Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung geschweißter Rohre aus Stahl gemäß Patentanspruch 1.

Unter geschweißten Rohren werden im Folgenden sowohl Schraubennahtrohre, so genannte Spiralnahtrohre, als auch längsnahtgeschweißte Rohre verstanden.

Für den Transport von Wasser, Öl und Gas werden im Regelfall unterpulver- (UP), hochfrequenz induktionsgeschweißte (HFI) oder elektrisch widerstandsgeschweißte (ERW) Leitungsrohre eingesetzt, welche vorzugsweise aus Warmband oder aus Grobblech in Dicken von etwa 10 bis über 25 mm hergestellt werden.

Spiralnahtrohre werden im Regelfall UP-geschweißt, während längsnahtgeschweißte Rohre neben UP- auch HFI- oder ERW-geschweißt sein können. Allerdings wird auch zunehmend das Laser- oder Laser-Hybridschweißen, bestehend aus einer Kombination von Laser- und Schutzgasschweißen für derartige Rohre angewandt.

Bei den längsnaht- mittels UP-Verfahren geschweißten Großrohren ist das in der Fachwelt mit UOE bezeichnete Verfahren das am häufigsten angewandte. Bei diesem Verfahren werden im ersten Schritt die Kanten eines ebenen Bleches angebogen. Die nachfolgende Presse formt das Blech mit einem runden Pressstempel in eine U-Form (U-Presse), welches anschließend auf einer O-Presse mit zwei sich schließenden Gesenken zu einem runden Schlitzrohr gepresst wird. Im Anschluss an die Blecheinformung zu einem Schlitzrohr wird dieses in einem zweiten Schritt mittels UP-Schweißen fertiggeschweißt. Da in vielen Fällen die Rohre nach dem Innen- und Außenschweißen noch nicht die Anforderungen an

Durchmesser, Rundheit und Geradheit erfüllen, werden sie durch Kaltaufweiten

(Expandieren) kalibriert. Die so hergestellten Rohre werden dann je nach

Korrosionsbeanspruchung mit einer Beschichtung versehen und auf der Baustelle zu Pipelines verschweißt und beispielsweise für den Öl- oder Gastransport eingesetzt.

Für Schraubennahtrohre ist es z. B. aus der Broschüre„Spiralgeschweißte Großrohre - Produktinformationen - " (Salzgitter Mannesmann Großrohr 3/08) bekannt, das Warmband nach dem Abhaspeln von einem Coil zunächst zu richten, in einer Einformeinrichtung schraubenlinienförmig zu einem Schlitzrohr zu formen und nach der Bandeinformung in einem zweistufigen Verfahren zu einem Rohr zu verschweißen.

Hierzu wird das Warmband in einer Verformungseinheit einer Rohrformmaschine zu einem Rohr geformt. Die Verformungseinheit besteht aus einem 3-Rollenbalken-Biegesystem mit einem äußeren Rollenstützkäfig und einer sogenannten Versatzrolle. Mit der

höheneinstellbaren Versatzrolle kann ein etwaiger Bandkantenversatz des Schlitzrohres ausgeglichen werden. In diesem als„HTS-Verfahren" (Helical Seam-Two-Step) bekannten Fertigungsprozess werden in einem ersten Verfahrensschritt die Bandkanten des

Schlitzrohrs mittels einer Schutzgas-Heftschweißung bei hoher Schweißgeschwindigkeit von bis zu 15m/min verschweißt, wobei die Bandkanten dabei nur zum Teil miteinander verbunden werden.

Der Rohrdurchmesser wird beeinflusst vom Einlaufwinkel des Bandes in die

Verformungseinheit und von der Bandbreite des eingesetzten Vormaterials. Mittels der höheneinstellbaren Versatzrolle kann ebenfalls auf den Durchmesser des Rohres Einfluss genommen werden.

Das Fertigschweißen mit einer vollständigen Verschweißung der Bandkanten mit einer Innen- und Außennaht erfolgt anschließend in einem zweiten Schritt auf separaten

Schweißständen mittels UP-Schweißen.

Der Vorteil gegenüber dem konventionellen einstufigen Verfahren, bei dem direkt in der Rohrformmaschine auch die Unterpulverschweißnähte ausgeführt werden und das Rohr somit in einem Schritt fertig geschweißt wird, besteht darin, dass durch die hohe

Geschwindigkeit bei der Heftnahtschwei ßung eine höhere Leistung der

Rohreinformmaschine erreicht wird.

