DE3135966C2

DE3135966C2 - Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Schraubennahtrohre

Info

Publication number: DE3135966C2
Application number: DE3135966A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. 4600 Dortmund Groß; Friedrich-Otto Dipl.-Ing. 4750 Unna-Massen Koch; Adolf Dr.-Ing. 4700 Hamm Peeck; Werner 4600 Dortmund Wennemann
Original assignee: Hoesch AG
Current assignee: Fried Krupp AG Hoesch Krupp
Priority date: 1981-09-11
Filing date: 1981-09-11
Publication date: 1986-06-05
Also published as: CS235022B2; DE3135966A1; DE3277499D1; SU1400517A3; CA1183089A; JPS5855134A; EP0074482A3; US4688319A; EP0074482A2; EP0074482B1; US4823847A

Abstract

Es wird vorgeschlagen, mehrere Schraubennahtrohre unterschiedlichen Durchmessers ineinanderzufügen und mechanisch zu einem Mehrschichtrohr so zu expandieren, daß in dem Innenrohr nach der anschließenden Entspannung eine Druckspannung bestehen bleibt, so daß der Spannungsrißkorrosion begegnet werden kann. Die Vorzüge der Schraubennahtrohr - billige Herstellung, großer Durchmesser, Rißeinleitungs- und Rißstopper-Vorteile - können mit den Vorteilen der Lamellen- oder Schichtbauweise von Rohren - hohe Innendruckbelastbarkeit bei Verwendung dünner, preiswerter Stahlbänder unterschiedlicher Festigkeit - vorteilhaft kombiniert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-AS 6 98 851 bekannt. Dabei wird unterstellt, daß die äußeren Lagen des mehrschichtigen Behälters oder Rohres auf ein Kernrohr gewickelt werden und sodann die aneinanderliegenden Bandkanten miteinander vei schweißt werden. Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß es mit diesem Verfahren nicht möglich ist, der inneren Rohrschicht bei der Fertigung eine Druckspannung aufzuprägen, da handelsübliche Metallbänder, die für die zweite und nächste Wicklung benötigt werden, stets einen sogenannten Säbel haben, d. h. keinen geradlinigen Bandkantenverlauf. Dadurch bedingt, schwankt der Spalt zwischen den aneinanderliegenden Bandkanten, und es läßt sich keine hochwertige Schweißnaht erzeugen. Zum anderen wäre für die Wicklung stabiler Metallbänder eine extrem starke Wickelmaschine erforderlich, die das zu wickelnde Band unter eine entsprechende Zugspannung setzt, um dem inneren Behälter eine Druckspannung aufzuprägen. Zudem ist es problematisch, eine saubere Durchschweißung der Naht zu zeugen, ohne die darunterliegende Rohr- oder Behälterschicht thermisch zu beeinflussen bzw. mit zu verschweißen. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens nach dem Stand der Technik ist darin zu sehen, daß eine so erzeugte Schweißnaht wegen der darunterliegenden Rohrschicht nur schlecht z. B. durch zerstörungsfreie Prüfverfahren getestet werden kann.

Es ist ferner bekannt, daß Rohre in Lamellen- oder Schichtbauweise hohen Innendrücken standhalten. Häufig werden daher zwei ineinandergefügte Rohre durch Ziehen zu einem Mehrschichtrohr verbunden (z. B. DE-OS 25 01 156, US-PS 41 25 924). Dieses Herstellverfahren ist, anlagentechnisch bedingt auf kleine Rohrdurchmesser mit homogener Oberfläche beschränkt

Eine andere Möglichkeit Mehrschicht-Rohre herzustellen, zeigt die DE-OS 30 00 665 nämlich ein Aufweiten eines inneren Rohres mit einer durch das Rohr zu pressenden Stahlkugel. Mit diesem Verfahren lassen sich aber ebenfalls nur Mehrschichtrohre geringen Durchmessers mit glatter Innenoberlfäche herstellen.

