Verfahren zum Herstellen eines großen Stahlrohres

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Stahlrohren, bei dem ein Blech oder Coil in einem Biegevorgang zu einem im Querschnitt runden Rohrkörper eingeformt, in einem nachfolgenden Schweißvorgang entlang den einander zugewandten Längskanten zum Herstellen einer Längsnaht geschweißt und an- schließend einer Entspannungsbehandlung unterzogen wird.

Ein Verfahren dieser Art ist in der DE 10 2006 010 040 B3 angegeben. Bei diesem bekannten Verfahren wird das Rohr mittels einer Richtmaschine vom Außenumfang her mittels mehrerer in Umfangsrichtung versetzter, in axialer Richtung ortsgleich angeordneter Richtstempel zum Rundrichten zusammengedrückt, wobei die Richtstempel an die Form des Rohraußenquerschnitts angepasste Richtschalen tragen. Die Richtschalen können einzeln oder in Abhängigkeit voneinander z. B. hydraulisch verfahren werden, wobei die Betätigung gesteuert oder geregelt vorgenommen wer-

den kann. über die Regelachsen können die Richtzylinder mit den Richtschalen das Rohr bis zu dessen kreisrunder Kontur richten, wobei die Kalibrierung bezüglich des Durchmessers und/oder der Ovalität erfolgt. Auch ein Stauchen des Werkstoffes ü- ber die Streckgrenze hinaus ist mittels dieses dort erstmals so genannten Impandie- rens möglich.

Die EP 0 438 205 A2 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Richten der Enden langgestreckter Werkstücke. Bei stillstehendem Werkstück wird mindestens ein im Endenbereich ausgesuchter Querschnitt einer an- und abschwellenden Biege- Wechselbeanspruchung unterworfen, wobei eine vorgegebene maximale Durchbiegung ein- oder mehrmals um die Werkstückachse umläuft. Eine an- bzw. abschwellende Biegewechselbeanspruchung wird dabei so gewählt, dass der ausgesuchte Querschnitt bis in den plastischen Bereich verformt wird. Die Mittel zum Erzeugen einer Auslenkung der Werkstückachse in eine Umlaufbahn über die Elastizitätsgren- ze des Werkstückes hinaus weisen dabei mindestens drei symmetrisch um eine gemeinsame Achse angeordnete, in radialer Richtung bewegbare Stößel auf, die jeweils mit einer weg- und zeitabhängig steuerbaren Kolben-Zylindereinheit verbunden sind und die Stößel durch eine steuerungsmäßige Verknüpfung der Kolben- Zylindereinheiten miteinander während des Richtvorganges phasenversetzt eine si- nusförmige Hubbewegung ausführen. Hierbei erfolgt kein Richten hinsichtlich Rundheit oder Ovalität, sondern eine Korrektur von Abweichungen in der Geradheit der krumm liegenden Enden, d. h. es geht um ein Längsrichten.

Auch mit einer in der FR 737 123 A gezeigten Richtmaschine für Rohre werden diese in ihrer Längsrichtung, und zwar in warmem Zustand gerichtet. Hierbei erstrecken sich zwei gegenüberliegende Richtelemente, die das Rohr zwischen sich aufnehmen

und mittels einer Hebelmechanik mit Antrieb gegeneinander gedrückt werden können, über die gesamte Länge des Rohres. Die Richtelemente sind z. B. gerundet entsprechend dem Durchmesser des Rohres, wobei der Innenteil der Richtelemente auswechselbar sein kann. Vor dem Richtvorgang werden die Rohre rot erwärmt und evakuiert. Nach dem so durchgeführten Längsrichten werden die Rohre mittels eines Auswerfers einer Kühleinrichtung zugeführt. Insbesondere das Richten großer Stahlrohre ist mit solchen Maßnahmen aufwändig, und Probleme und Lösungen zum Rundrichten gehen aus dieser Druckschrift nicht hervor.

In der DE 196 02 920 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Rohren, insbesondere Großrohren, angegeben, bei dem die Rohre nach dem Innen- und Außennahtschweißen durch Kaltaufweiten (Expandieren) kalibriert und gerichtet werden.

Die DE 41 24 689 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beseitigen von Formfehlern und Abbauen schädlicher Eigenspannungen in Längsnaht geschweißten Rohrsträngen ebenfalls durch Aufweiten des Rohres, wozu ein innen liegender Aufweitdorn verwendet wird. Das Aufweiten des Rohrstranges erfolgt dabei in einem solchen Maß, dass in Umfangsrichtung vorhandene Eigenspannungen weitestge- hend abgebaut werden sollen.