Nach dem Schweißen werden die spiralgeschweißten Rohre zur Dichtheitskontrolle einer Wasserdruckprüfung unterzogen, anschließend in mehreren Stationen auf Einhaltung der Qualitätsvorgaben geprüft und danach zum Versand vorbereitet.

Je nach Anforderung an die Korrosionsfestigkeit können die längsnaht- oder

spiralnahtgeschweißten Rohre noch mit einer Beschichtung versehen werden. Insbesondere im Bereich von mit sehr hohem Außendruck beaufschlagten offshore verlegten Rohrleitungen müssen wegen der ständig steigenden Anforderungen, z. B. an die

Kollapsfestigkeit, die Rohre bezüglich der Rundheitstoleranzen immer größeren

Anforderungen genügen. Aber nicht nur die Geometrie (Rundheit, Geradheit), sondern auch die Werkstoffeigenschaften, wie Festigkeit, Zähigkeit usw., beeinflussen in erheblichem Maße die Gebrauchseigenschaften der Rohre.

Gefordert wird eine hohe Konstanz der Rohreigenschaften bezüglich Geometrie und

Werkstoff sowohl über Rohrquerschnitt und -länge wie auch von Rohr zu Rohr. Die

Gleichmäßigkeit dieser geforderten Eigenschaften wird dabei durch vielerlei Faktoren im gesamten Herstellungsprozess beeinflusst.

Zum einen sind dies die Werkstoffeigenschaften des Ausgangsmaterials (Band bzw. Blech), wie z. B. Festigkeit, Zähigkeit, Gefüge, Textur, Eigenspannungszustand etc., die möglichst gleichmäßig und homogen über Länge und Breite sein sollten. Zum anderen ist es die Konstanz der eingestellten Prozessparameter beispielsweise bei der Einformung und in den nachfolgenden Fertigungsschritten.

Aus der GB 2 027 373 A ist bekannt, dass der Eigenspannungszustand des Bandes Einfluss auf die Gleichmäßigkeit der Rohrgeometrie (Ovalität, Geradheit usw.) hat. Allein die

Ermittlung des Eigenspannungszustandes reicht aber nicht aus, um die Qualität des fertigen Rohres zu charakterisieren, da die weiteren Einflussfaktoren unberücksichtigt bleiben.

Im Rahmen der Qualitätssicherung erfolgen deshalb im Fertigungsablauf der geschweißten Rohre vielfältige integrierte zerstörende sowie verschiedene zerstörungsfreie Prüfungen, um die qualitativen Anforderungen an das fertige Rohr sicherzustellen.

Die qualitätssichernden Maßnahmen sind bei längs- oder spiralnahtgeschweißten Rohren vergleichbar.

Die Werkstoffkennwerte des Ausgangswerkstoffs, also des Band- oder Blechmaterials, werden üblicherweise stichprobenartig mittels zerstörender Prüfverfahren, wie z. B.

Zugversuch oder Kerbschlag biegeversuch ermittelt und gehen dann neben den

geometrischen Werten (Länge, Breite, Dicke) ein in die Einstellung der Fertigungsparameter, wie z. B. Band- bzw. Blecheinformung, Schweißparameter oder nachfolgende Richtprozesse. Beispielsweise ist bekannt, dass die mechanischen Werkstoffeigenschaften oder der Eigenspannungszustand aufgrund unterschiedlicher Abkühlbedingungen beim Walzen der Bänder und Bleche über deren Breite und Länge variieren können. Sind die Band- bzw. Blecheigenschaften bekannt, so können die Prozessparameter entsprechend eingestellt werden.

Mit den bekannten Methoden der zerstörenden Materialprüfung ist allerdings nur eine lokale und stichprobenartige Prüfung und Kontrolle der Band- oder Blecheigenschaften und damit eine nur eingeschränkte Bewertung der Auswirkungen auf eine etwaig notwendige

Anpassung der Prozessparameter und damit auf die Bauteileigenschaften möglich.