Für Hochdruckleitungsrohre großer Durchmesser ist man daher schon seit längerer Zeit auf bandagierte Rohre (DE-PS 9 36 981) ausgewichen, bei denen das Rohr in lose aufgeschobene Umreifungen durch Flüssigkeitsdruck expandiert wurde. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß das Rohr zwischen den Bandagen aufgrund meist unvermeidlicher geringer Wanddickenunterschiede oder sonstiger Ungänzen ausbeulen kann, d. h. kein konstant gleicher Rohrdurchmesser entsteht.

Diesen Nachteil vermeidet ein Verfahren nach der DE-PS 5 48 576.
Hier wird ein Herstellungsverfahren für längsnahtgeschweißte Hochdruckrohre großer Durchmesser in Mehrschichtbauweise vorgeschlagen, die anstelle der Bandagen langschüssige längsnahtgeschweißte Mantel aufweisen, in die die Rohre durch Flüssigkeitsdruck expandiert werden. Dieses System macht sich zugleich den Effekt der Materialvergütung durch Kaltverfestigung zunutze, hat aber den entscheidenden Nachteil, daß die über den Mantel ragenden Rohrteile abgeschnitten werden müssen, wodurch dieses Mehrschichtrohr unwirtschaftlich wird.

Aus der Literatur (»Hooped« Pipe — Pipeline and Gas Journal, November 1973) ist ein ähnliches Verfahren bekannt, das oben genannten Nachteil vermeidet, wahrscheinlich — es ist nicht beschrieben — durch entsprechende Gestaltung des hydraulischen Expandier-Vorganges.

Mit diesem Verfahren lassen sich kaltverfestigte Hochdruckrohre ζ. B. für Gasleitungen bis zu Durchmessern von 1422 mm (56 inch) und Wanddicken von 16 mm (0,63 inch) bei Steckgrenzen des Werkstoffes bis etwa 412 N/mm² für das zu expandierende Rohr herstellen.

Größere Rohrdurchmesser und höhere Betriebsdrükke als etwa 45 bar werden nicht für möglich gehalten,

d. h. Anforderungen, die heute bei Gasfernleitungen mit Betriebsdrücken von 70 bar (in Zukunft über 100 bar) selbstverständlich sind

Dies System hat weiterhin den Nachteil, daß die Außenrohre (Mäntel) nicht der Länge der Innenrohre entsprechen und von daher das fertige Mehrschichtrohr nicht einer üblichen Wasserdruck- oder zerstörungsfreien Prüfung des gesamten Rohrkörpers zugänglich ist Im übrigen erfordert dieses System eine spezielle Bandagierung der Rohrleitung im Bereich der Stumpfschweißverbindungen, wie es z. B. in der FR-PS 22 62 246 dargestellt wird. Einer weitgehenden Automatisierung des Stumpfschweißprozesses mit den üblichen, von allen Verlegern verwendeten Geräten, steht dieses Verfahren entgegen. Weiterhin dürfte es Probleme bei der Haftfestigkeit der Rohraußenisolierung geben, welche wegen der Korrosionsgefahr von Stahlrohren bei Leitungsrohren stets gefordert wird. Auf die Nachteile der hydraulischen Expansion bei Ungänzen im Werkstück wurde an anderer Stelle schon hingewiesen.

Ein anderer Nachteil dieses Systems liegt in. der Verwendung von Längsnahtrohren. Wegen ihrer Ovalität und Ungeradheit müssen zumindest die Innenrohre vor dem Einfügen in die Mantelrohre gerundet werden, wie einer weiteren Veröffentlichung (»Hooped Pipe« — Pipe Line Industry, Januar 1975) über dieses System zu entnehmen ist Bei dieser Weiterentwicklung sollen auch Rohre bis zwei Meter Durchmesser in Druckstufen bis 150 bar als Längsnahtrohre in Mehrschichtbauweise herstellbar sein, jedoch ergeben sich durch die zwangsläufig zu verwendenden Rohrschüsse von Drei-Walzen-Biegemaschinen unwirtschaftlich kurze Länge. Das Aufweiten ist hier möglich mit Flüssigkeitsdruck bis zu 90% der Streckgrenze des Außenrohres, wobei allerdings die Ausgangsstreckgrenze des Innenrohres etwa 412 N/mm² nicht übersteigen kann.