Beim Richten von Rohren werden Ungleichmäßigkeiten der Rohrform, wie z. B. lokale Ovalitäten am Rohrkörper, durch örtliche Materialumformungen beseitigt. Dabei wird kein einheitlicher Spannungsabbau über den Rohrmantel, insbesondere Rohrumfang, vorgenommen. Vielmehr werden durch die bekannten örtlichen Ovali- tätsbeseitigungen weitere, Undefinierte Spannungen im Material erzeugt. Ein Zieldurchmesser lässt sich auf diese Weise mit dem Richten zwar mit relativ hohem

Aufwand einstellen, jedoch wird insbesondere über den Rohrumfang dabei keine gleichmäßige Stauchfestigkeit des Materials erreicht.

Beim Expandieren erzeugen die Werkzeuge eine gleichmäßige Kraft auf die Rohrin- nenseite, die beim Rundrichten das Material gleichmäßig in eine Kreisform führt. Bei diesem Vorgang können allerdings ungünstige Spannungszustände im Rohrkörper erzeugt werden, wodurch die Stauchfestigkeit und damit auch Kollapsbeständigkeit der Rohrleitung sinken kann. Bei beschichteten Rohren (z. B. CLAD-Rohren) kann es außerdem zu Beschädigungen des Werkstoffs kommen, so dass sich derartige Roh- re mit diesem Verfahren häufig nicht kalibrieren lassen. Solche nachteiligen Effekte können mit steigendem Expansionsgrad noch vergrößert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen großer Stahlrohre bereit zu stellen, mit dem die Fertigung qualitativ hochwertiger Rohre un- ter möglichst genauem Rundrichten und mit möglichst kurzer Herstellungszeit erreicht wird, sowie entsprechend ausgebildete Rohre bereit zu stellen, wobei auch die mechanisch technologischen Eigenschaften des Materials verbessert werden sollen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 6 gelöst. Bei dem Ver- fahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 ist dabei vorgesehen, dass die Entspannungsbehandlung in einem Schritt zum Rundrichten entlang dem Umfang zumindest abschnittsweise bezüglich der Längsachse des Rohres unter Kaltverformung durch Stauchen vollzogen wird.

Mit den Maßnahmen in der genannten Kombination lässt sich nicht nur der Zieldurchmesser gut einstellen, sondern beim Vorgang des Rundrichtens wird auch eine

Entspannungsbehandlung durchgeführt. Auf diese Weise wird nicht nur die Rohrtoleranz, insbesondere die Ovalität, durch gleichmäßiges plastisches Verformen des Werkstoffes in kurzer Zeit verbessert, sondern auch das Eigenspannungsverhalten des Rohrkörpers. Dabei werden nicht nur die durch das Einformen des Blechmateri- als mechanisch im Grundwerkstoff erzeugten Spannungen reduziert, sondern auch die durch das Längsnahtschweißen des zum Rohr geformten Blechmaterials verursachten thermisch erzeugten Spannungen abgebaut. Insgesamt werden durch das Verfahren die mechanisch technologischen Eigenschaften des Rohres verbessert, nämlich z. B. die Stauchfestigkeit und die Kollapsbeständigkeit. Wie Berechnungen im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten nachweisen, wird das Eigenspannungsverhalten nach dem Impandieren, je nach Impansionsgrad, auf ein Minimum reduziert, wobei auch ein praktisch vollständiger Spannungsabbau ermöglicht wird, ohne dass eine aufwändige Wärmebehandlung (spannungsarm glühen bei z. B. ca. 600° C) erforderlich ist, und es können durch die Wärmebehandlung entstehende Nachteile vermieden werden. Durch das gleichmäßige Stauchen über die Außenfläche des Rohres bauen sich die durch den Herstellungsprozess erzeugten Eigenspannungen in Längs- und Umfangsrichtung im Grundwerkstoff und in der Schweißnaht ab. Wie Untersuchungen der Erfinder ergeben haben, liegt ein Grund für die Verbesserungen offenbar darin, dass der Restspannungszustand umgekehrt wird, d. h. nach dem Impandieren liegt auf der Rohrinnenseite Zugspannung und auf der Rohraußenseite Druckspannung vor. Bei innen plattierten Rohwerkstoffen ergeben sich durch das Impandieren von außen zusätzliche Vorteile, da die sensible Innenfläche nicht beschädigt bzw. belastet wird. Dadurch werden die Korrosionseigenschaften des inneren Materials nicht geschwächt. Bei Auflagewerkstoffen z. B. aus alloy 625 wird die Korrosionsbeständigkeit durch innere Restspannungen sogar verbessert.