Eine vollständige Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften durch Bestimmung der mechanischen Kennwerte, Zähigkeit, Eigenspannungszustand, Gefüge und Textur über Länge und Breite des Bandes bzw. Bleches und der eingeformten Rohre über eine

Rückkopplung zum Fertigungsprozess kann bislang nur mit zerstörenden Prüfverfahren und deshalb nur mit großem, wirtschaftlich nicht vertretbarem Aufwand, für einzelne Bleche oder Bänder realisiert werden.

Eine vollständige Kontrolle und Dokumentation der Blech/Bandqualität hinsichtlich der Werkstoffeigenschaften wird deshalb bislang nicht vorgenommen.

Noch ist kein Verfahren bekannt, mit dem die Werkstoffeigenschaften über die gesamte Blech bzw. Bandfläche wirtschaftlich überprüft und mit dessen Hilfe die Eigenschaften des Bleches/Bandes z. B. im Hinblick auf das Umformverhalten bei der Blech- oder

Bandeinformung zu einem Schlitzrohr charakterisiert werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung geschweißter Rohre aus Stahl anzugeben, mit dem die Werkstoffeigenschaften des Grundmaterials (Band/Blech) einfach und kostengünstig flächendeckend (über die gesamte Blech bzw. Bandfläche) charakterisiert und mit dem die ermittelten Kenngrößen zur Steuerung oder Regelung der Prozessparameter genutzt werden können.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen. Nach der Lehre der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung geschweißter Rohre aus Stahl vorgeschlagen, bei dem ein Band oder Blech zu einem mit einem Längs- oder schraubenlinienförmigen Schlitz versehenen Rohr eingeformt wird und die Stoßkanten des Schlitzrohrs zusammengeschweißt werden und wobei die Prozessparameter zur

Rohrherstellung auf Basis von zuvor ermittelten Werkstoffkennwerten und Geometrie der Bänder festgelegt werden, wobei das Band/Blech vor dem Einformen über Länge und Breite einer zerstörungsfreien, kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Prüfung auf

Inhomogenitäten unterzogen, aus den Messwerten ein integraler, charakteristischer

Kennwert für die Werkstoffeigenschaft des Bandes/Bleches gebildet und aus der Varianz der Messwerte der verschiedenen Messstellen ein Maß für die Homogenität der

Werkstoffeigenschaften abgeleitet wird und bei Überschreiten vorher festgelegter Grenzen für die Messwertabweichungen die Prozessparameter nachgestellt werden und/oder das Band/Blech vor der Einformung einem Homogenisierungsprozess unterzogen wird.

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber den bekannten Verfahren ist eine deutlich verbesserte, d. h. umfassendere Dokumentation der Werkstoffeigenschaften von Blechen und Bändern bei der Rohrherstellung, zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber

zerstörenden Prüfverfahren deutlich wirtschaftlicher in der Anwendung. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das zerstörungsfreie Prüfverfahren automatisiert angewandt wird.

Es werden jetzt nicht mehr die Werkstoffeigenschaften über zerstörende Prüfungen nur stichprobenartig, sondern kontinuierlich oder diskontinuierlich und zerstörungsfrei (z. B. rasterartig oder oszillierend) über die gesamte Oberfläche des Bandes oder Bleches erfasst und ausgewertet, so dass auf etwaige Veränderungen in der Homogenität der

Werkstoffeigenschaften über Länge und Breite des Bandes bzw. Bleches durch

entsprechende Anpassungen in den Prozessparametern direkt reagiert werden kann.

Untersuchungen haben gezeigt, dass grobe Änderungen in den Werkstoffeigenschaften, wie sie durch unbeabsichtigte oder provozierte Fehler im Herstellungsprozess der Bänder oder Bleche entstehen können, in den Messwerten eindeutig detektierbar sind.

Entsprechendes Vormaterial, das den Gebrauchswert des endgültigen Produkts stark einschränken würde, kann so bereits vor der Einformung aussortiert werden.

Vorteilhaft können die Messwerte auch dazu genutzt werden, bei kleineren Variationen die Prozessparameter der nachfolgenden Prozessschritte automatisiert zu steuern oder sogar zu regeln. Die einzelnen Messwerte geben dabei integrale Kennwerte für die

Werksstoffeigenschaften wieder, die die mechanischen Eigenschaften (Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Zähigkeit etc.), Eigenspannungszustand, Werkstoffgefüge und Textur charakterisieren.