Zwei Vorteile zeigen Varianten dieses Systems allerdings auf, die sich die vorliegende Erfindung zunutze macht:

— Es können Werkstoffe unterschiedlicher Festigkeit und Wanddicke für Außen- bzw. Innenrohr eingesetzt werden.

— Im Innenrohr werden nach der Expansion Druckspannungen erzeugt, deren Vorteil noch an anderer Stelle zu erörtern ist, die aber hier nicht offenbart wurden.

Eine weitere Methode zur Herstellung mehrschichtiger Stah'rohre ist bekannt (EP-Al-O 015 712), bei der das Außenrohr erwärmt und des Innenrohr unterkühlt wird, so daß sich eine Durchmesserdifferenz ergibt, die ein Ineinanderfügen der Rohre erlaubt Sodann wird Temperaturausgleich herbeigeführt unter gleichzeitigem hydraulischem Expandieren des Innenrohres. Abgesehen davon, daß dieses Verfahren nur für zweischichtige Rohre sinnvoll anwendbar ist, erscheint der hohe Energieaufwand nur gerechtfertigt für die ansonsten problematische Verbindung eines hochlegierten oder Edelstahlrohres als Innenrohr mit einem weniger teuren Stahl für das Außenroiir.

Als großes Problem hat sich bei Ausweitung der Innendrücke in Gasfernleitungen auf über 70 bar die Sicherheit gegen Rißeinleitung und Rißausbreitung erwiesen. Bekannt ist. daß sich Risse in Stahlleitungen mit bis zu etwa 330 m/s ausdehnen und mehrere Kilometer Leitung total zerstören. Lösungen für dieses Problem hat der bisher genannte Stand der Technik nicht aufgezeigt

Es sind eine Vielzahl von Vorschlägen dazu veröffentlicht worden, wie derartige Risse örtlich begrenzt werden können, z. B. durch Umwickeln von normalen Leitungsrohren mit Stahlseilen (DE-GM 77 09 311). Diese Wicklung an Gasleitungen im typischen Abmessungsbereich von 1420 mm Durchmesser und 17,5 mm Wanddikke im Abstand von nur 9 m bis 200 m mit Breiten bis zu 2 m behindert die Verlegung erheblich.

ίο Dazu wird entweder die Rohrisolierung beschädigt, wenn darüber gewickelt wird, oder das Einisolieren der Wicklung muß manuell geschehen bei Unterbrechung des automatisierten Isoliervorganges.

Bekannt ist, daß Schraubennahtrohre einen wesentlieh größeren Widerstand gegen Rißausbreitung und Rißeinleitung haben als längsnahtgeschweißte Rohre wegen der hohen Kerbschlagzähigkeit iu Hauptspannungsrichtung, der Rohrumfangsrichtung, die je nach Nahtsteigutigswinkel entweder etwa gleichhoch oder nur etwas unter dem Wert für die "y-alzrichtung eines Stahlbandes liegt Diesen Effekt nutzt mas bei einem als Rißstoppelement in eine normale einwandige Pipeline eingesetzten Schraubennahtrohr (US-PS 36 98 746).

Der Vorteil der Lamellenbauweise beim Mehrschichtr zh r ist nicht offenbar.

Wegen anderer, von der vorliegenden Erfindung ebenfalls genutzter Vorteile der Schraubennahtrohre — Verwendung preiswerter Stahlbänder großer Länge in kontinuierlicher Fertigung — ist bereits die Herstellung mehrschichtiger Hochdruckrohre durch gleichzeitiges Einformen und Schweißen mehrerer übereinanderliegender Stahlbänder vorgeschlagen worden (DE-AS 19 44 587, DE-AS 19 63 805, DE-AS 27 45 389). Abgesehen von dem hohen maschinellen Aufwand läßt diese Fertigungsart nur in sehr beschränktem Umfang zu, daß im Innenrohr eine Druckspannung erzengt wird; die Praxis hat sogar gezeigt, daß im Fall der DE-AS 19 63 805 unvermeidliche Luftspalte zwischen den Rohrschichten entstehen.

