demselben Metall wie das
erste Metall oder einem, mit dem ersten Metall verträglichen
Metall angeordnet wird, um bei der Coextrusion bei erhöhter
Temperatur darauf stranggepresst zu werden, und somit ein
ringförmiger Übergang zwischen der zylindrischen Außenfläche
der Ummantelung und einer zylindrischen Innenfläche des
hohlen Rohlings geformt wird, wobei der ringförmige Übergang
darauffolgend versiegelt wird, so daß ein zusammengesetzter
Verbundwerkstoff geformt wird, wobei der zusammengesetzte
Verbundwerkstoff anschließend zur Formung eines zwei- oder
dreischichtigen Metallrohres bei einer erhöhten Temperatur
coextrudiert wird. Die Außenfläche der stranggepressten
Bimetallummantelung kann auf herkömmliche Weise in die
Innenfläche des hohlen Rohlings lose eingepaßt werden, so daß
nach Wunsch ein Spalt am Übergang verbleibt.
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Der im wesentlichen inkompressible Rohling aus dem zweiten
Metall kann ein stabiler Zylinder oder ein dickwandiges Rohr
sein.
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Vorzugsweise ist das zweite Metall ein korrosionsbeständiges
Metall.
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Zudem ist das korrosionsbeständige Metall eine hochlegierte
Nickellegierung.
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Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen
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Fig. 1 eine Seitenquerschnittansicht einer Anordnung, die
verwendet werden kann, um einen ersten erfindungsgemäßen
Verfahrensschritt vor der Implosion aufzuführen;
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Fig. 2 eine Seitenquerschnittansicht eines Längsstückes eines
zylindrischen, geschweißten Verbundwerkstoffes, der
warmstranggepresst wurde, um gemäß eines weiteren
erfindungsgemäßen Verfahrensschritts eine stranggepresste
Ummantelung zu formen;
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Fig. 3 eine Seitenquerschnittansicht eines innerhalb der
Bohrung eines hohlen Rohlings zusammengesetzten
Verbundwerkstoffes mit einem Längsstück der stranggepressten
Ummantelung; und
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Fig. 4 eine Seitenquerschnittansicht eines Längsstückes des
Verbundwerkstoffes, der coextrudiert wurde, um gemäß eines
letzten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt ein Bimetallrohr
zu formen.
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Bezogen auf Fig. 1 ist ein im wesentlichen massiver Rohling 1
aus korrosionsbeständigem Metall, z.B. Nickellegierung, in
einer senkrechten Stellung angeordnet und darüber ein
Stahlrohr 3 konzentrisch zum Rohling 1 angeordnet, um so
einen ringförmigen Spalt 5 zwischen dem Rohling 1 und dem
Rohr 3 zu bilden. Ein Papp- oder Kunststoff frohr 7 ist um das
Stahlrohr 3 konzentrisch angeordnet, um so einen zweiten
ringförmigen Spalt 9 zwischen dem Stahlrohr 3 und dem Rohr 7
zu bilden. Eine Papp- oder Kunststoffscheibe 8 ist oben auf
dem Stahlrohr 3 angeordnet, um so den ringförmigen Spalt 5 zu
schließen. Der zweite ringförmige Spalt 9 wird anschließend
mit Sprengstoff 11 gefüllt, so daß eine die Seiten und den
Deckel des Rohres 3 bedeckende Sprengstoffsäule 12 geformt
wird, wobei eine Scheibe 14 aus Plastiksprengstoff über das
obere Ende der Sprengstoffsäule 12 angeordnet wird.
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Die Sprengstoffsäule 12 kann durch einen auf der oberen
Fläche der Scheibe 14 angeordneten Zünder 13 gezündet werden.
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Eine sich zwischen der äußeren Fläche des Rohlings 1 und der
inneren Fläche des Stahlrohres 3 bildende Kollisionsfront
wandert den ringförmigen Spalt 5 nach unten, so daß ein aus
dem Rohling 1 und dem Stahlrohr 3 entstehender
explosionsverschweißter Verbundwerkstoff 15 geformt wird,
während die Detonationsfront des Sprengstoffes 12
fortschreitet.
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Bei typischen Anwendungen können die Ausmaße der Anordnung
aus Fig. 1 wie folgt sein. Der Außendurchmesser des Rohlings
1 kann ungefähr 11" (279,4mm), die Stärke des Stahlrohrs 3
kann ungefähr 0,5"-0,625" (12,7mm-15,875mm), der ringförmige
Spalt 5 (d.h. der freie Abstand) kann ungefähr 0,375"
(9,525mm) und die Länge des Rohlings 1 und des Stahlrohres 3
kann ungefähr 118" (3000mm) sein. Die Sprengstoffsäule 12 hat
eindem Fachmann bekanntes, für die Verbindung von zu
schweißenden Metallen geeignetes Massenverhältnis von
Sprengstoff zu Metall.