Es hat sich herausgestellt, dass zur Erzielung möglichst homogener Bauteileigenschaften die einzustellenden Prozessparameter in den einzelnen Fertigungsschritten und hier

insbesondere der Einformprozess des Bandes oder Bleches wesentlich von der

Gleichmäßigkeit und Homogenität des Ausgangsmaterials beeinflusst werden. Verändern sich z. B. die Festigkeitswerte oder Eigenspannungen über die Bandbreite oder -länge, so hat dies unmittelbaren Einfluss auf die Umformvorgänge bei der Einformung des Bandes und damit auf die Geometrie des geschweißten Rohres. Ein Vorteil des angegebenen Verfahrens ist, dass sowohl Festigkeitswerte, wie auch Eigenspannungen einen wesentlichen Einfluss auf die integralen Kennwerte haben, so dass mögliche Inhomogenitäten in den

Festigkeitswerten und den Eigenspannungen erkannt werden können.

Mittels zerstörungsfreier Prüfungen, wie beispielsweise mit Ultraschall oder

elektromagnetischen Verfahren (z. B. Wirbelstrom) werden nun erfindungsgemäß kontinuierlich oder diskontinuierlich (z. B rasterartig oder oszillierend) Messungen über Länge und Breite des Bandes/Bleches vorgenommen und aus der Varianz der ermittelten Messwerte (Messgrößen) ein Maß für die Homogenität der Werkstoffeigenschaften abgeleitet.

Bei Versuchen hat sich insbesondere die Ultraschallprüfung als ein zur integralen

Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften sehr geeignetes Verfahren herausgestellt. Dabei wird die Veränderung der Ultraschalllaufzeiten als Maß für die Homogenität der Werkstoffeigenschaften herangezogen.

Zur Prüfung, d. h. zur Ultraschall-Beaufschlagung des Bleches bzw. Bandes, werden vorteilhaft zwei unabhängige Ultraschall-Moden verwendet, die gleichzeitig am gleichen Messort einwirken, wobei die gemessenen Laufzeitwerte zueinander in Beziehung gesetzt werden, um Einflüsse der Blech- oder Banddicke auf die Ultraschalllaufzeiten

auszuschließen. Als günstig haben sich dafür transversale Wellen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen herausgestellt. Um detailliertere Informationen über Art und Verteilung der Werkstoffeigenschaften bzw. der Eigenspannungskomponenten zu erhalten, können auch mehr als zwei Ultraschall-Moden verwendet werden. Werden beispielsweise eine longitudinale und zwei transversale Moden verwendet, so können daraus, indem die gemessenen Werte der Laufzeiten zueinander in Beziehung gesetzt werden, weitere wanddickenunabhängige Größen bestimmt werde, die zur Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften geeignet sind.

Aus der physikalischen Beziehung zwischen Laufzeit bzw. Laufzeitänderungen, resultierend aus Änderungen in der Schallgeschwindigkeit, lässt sich über die in Beziehung gesetzten Ultraschalllaufzeiten zwischen den unterschiedlichen Wellen (z. B. durch Bildung des

Verhältnisses oder der relativen Differenz), dann ein Wert für die integrale Kennzahl der Blech- bzw. Bandeigenschaften an der jeweiligen Messstelle des Prüfkörpers ableiten.

Sind die Materialeigenschaften (Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Zähigkeit, Werkstoffgefüge, Textur, etc) des Blechs bzw. Bandes durch dessen Herstellungsprozess konstant, dann beruht eine etwaige Variation der integralen Kennzahl im Wesentlichen auf der Variation der Eigenspannung. Je höher die Kennzahl ist, desto höher ist das

Eigenspannungsniveau.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Ultraschall elektromagnetisch angeregt in das Prüfstück eingeleitet, so dass auf ein Koppelmittel verzichtet werden kann.

Die Ergebnisse der zerstörungsfreien Prüfung können aber nicht nur zur Anpassung bzw. Optimierung der Prozessparameter bei der Rohrherstellung genutzt werden, sondern auch dazu, die Erzeugungsparameter, wie Walz- und Kühlparameter bei der Blech- und

Bandproduktion zu optimieren und so durch die Rückkopplung der Messergebnisse die Homogenität der Bleche/Bänder zu verbessern. Dadurch kann in der Folge die Qualität der Rohre erheblich verbessert werden ohne die Prozessparameter bei der Rohrerzeugung anpassen zu müssen.