Diese Druckspannung im Innenrohr ist bei der Lamelienbauweise natürlich erwünscht

Bekannt sind mechanische Expander, die wegabhängig, d. h. um einen festgelegten Betrag, Rohre aufweiten können. Für den Fall der Anfertigung von Schraubennahtrohren mit Schweißnahtüberhöhungen an Innenrohren gibt es speziell angepaßte Aggregate (DE-OS 26 27 172, DE-OS 26 41 051), die ebenfalls von der Erfindung genutzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung mehrlagiger Stahlrohre vorzuschlagen, bei dem die Verteile der bekannten Verfahren genutzt werden, aber das rr.shrbchichtige Rohr qualitativ hochwertige Schweißnähte aufweist, zwischen den einzelnen Rohrschiciuen keine Luftspalte hat, bereits im drucklosen Zustand in der Rohrinnenwand eine Druckspannung und in der äußeren Rohrschicht eine Zugspannung aufweist, die Rohre geringstmöglidi plastisch vorverformt wurden, aber einen exakten Außen- und Innendurchmesser aufweisen, um eine gute Rundnahtverschweißung der einzelnen Rohrschüsse für eine Hochdruckleitung zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Kennzeichen der Anspruchs 1 beschriebenen Merk-

fi5 male.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfaßt.

Bei diesem Verfahren werden alle bekannten Vorzü-

ge des Schraubennahtrohres in sinnvoller Weise zur Herstellung eines mehrschichtigen spaltlosen hochfesten, gegen Rißeinleitung beständigen Leitungsrohr für Höchstdrücke bei großen Durchmessern angewendet.

Insbesondere die an sich bekannte Tatsache, daß ein unter Druckspannung stehendes Rohr (Innenseite) unauffällig gegen HjS-Korrosion, die durch schwefeliges Naturgas entstehen kann, ist, wird hier als Effekt genutzt.

Durch die bekanntermaßen größere Geometrievollkommenheit der Schraubennahtrohre gegenüber Längsnahtrohren läßt die Differenz zwischen Innendurchmesser der äußeren Rohre gegenüber den Außendurchmessern der Innenrohre sich unter 1% halten, und damit braucht nur ein geringer Verformungsweg beim Expandieren zurückgelegt zu werden. Dadurch wird die Fertigungszeit verkürzt und der Hub des Expanders, somit auch seine Baugröße, wird gering.

mechanische Expander lassen sich gezielt über bestimmte Wegstrecken steuern und somit ein exakter Außendurchmesser für das Mehrschichtrohr einstellen, was bei Expandieren mit Flüssigkeitsdruck nur durch Verwendung einer Außenform möglich ist. Mit mechanischen Expandern entstehen auch bei unterschiedlichen Materialhärten innerhalb einer Rohrschicht spaltlose Mehrschichtrohre, da nicht druck- sondern wegabhängig expandiert wird. Bei Einsatz von Schraubennahtrohren gleicher Länge, unter Berücksichtigung eines Verkürzungsbetrages durch das Expandieren, erreicht man gleiche Schichtlängen des Mehrschichtenrohres mit der Konsequenz, daß dieses Rohr beim Leitungsbau mit einer Rundnaht verschweißbar ist und kein Materialverlust durch Abschneiden überstehender Längen entsteht Auf die Vorteile dieser Rohre gegen Rißeinleitung etc. wegen der günstigen Lage der Hauptspannungsrichtung zur Stahlbandwalzrichtung wurde an anderer Sfüe schon sin^e^sri^sri Ein solches Mehrschichtrohr läßt sich mit der heutigen Technik — Warmbreitband ist bis etwa 16 oder 18 mm in der Qualität X 70 sicher herstellbar — z. B. beim Zweischichtrohr problemlos bis 32 oder 36 mm Gesamtwanddicke herstellen. Damit sind die in Zukunft verwendeten Leitungsdrücke für Gasleitungen auf jeden Fall abzudecken, falls gewünscht, ist diese Wanddicke natürlich auch durch drei 11 mm dicke, ineinander expandierte Schraubennahtrohre herstellbar.