Eine für das Rundrichten und die Entspannung vorteilhafte Maßnahme besteht darin, dass beim Rundrichten eine plastische Verformung des Rohrkörpers über dessen gesamten Umfang vorgenommen wird.

Alternative vorteilhafte Ausgestaltungen für ein exaktes Rundrichten bestehen dabei darin, dass beim Rundrichten ein Einstellen auf vorgegebenen Rohraußendurchmesser oder vorgegebenen Rohrinnendurchmesser erfolgt.

Zum Verbessern des Eigenspannungsverhaltens des Rohrkörpers tragen ferner die Maßnahmen bei, dass beim Rundrichten zum Entspannen ein Stauchen in Umfangs- richtung und ein hydraulisches Entspannen (z.B. mit Hydrotester) miteinander kombiniert werden. Dabei kann das Impandieren und hydraulische Entspannen abwechselnd auch mehrfach gesteuert durchgeführt werden.

Ferner werden das Rundrichten und die Entspannungsvorgänge dadurch begünstigt, dass das Rundrichten und Entspannen mittels mindestens zweier, insbesondere mindestens dreier von außen in Radialrichtung zur Rohrachse drückender, in Um- fangsrichtung versetzter Richtstempel mit an die Umfangskontur des Rohres abschnittsweise angepassten Richtschalen durchgeführt wird.

Ein Rohr mit vorteilhaften Eigenschaften wird dadurch erhalten, dass es nach einem der vorstehend genannten Verfahrensweisen hergestellt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug- nähme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein in einer Rundrichtmaschine angeordnetes Rohr in schematischer Querschnittsansicht und

Fig. 2 eine schematische Darstellung von Fertigungsschritten eines Rohres.

Fig. 1 zeigt in axialer Draufsicht ein Rohr 1 eines runden Querschnitts mit einem Innenradius n und einem Außenradius r _a , durch deren Differenz eine Wandstärke t festgelegt ist. Das Rohr 1 besitzt eine längs verlaufende Schweißnaht 2. In der Rohrwandung sind zum einen in Folge des mechanischen Einformprozesses und zum anderen in Folge der Wärmeeinflüsse beim Schweißen mechanische bzw. thermische Spannungsbereiche 3, 3' vorhanden.

Die Richtmaschine bzw. Richtvorrichtung 10 weist mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte und in axialer Richtung ortsgleich angeordnete Richtstempel mit jeweiligen Richtschalen 11 , 12, 13, 14 auf, die an einem jeweiligen Halter 15 auswechselbar angebracht sind und auf ihrer dem Rohr 1 zugekehrten Seite mit einer an die Oberflächenkontur des Rohres 1 angepasste Oberflächenform versehen sind, die sich in Umfangsrichtung entlang der Rohroberfläche erstreckt, so dass beim Anlie- gen sämtlicher Richtschalen die Rohroberfläche in Umfangsrichtung weitgehend um- fasst ist. In axialer Richtung hingegen erstrecken sich die Richtschalen 11 , 12, 13, 14 nur über einen kurzen Teilabschnitt des Rohres 1 , wobei mehrere derartige Einheiten aus Richtschalen 11 , 12, 13, 14 in Längsrichtung des Rohres 1 über dessen äußerer Oberfläche angeordnet sein können. Durch die Austauschbarkeit können an ver- schiedene Rohrdurchmesser angepasste Richtschalen leicht eingesetzt bzw. gewechselt werden. Die Halter 15 der Richtschalen 11 , 12, 13, 14 werden entlang einer

Richtachse 17 hydraulisch in radialer, zum Zentrum des Rohres 1 orientierter Richtung in dem Träger 16 verstellt, um ein Stauchen des Rohrkörpers und ein hydraulisches Entspannen in entgegen gesetzter Richtung unter Steuerung oder Regelung mittels einer Regelungsvorrichtung 20 zu bewirken. Dabei kann ein Richten auf vor- gegebenen Innen- oder Außendurchmesser erfolgen, wobei über die Regelvorrichtung eine Absolutlage vorgegeben werden kann.