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Bezogen auf Fig. 2 wird der geschweißte Verbundwerkstoff 15
darauffolgend in passende Längsstücke geschnitten, die dann
erhitzt werden. Ein erhitzter Rohling wird in einer
Druckkammer 17 einer Warmstrangpresse (nicht vollständig
gezeigt) angeordnet, wobei ein Preßdorn 19 anschließend
innerhalb einer Strangpressmatrize 21 konzentrisch angeordnet
wird. Daraufhin wirkt auf den Verbundwerkstoff über einen
Preßstempel 23 Druck ein, der den Verbundwerkstoff 15
zwischen dem Preßdorn 19 und der Matrize 21 presst, so daß er
als eine stranggepresste Ummantelung 25 mit vermindertem
Durchmesser austritt. Die stranggepresste Ummantelung 25 kann
dann in geeignete Längsstücke geschnitten werden.
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Bezogen auf Fig. 3 ist ein Längsstück der stranggepressten
Ummantelung 25, das aus einer inneren Auflage 29 aus
korrosionsbeständigem Metall besteht, auf welche eine äußere
Schicht 31 eines zweiten Metalls stranggepresst worden ist,
konzentrisch innerhalb der Bohrung eines hohlen Rohlings 33
aus Metalls angeordnet, so daß ein Übergang 35 zwischen der
Ummantelung 25 und einem Rohling 33 gebildet wird.
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Der hohle Rohling 33 ist entweder aus demselben oder aus
einem mit der äußeren Schicht 31 der stranggepressten
Ummantelung verträglichen Metall angefertigt, um während der
Coextrusion bei einer erhöhten Temperatur darauf geschweißt
zu werden. Der Übergang 35 ist durch Schmelzschweißnähte 37,
38 an jedem Ende versiegelt, so daß ein zusammengesetzter
Verbundwerkstoff 39 gebildet ist. Die Schmelzschweißnähte 37,
38 verhindern während der darauffolgenden Erwärmung des
Verbundwerkstoffes 39 eine Oxidation der Metalloberflächen an
dem Übergang 35.
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Bezogen auf Fig. 4 kann der Verbundwerkstoff 39 geeigneter
Länge und mit geeignetem Außendurchmesser anschließend
erwärmt und in einer Druckkammer 17' einer Warmstrangpresse
(nicht vollständig gezeigt) angeordnet werden. Ein Preßdorn
19' wird innerhalb des Verbundwerkstoffes 39 vorgetrieben, so
daß der Preßdorn 19' dann innerhalb der Strangpressmatrize
21' konzentrisch angeordnet ist, woraufhin ein Preßstempel
23' Druck auf den Verbundwerkstoff 39 ausübt. Auf diese Weise
wird der Verbundwerkstoff 39 zwischen dem Preßdorn 19' und
der Matrize 21' gepresst, wodurch zwischen der verträglichen
äußeren Metallschicht 31 der Ummantelung 25 und dem hohlen
Rohling 33 eine Verbindung (nicht gezeigt) gebildet wird, um
eine coextrudierte Ummantelung 41 zu formen. Die
coextrudierte Ummantelung 41, d.h. ein zwei- oder
dreischichtiges Metallrohr, besteht somit aus einer
korrosionsbeständigen Innenschicht 43 aus Metall, die an
einem Übergang 47 mit einem äußeren Einzelgrundstoff 45 aus
Metall unlösbar verbunden ist.
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Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens kann
ein ursprünglich im wesentlichen massiver Rohling 1 von etwa
3 Metern Länge drei explosionsgeschweißte Verbundwerkstoffe
15 ergeben, von denen jeder in üblicherweise 3 Meter lange
stranggepresste Verbundummantelungslängsstücke 25
warmstranggepresst werden kann. Jede Ummantelung 25 kann
anschließend dreigeteilt werden, so daß insgesamt neun
Ummantelungen 25 hergestellt werden, von denen jede innerhalb
einer Bohrung eines hohlen Rohlings 33 angeordnet und auf
eine typische Länge von 12 Metern coextrudiert werden kann.
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Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Verfahren für die
Herstellung zwei- oder dreischichtiger Metallrohre, welches
eine Anzahl von bedeutungsvollen Vorteilen gegenüber den
vorbekannten Verfahren bietet. Zum Beispiel steigert die
vorliegende Erfindung die verfügbare Plattierkapazität um
900%, vermindert die Anzahl der über einer vorgegebenen
Rohrleitungslänge erforderlichen Verbindungen durch eine
Verlängerung der Rohrlänge und verbessert die Maßhaltigkeit,
da die Verbundummantelung eher auf ihre Größe stranggepresst
als explosionsverschweißt wird. Es sollte jedoch angemerkt
werden, daß das hier gezeigte Ausführungsbeispiel lediglich
beispielhaft erläutert wurde, und nicht den Bereich der in
den beigefügten Ansprüche definierten Erfindung beschränken
soll.