Das spaltlose Fertigen der Rohre erfordert normalerweise ein Abarbeiten der Schweißnahtüberhöhung.

Erfindungsgemäß kann so geschweißt werden, daß keine Nahtüberhöhung entsteht

Gemäß einer weiteren Fortbildung des Erfindungsgedankens soll das Außenrohr beim gemeinsamen Expandieren mit Innenrohren über seine Streckgrenze hinaus expandiert werden. Das hat den Vorteil, daß die Spannungsdifferenz zwischen Außen- und Innenrohr größer wird, also auch größere Druckspannungen im Innenrohr einleitbar sind

Weil Schraubennahtrohre exakte Geometrieabmessungen haben, brauchen sie vor dem Ineinanderfügen nicht gerichtet oder gerundet werden, mit allen Konsequenzen für eine günstige Spannungsverteilung im Mehrschichtrohr: die Spannungen im Einzelrohr sind an sich schon gleichmäßig verteilt Für hohe Anforderungen oder als Vorbereitung für eine Präparierung der Oberflächen können die Einzelrohre vor dem Ineinanderfügen entzundert werden. Neben den später aneinanderiiegenden Rohroberflächen können gleichzeitig natürlich die anderen Rächen für eine Rohrisolierung vorbereitet werden. Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung des Verfahrens soll die bei der Schraubennahtrohrfertigung entstehenden Aufdachung im Nahtbereich an den Innenrohren niedriger gehalten werden als bei den Außenrohren, damit beim Ineinanderexpandieren die Aufdachungen ineinandergeschachtelt werden. Weitere Vorteile sind natürlich die geringere Durchmesservergrößerung des Innenrohres bei geringen Aufdachungen.

Beim Zusammenziehen nach dem Aufweiten dehnen sich die Rohrschichten etwas in Längsrichtung. Dieser Tatsache ist durch Kürzung der sich aufgrund geringerer Verformung weniger dehnenden Außenrohre gegenüber den Innenrohren bei der Einzelfertigung Rechnung zu tragen. Dadurch läßt sich ein in allen Schichten exakt gleich langes Mehrschichtrohr herstellen. Dies hat den Vorteil, daß ein derartiges Rohr leichter einer 100%igen Prüfung sowohl bei der Wasserdruck- als auch der ZF-Prütung und den manuellen Maß- und Oberflächenkontrollen unterzogen werden kann.

In manchen Fällen scheint es sinnvoll, nach Vorliegen des fertigen Mehrschichtrohres eine nochmalige Prüfung des Grundwerkstoffes, d. h. des Bereiches zwischen den Schweißnähten durchzuführen. Dazu wäre es erforderlich, daß die Schraubennähte möglichst übereinanderliegen. Um diese zu erreichen, müssen also die Steigungshöhen der Schraubennähte am Innenrohr mit den Steigungt.höhen der Schraubennähte am Außenrohr im fertigen Zustand übereinstimmen, d. h. die Steigungshöhen müssen durch Wahl entsprechender Winkel und Bandbreiten vor dem Ineinanderfügen der Innen- und Außenrohre entsprechend unterschiedlich sein wegen der oben beschriebenen Längskontraktion der Rohre beim Expandieren.

Für die Verbindung mehrschichtiger Rohre zu einer Leitung durch eine für alle Schichten gemeinsame Rundnaht ist es erfindungsgeir.äß vorteilhaft, wenn vor dem Ineinanderexpandieren der Rohre zwischen die Rohrschichten an den Rohrenden umlaufende Homogenisierungsfolien eingelegt werden. Eine solche metallische Folie würde ein gemeinsames Verschweißen der Rohrschichten untereinander oder das Vorschweißen eines Flansches vor dem Stumpfverschweißen der Mehrschichtrohre zu einer Stahlleitung überflüssig machen.