Die Einsatzmöglichkeiten dieses Prüfverfahrens zur Charakterisierung der Homogenität von Werkstoffeigenschaften beschränken sich aber nicht auf die Überprüfung des Vormaterials zur Rohrherstellung sondern sind ebenfalls vorteilhaft zur Charakterisierung der Homogenität der Werkstoffeigenschaften der Rohre in den einzelnen Fertigungsstufen geeignet.

Die Einsatzmöglichkeiten können wie folgt zusammengefasst werden: • Messung von Struktur und mechanisch-physikalischen Eigenschaften

- Zugversuchskennwerte (Festigkeit und Duktilität)

- Zähigkeit

- Eigenspannungszustand

- Gefüge und Textur

am Rohrkörper oder am Band bzw. Blech über deren Breite und Länge als integraler Kennwert

• kontinuierliche oder stichprobenartige Qualitätsprüfung der eingesetzten Bänder bzw.

Bleche hinsichtlich Gleichmäßigkeit und Homogenität der oben genannten mechanischphysikalischen Eigenschaften

• kontinuierliche oder stichprobenartige Überprüfung/Überwachung der

Gleichmäßigkeit/Stabilität der eingestellten Prozessparameter bei der Rohrherstellung über alle Fertigungsstufen vom Band/Blech bis zur Rohrbeschichtung

• kontinuierliche oder stichprobenartige Eigenschaftsermittlung vor, während oder nach den folgenden Prozessstufen (einzeln oder prozessschrittübergreifend)

1. Abhaspeln des Bandes

2. Richten des Warmbandes bzw. Blechs (Richtprozess)

3. Rohreinformung (Kaltverformung)

4. Rohrschweißen

5. Rohrkalibrieren oder Expandieren (Kaltverformung)

6. Wasserdruckprüfung (Entlastung)

7. Erwärmen des Rohres zur Rohrbeschichtung

• kontinuierliche oder stichprobenartige Qualitätsprüfung und -kontrolle der

hergestellten Rohre hinsichtlich Gleichmäßigkeit von Gefüge und mechanisch physikalischen Eigenschaften örtlich oder über den gesamten Rohrkörper

• Erkennung von Rohren mit unzureichenden mechanischen Eigenschaften

• Anpassung von Rohrherstellungsparametern zur Eigenschaftsverbesserung

(Anhebung der Streckgrenze durch Erhöhung der Kaltverformung z.B. beim

Richtprozess)

Die Figuren 1 bis 3 zeigen einige Beispiele von mittels Ultraschall über Länge und Breite abgerasterten Oberflächen von Blechen. Dargestellt sind die Ergebnisse von Laufzeitmessungen der Ultraschallsignale, wobei die Zahlenangaben in der Skala neben den Figuren die relativen Differenzen der Laufzeiten (Differenz durch Summe der Laufzeiten) in Prozent für die unterschiedlichen Polarisationsrichtungen in unterschiedlichen

Schattierungen darstellen.

Wie Figur 1 zeigt, weisen die gemessenen relativen Laufzeiten der Ultraschallsignale eine gute Symmetrie sowohl in Längen- wie auch in Breitenrichtung des Bleches auf, so dass bezüglich der Symmetrieachsen annähernd homogen verteilte Werkstoffeigenschaften vorhanden sind. Da die Werteangaben für die Laufzeitunterschiede zwischen den beiden Polarisationsrichtungen relativ niedrig sind liegt insgesamt ein Blech mit einer bezüglich der Symmetrieachsen homogenen Eigenschaftsverteilung vor.

Figur 2 zeigt als Beispiel ein Blech, welches eine recht symmetrische Eigenschaftsverteilung über die Blechbreite aufweist allerdings wegen der hohen relativen Differenzen in den Ultraschalllaufzeiten mit relativ hohen Eigenschaftsvariationen, welche bei der

Blecheinformung zu berücksichtigen sind. Wegen der guten Symmetrie kann hierauf in der Regel aber gut reagiert werden.

Ein Blech mit einer deutlichen Asymmetrie der Eigenschaften über die Blechbreite ist in Figur 3 dargestellt. Ein aus diesem Blech gefertigtes Rohr zeigte ohne Anpassung der Prozessparameter eine deutliche Ovalität nach der Einformung und Schweißung.