Fig. 2 zeigt wesentliche Schritte beim Herstellen des Rohres 1 , nämlich einen Einformvorgang a, bei dem eine Blechplatte 4 mittels einer Einformvorrichtung 30 mittels Formwerkzeugen unter Vorschub der Blechplatte 4 nach und nach zu einem Biegeteil 1.1 und schließlich dem umlaufend gebogenen Rohrkörper 1.2 geformt wird. Anschließend wird der Rohrkörper 1.2 in einem Schweißvorgang b an seinen einander zugekehrten Rändern, die zuvor für das Schweißen vorbereitet wurden, mittels einer Längsschweißnaht in einer Schweißvorrichtung 40 geschlossen. Durch die Einform- Vorgänge und das Schweißen ergeben sich mechanische und thermische Spannungsbereiche 3, 3', wie vorstehend erwähnt. Nachfolgend schließt sich gegebenenfalls nach Durchführen weiterer Bearbeitungs- und/oder Kontrollschritte ein Richtvorgang c unter Rundrichten des Rohres 1 an, in dem gleichzeitig auch eine Entspannungsbehandlung erfolgt. Die Entspannungsbehandlung kann zusätzlich noch in ei- nem anschließenden Schritt d mit einem hydrostatischen Entspannen z.B. mittels Hydrotester kombiniert werden, wobei mittels eines Druckmediums im Rohrinnern ein nach außen gerichteter Druck p auf die innere Rohrfläche erzeugt wird.

Bei großen Rohren, d.h. insbesondere mit Wandstärken t > 9 mm und Durchmessern d ≥ 300 mm, z.B. bis zu t = 80 mm und d = 2000 mm, gelingt das Rundrichten bei gleichmäßigem Kalibrieren über den Umfang mit der vorstehend genannten Rieht-

maschine, wie sie auch in der eingangs genannten DE 10 2006 010 040 B3 dargestellt ist, mit der ein Stauchen des Werkstoffes in Umfangsrichtung und ein Rundrichten mit hohen Toleranzanforderungen erreicht werden, wobei ein Stauchen über die Streckgrenze hinaus möglich ist. Durch plastisches Verformen beim Rundrichten lässt sich gleichzeitig ein Entspannen sowohl mechanischer als auch thermischer Spannungsbereiche 3, 3' über den gesamten Umfang erreichen. Dadurch wird das Eigenspannungsverhalten des Rohrkörpers ohne zusätzliche Wärmebehandlung deutlich verbessert, wobei gleichzeitig negative Einflüsse, wie sie durch eine Wärmebehandlung auftreten können, z. B. beim spannungsarmen Glühen, vermieden werden. So werden nicht nur die durch das Einformen des Blechmaterials mechanisch hervorgerufenen Spannungen reduziert, sondern auch die durch das Längsnahtschweißen verursachten, thermisch erzeugten Spannungen abgebaut, wobei die plastische Verformung des Rohrkörpers 1.2 über den gesamten Rohrumfang erfolgt. Dabei wird das Rundrichten mit der Entspannungsbehandlung durch Kaltverformung erreicht.

Durch die Kombination des Impandierens und hydraulischen Entspannens unter Steuerung oder Regelung über die Regelungsvorrichtung 20 kann der Entspan- nungsprozess gezielt beeinflusst werden. Gleichzeitig lassen sich Rohraußen- oder Rohrinnendurchmesser gezielt auf vorgegebene Werte einstellen. Durch dieses Verfahren lassen sich gezielt die mechanisch technologischen Eigenschaften wie Festigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient des Rohrmaterials positiv beeinflussen. Weiterhin werden das Kollapsverhalten des Rohres und die Eigenschaften bei Ermüdungsbeanspruchungen verbessert. Insgesamt lassen sich dadurch qualitativ hoch- wertige, praktisch spannungsfreie Rohre mit hohen Rohrtoleranzen in einer gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren deutlich kürzeren Zeit fertigen. Wie in

Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durch Berechnungen nachgewiesen wurde, kann das Eigenspannungsverhalten nach dem Impandieren, je nach Impansi- onsgrad, auf ein Minimum reduziert werden, wobei auch ein vollständiger Spannungsabbau möglich ist.