Sinnvollerweise werden die einzeln gefertigten Schraubennahtrohre bevor sie ineinandergefügt werden einzeln einer Grundwerkstoff-, Schweißnaht- und Oberflächenkontrolle unterzogen, damit sichergestellt ist, daß nicht bereits fehlerhafte Rohre zu Mehrscb-chtrohren verarbeitet werden.

Zur Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit beim Ex-' pandieren kann es vorteilhaft sein, eventuelle Schweißnahtüberhöhungen im Innern des innersten Rohres zunächst abzuarbeiten und dann mit einem normalen Rohrexpander, d. h. ohne spiralförmig verlaufende Ausnehmungen, das Expandieren vorzunehmen. Dabei kann natürlich bei kurzen Rohrlängen ein Expander verwendet werden, der das gesamte Rohr auf einmal aufweitet und nicht wie es bisher, aus Gründen geringeren maschinentechnischen Aufwandes, geschieht durch schrittweises Vorschieben des Expanders im Rohr.

Hochfeste thermomechanisch gewalzte Stahlbänder sind mit zunehmenden Festigkeitsstufen teurer. Daher ist es erfindungsgernäß sinnvoll, für das Außer.rohr Stahl hoher Festigkeit zu verwenden und für die Innenrohre billigere Stähle geringerer Festigkeit wobei — anforderungsbedingt — ein Innenrohr geringstmögli-

eher Festigkeit gewühlt wird.

Besonders effektiv sind Schichtrohre, die ;uis einzelnen Schraubennahtrohren bestehen, gegen Rißfortschreitung einsetzbar, wenn die Schraubennahte der einzelnen Rohrschichten sich kreuzen, d. h. wenn deren Steigungswinkel unterschiedlich sind oder gar eine gegenläufige Steigung aufweisen. Dadurch wird der RiD-fortscrneitung stets ein erheblicher Widerstand von Steigungshöhe zu Steigungshöhe entgegengesetzt, der zum Stoppen des Risses führt.

Nachfolgend soll anhand von Zeichnungen der Erfindungsgegenstand näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 qualitativ die Toleranzen an Schraubennahtrohren,

Fig.2 Schraubennahtrohre mit gleicher Steigungshöhe, aber gegeneinander verschobenen Schraubennähten,

Fig. 3 Schraubennahtrohre mit gleicher Steigung und gegenüberliegenden Schraubennähten,

Fig.4 einen mechanischen Rohrexpander in Funktion.

Fig.5 einen Querschnitt durch einen Expanderkopf gemäß F i g. 4,

F i g. 6 den qualitativen Verlauf des Expandierens und Entspannens in einem Spannungs-, Dehnungsdiagramm und

F i g. 7 schematisch den Verlauf des Expandier- und Entspannungsvorganges in Spannungs-, Dehnungsdiagrammen für Stähle der Qualität X 70 für das Außenrohr und X 63 für das Innenrohr eines zweischichtigen Rohres sowie ein Druck-Dehnungs-Diagramm für dieses Mehrschichtrohr.

In F i g. 1 sind qualitativ die möglichen Abweichungen eines Schraubennahtrohres von der theoretisch exakten Form aufgezeigt. Fig. la stellt Geradheitsabweichungen von der Längsachse, Fig. 1 b die sogenannte Aufdachung (»Peaking«) dar, weiche durch nicht exakte Biegung der Kanten des Stahlbandes bei der Fertigung der einzelnen Schraubennahtrohre entsteht beiderseits der Schraubennähte. Fig. Ic zeigt mögliche Ovalitätsabweichungen der einzelnen Schraubennahtrohre untereinander, während Fig. Id Abweichungen vom Nenndurchmesser eines Schraubennahtrohres darlegt, wie sie durch Toleranzen z. B. der Bandsäbeligkeit, welche nicht ganz ausgesteuert wurde, entstehen können.

Für die reibungslose Fertigung z. B. eines zweischichtigen Rohres, d. h. der Sicherstellung, daß jedes beliebige Rohr aus der Fertigung der Innenrohre in jedes beliebige Rohr aus der Fertigung der Außenrohre paßt, sind alle geometrischen Toleranzen aufeinander abzustimmen; ein Problem, welches aus der Serienfertigung etwa im Automobilbau bekannt ist. Im vorliegenden Fall bedeutet dies:

Ein Innenrohr mit dem größten

— Außendurchmesser

— Ovalität

— Ungeradheit

— Aufdachung

muß in ein Außenrohr mit dem geringsten

— Außendurchmesser

— größter Ovalität um 90° zum Innenrohr versetzt

— Ungeradheit

— Aufdachung

passen.

F i g. 2 zcigi zwei ineinandergefügte Schraubennahtrohre. ohne Nahtüberhöhung an den gegenüberliegenden Oberflächen, vor und nach dem Expandieren. Die Sehiaubennähte liegen sich beliebig gegenüber.

Sollte in bestimmten Fällen eine Aufdachung bei der Einzelfertigung der Schraubennahtrohre unvermeidbar sein, läßt sich gemäß F i g. 3, bei gleicher Steigungshöhe der Nähte, das Innenrohr gegenüber dem Außenrohr so anordnen, daß sich die Aufdachungen beim expandierten fertigen Rohr ineinanderlegen. Diese Aufdachungen liegen beim fertigen Mehrschichtrohr natürlich nur dann vor, wenn nicht bis weit über die Streckgrenze des Außenrohres hinaus expandiert wurde.

Fig.4 zeigt einen mechanischen Expander in Funktion. Mit dem Stützrohr 3 wird der Expander, auf Rollen 4 fahrend, im Innenrohr 2 schrittweise entsprechend der Länge der Preßbacken 5 vorgeschoben. Im unteren Teil der F i g. 4 ist die eingezogene Stellung der Preßbacken 5, die radial über Spannkeile 6 und Zugstange 7 verschoben werden, dargestellt während des Vorschiebens des Expanders. Im oberen Teil der Zeichnung ist der Aufweitvorgang zu sehen; das Innenrohr 2 wird solange gedehnt, bis dessen Außenfläche an der Innenfläche des Außenrohres 1 anliegt;sodann werden — wiegezeigt — beide Rohre gemeinsam auf den vorbestimmten Außendurchmesser des Mehrschichtrohres 8 expandiert. Die geringfügige Durchmesserverringerung des Mehrschichtrohres durch elastische Rückfederung ist nicht angedeutet. F i g. 5 zeigt einen Schnitt durch den Expanderkopf während des Expandierens des Innenrohres 2. Die Preßbacken 5 üben gleichmäßig Druck auf die Rohrwand aus.

Der qualitative Verlauf eines Expandierungsvorgangs bei der Herstellung eines Zwei-Schicht-Rohres aus einem Innenrohr mit einer gegenüber dem Außenrohr geringeren Streckgrenze ist in F i g. 6 in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm dargestellt- Die Spannung ff(Sigma) ist über der Dehnung d, d. h. der Durchmesseränderung der Einzelrohre und des Mehrschichtrohres aufgetragen. Ein Innenrohr wird mechanisch expandiert (durchgezogene Linie) von seinem Ausgangsdurchmesser aus — zunächst elastisch — bis an Punkt I sein Außendurchmesser den Innendurchmesser des Außenroheres erreicht; die Durchmesserdifferenz Ad ist überbrückt. Danach werden beide Rohre gemeinsam weiter expandiert Bei einem Durchmesser am Punkt II, das Innenrohr wird bereits plastisch gedehnt, wird die Spannung im Außenrohr größer als im Innenrohr. Eine weitere Ausdehnung bis zum vorbestimmten Enddurchmesser des Mehrschichtrohres (Punkt III) belastet das Au.3enrohr ebenfalls bis in den plastischen Bereich. Nach Beendigung des Expandierens entspannt sich das Mehrschichtrohr; beide Rohrdurchmesser reduzieren sich um einen konstanten Betrag. Es bleibt in der Außenschicht (Außenrohr) eine Zugspannung, in der Innenschicht (Innenrohr) eine Druckspannung erhalten. Die Spannungsdifferenz (Preßspannung σ_ρ) sorgt für den dauerhaften Verbund der Rohrschichten.

Bei einer Expansion des Außenrohres bis in den plastischen Bereich — wie hier gezeigt — ist die Preßspannung, d. h. Sicherheit gegen Trennung der beiden Rohrschichten, größer als bei Belastung des Außenrohres bis unterhalb der Streckgrenze.

In F i g. 7 sind analog zu F i g. 6 die Spannungs-Dehnungs-Diagramme separat für ein Außenrohr aus Material X 70 (Streckgrenze 485 N/mm²) und ein Innenrohr aus X 63 (Streckgrenze 434 N/mm²) dargestellt (Fig.7a, 7b). Bei einem Betriebsdruck von 75% der

Streckgrenze (364 N'rani²) für das einzelne Außenrohr läge im Innenrohr die Spannung bereits unzulässig über dessen 75%-Wert (326 N/mm²). Eine Übertragung der Verhältnisse in ein Druck-Dehnungs-Diagramm (F i g. 7c) für ein Mehrschichtrohr mit 1422 mm Außen- 5 durchmesser, 2 χ '4,2 mm Wanddicke =28,4 mm bei einem Spalt zwischen Außenrohr und Innenrohr 5,7 mm a 0,8% Ourchmesserdifferenz.

Bei einem Betriebsdruck bis 75% der Streckgrenze werden beide Rohrschichten nur im elastischen Bereich 10 belastet (Betriebsdruck von weit über 100 bar). Die Preßspannung zwischen beiden Rohrschichten bleibt erhalten und damit der Vorteil bezüglich Spannungsrißkorrosion.

Analog zu diesem Ausführungsbeispiel lassen sich na- 15 türlich auch drei oder mehr Rohrschichten bei einem Mehrschichtrohr verwirklichen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung mehrlagiger Stahlrohre, deren einzelne Lagen aus wendelförmig gewickeltem und miteinander verschweißtem Band erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen getrennt voneinander gefertigt und durch Ineinanderfügen der Rohre und anschließendes mechanisches Aufweiten auf den vorbestimmten Außendurchmesser miteinander vereinigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Schraubennähte der einzelnen Stahlrohre so geschweißt werden, daß zumindest die aneinanderliegenden Rohroberflächen keine Schweißnahtüberhöhungen aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr über die Streckgrenze hinaus expandiert wird.

4. Verfaßten nach den Ansprüchen 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß die innen- und Außenrohre ohne vorherige Geometrieänderungen ineinandergefügt werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Mehrschichtenrohr aneinanderliegenden Oberflächen vor dem Ineinanderfügen entzundert werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 —5, dadurch gekennzeichnet, daß die im Mehrschichtenrohr aneinanderliegenden Oberflächen präpariert werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 —6, dadurch gekennzeichnet, daß Aufdachungen an den Schraubennähten der Innenrohre niedriger gehalten werden als bei den Außenrohres.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1—7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzeln gefertigten Außenrohre um einen vorbestimmten Betrag kürzer geschnitten sind als die Innenrohre, wobei der Betrag dem durch Aufweitung entstehenden Kürzungsbetrag am Innenrohr enspricht.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 —8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Innen- und Außenrohren vor dem Expandieren an den Rohrenden eine Homogenisierungsfolie eingelegt wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzeln gefertigten Schraubennahtrohr vor dem Ineinanderfügen einzeln einer Grundwerkstoff- und Schweißnaht- und/ oder Oberflächenkontrolle unterzogen werden.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das Schweißnahtüberhöhungen im Innern der Innenrohre vor dem Einfügen in die Außenrohre abgearbeitet werden.